摘 要：直流電動機具有啟停性能良好、速度控制容易，且在寬范圍內可以平滑調速的特點，所以在輕工業(yè)、化工、機械制造及冶金領域得到廣泛應用。由于傳統(tǒng)的控制理論對于線性明確系統(tǒng)有很強的控制能力，但對于非線性難以精確描述的系統(tǒng)，則無法準確的控制。為優(yōu)化雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速系統(tǒng)、減小雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)PI控制器速度超調、解決模糊直流電機控制系統(tǒng)中電流環(huán)PI參數(shù)調節(jié)不能很好地發(fā)揮電流反饋作用的問題，提出一種雙閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了對轉速和電流的有效控制。

關鍵詞：模糊PID;雙閉環(huán);電機調速

模糊控制其實質上是一種非線性控制方法，是智能控制的一部分。模糊控制的最大特點是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實際應用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的障礙;然而在東方尤其是日本，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。近20多年來，模糊控制發(fā)展比較迅速，不論在理論上還是技術上都有了很大的突破，在自動控制領域成為了一個有代表性的部分。模糊PID控制調速系統(tǒng)是通過雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中電流環(huán)和速度環(huán)對系統(tǒng)輸出曲線的影響，實時跟蹤實際轉速和給定轉速所產生的誤差變化進行參數(shù)調整。在此過程中需要根據(jù)實際條件進行規(guī)制整定。本文針對傳統(tǒng)PID控制控制器速度超調，加入負載時波動大等缺點，提出了模糊PID控制雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速系統(tǒng)。

1 雙閉環(huán)模糊PID晶閘管不可逆調速控制系統(tǒng)建模與仿真

1.1 模糊PID 控制器的設計

本文的雙模糊閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)，速度環(huán)和電流環(huán)均采用模糊PID 控制[1-2]，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)建模與仿真

本次研究中使用晶閘管、直流電機作為控制對象，不同以往使用線性化的控制對象傳遞函數(shù)。由已知條件求得參數(shù)如表1所示。

轉速環(huán)、電流環(huán)使用PI調節(jié)器，使用工程整定法整定比例，積分系數(shù)，求得參數(shù)如下：kpn=235，kn=0.52，kpi=35.6，ki=0.003。

雙閉環(huán)模糊PID晶閘管不可逆調速控制系統(tǒng)在MATLAB中的仿真模型[3-4]如圖2所示。由以下幾部分組成交流電源、移相控制環(huán)節(jié)、晶閘管整流器、電動機模塊和觸發(fā)器構成，其中控制電路由轉速調節(jié)器（ASR）和電流調節(jié)器（ACR）組成，其仿真結果如圖3所示。

圖2中上部分是帶模糊PID控制器線路圖，下部只是用PID控制器的線路圖，用來與模糊PID控制器效果進行對比[5-6]。模糊控制器輸入為誤差及誤差變化率，輸出為比例、積分、微分系數(shù)，輸入輸出的模糊論域都為[-1，1]。

量化因子比例因子的選擇過程如下：首先對PID控制的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行仿真，用示波器觀察誤差及誤差變化率，確定誤差及其變化率的誤差范圍，這樣可以確定兩個輸入的量化因子。對比例因子的調節(jié)使用控制變量法，首先將輸出的三個比例因子盡量調小，然后針對一個參數(shù)進行調整，調整到結果較為理想之后再調節(jié)下一個變量。本次調節(jié)經驗總結如下：

①調節(jié)ASR模糊控制器輸出的比例系數(shù)：增大該系數(shù)會增加加入負載之后穩(wěn)態(tài)時的震蕩，k=2時，震蕩會很明顯;

②調節(jié)ASR模糊控制器輸出的積分系數(shù)：增大該系數(shù)會增加轉速的超調量;

③調節(jié)ASR模糊控制器輸出的微分系數(shù)：增大該系數(shù)可以增加加入負載之后的穩(wěn)態(tài)精度;

④調節(jié)ACR模糊控制器輸出的各系數(shù)對系統(tǒng)影響較小，這是由于電流環(huán)輸出波動較大，限幅器的使用減小了該控制器的控制效果。

模糊PID與PID空載并在0.45s加入負載的仿真如圖3所示。

從仿真結果可以看出使用直流電機作為控制對象當轉速超調后，此時啟動過程結束，電樞電流下降到零，雖然轉速超調，但是由于系統(tǒng)是不可逆調速，晶閘管裝置不能產生反向電流，所以超調后不能調節(jié)到額定轉速;模糊PID可以減小電機轉速超調，并在加入負載之后轉速調節(jié)時間短，波動小。

2 結論

本文基于雙閉環(huán)控制理論與傳統(tǒng)模糊電機控制理論相結合，提出一種基于建模調優(yōu)的雙閉環(huán)模糊PID晶閘管不可逆調速控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)控制調速系統(tǒng)的特點是由兩個獨立的調節(jié)器，一個是轉速調節(jié)器（ASR），另一個是電流調節(jié)器（ACR），其中內環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉數(shù)環(huán)，而且電流調節(jié)器的輸入是轉速調節(jié)器的輸出，因此電流調節(jié)器能夠隨轉速的偏差改變電動機電樞電流，通過數(shù)學模型，根據(jù)反饋控制理論基礎，在Matlab/Simulink中建立系統(tǒng)仿真模型，仿真后，通過對仿真結果的比較分析可知，雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調速的模糊PID控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PID調速精確性和快速性更好，且平滑性更好，并在直流電機調速系統(tǒng)中，驗證方法的有效性。

參考文獻：

[1]田紅霞.單周期控制直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2014，35（06）：24-25.

[2]榮軍，丁躍澆，張敏.對轉永磁無刷直流電機建模與仿真[J].湖南工業(yè)大學學報，2010，24（5）：33～36

[3]章衛(wèi)國，楊向忠.模糊控制理論與應用[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1999.

[4]方煒，張輝，劉曉東.無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計[J].電源學報，2014，3（2）：35-42.

[5]楊祖元，楊華芬.雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)模糊PID控制研究[J].計算機應用研究，2011，28（3）：921-923.

[6]溫嘉斌，麻宸偉.無刷直流電機模糊PI控制系統(tǒng)設計[J].電機與控制學報，2016，20（3）：102-108.

作者簡介：

孫宏存（1996- ），男，漢族，遼寧省東港市人，學士，研究方向：控制工程。