直流调速系统减少超调及加强抗扰的研究

2016-02-05张小青杨小岗樊战亭冯自立陈国栋

电子测试 2016年24期

关键词：模糊控制闭环扰动

张小青,杨小岗,樊战亭,冯自立,陈国栋

(咸阳师范学院物电院，陕西咸阳,712000）

直流调速系统减少超调及加强抗扰的研究

张小青,杨小岗,樊战亭,冯自立,陈国栋

(咸阳师范学院物电院，陕西咸阳,712000）

建立双闭环直流调速系统仿真模型，设计了一2输入1输出的转速模糊控制器，明显改善了系统动态性能。为了提高系统对电网电压谐波抗扰性能，进一步设计了PD混合模糊控制器，发现PD混合模糊控制器对高频正弦扰动的抗扰性能明显优于传统PID控制器。

混合模糊控制；减少超调；抗扰

0 引言

由于模糊控制自身对模型依赖性不强以及其编程实现方面优点，模糊控制在双闭环直流调速系统中的应用相对比较热门，例如文献[1-3]都采用了模糊控制，也取得了一定的效果，文献[4]对系统的内阻变化及突加负载进行了一定的研究，但在对电网环境方面的抗扰性能的研究却很少。在实际应用中直流电机的供电电源主要来源于交流电网整流后得到的直流，可能含有一定的高低频的交流谐波分量，因此提高系统抗高低频电网电压交流谐波扰动的性能非常重要。

1 模糊控制系统设计

双闭环直流调速系统采用模糊转速控制器的结构图如图1。图中Un*是转速给定，Un是转速反馈信号。模糊控制器在这里主要完成以下功能：模糊化及建立数据库，完成规则库及清晰化处理。

图1 双闭环直流调速系统模糊控制结构图

以下面的电动机参数为例进行系统设计：UN=220V,nN= 1480r/min，IN=13.6A，允许过载倍数为λ=1.5，电动机电动势系数Ce=0.131v/(r/min)，晶闸管装置：Ks=76，Ts=0.00167s；电枢回路总电阻R=6.667Ω，电枢回路电磁常数Tl=0.018s，系统机电时间常数Tm=0.25445s，反馈系数：α=0.00337V/（r/min），β=0.4V/A；反馈滤波时间常数：Toi=0.005s，Ton=0.005s。

1.1 模糊化接口环节设计

转速误差e及误差变化率de/dt的比例因子均设计为1。转速误差e及误差变化率de/dt的论域范围均为[-5,5],都设计为{NB NM NS ZE PS PM PB}七个等级。由于文献[5]已讨论了隶属度函数对调速控制系统的性能影响不大，故在此隶属度函数选用常用的三角函数即可。其中转速误差e的NB、NM、NS、ZE、PS、PM、P的中心点分别选为-4、-2.1、-1.1、0、1、2.4、3.5；而误差变化率de/dt的中心点分别选为-4、-2.2、-1.1、0、1.1、2、3.6。输出Un*的比例因子也设计为1，其论域范围为[-8.16,8.16], 设为{NB NM NS ZE PS PM PB}七个等级。

表1 转速模糊控制规则库

1.2 知识库的建立

在模糊控制器中知识库通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。依据直流调速系统的经验建立规则库如表1。

1.3 解模糊接口

解模糊接口也就是清晰化模块。清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量。在这里要经过两个步骤：首先将模糊控制器输出的控制量通过清晰化变换成能囊括在输出论域内的量，再把已经得到的清晰量变成转速控制需要的实际控制量。尺度变换因子在前面已设置为1。常用的清晰化方法选用重心法。

2 模糊控制的调速系统仿真与减少超调分析

2.1 模糊控制的调速系统仿真

双闭环直流调速系统仿真模型如图2所示，其中转速调节器采用的是模糊控制器。仿真结果如图3，图中实线为PID控制的仿真结果，虚线为模糊控制的仿真结果。从图中看出，虽两者都实现了转速稳态无静差，但模糊控制对应的起动动态性能相对更佳，其对应的调节时间相对较短，且其超调量也明显减少，实现了无超调的动态过程。

图2 双闭环直流调速系统仿真模型

图3 转速仿真结果

2.2 减少超调分析与调试

超调会导致直流电机承担较大的机械方面的压力，要减少超调需在转速未达到稳态值前退饱和。

在此采用模糊控制后从上述结果看，超调明显得到了减少。

模糊控制能减少超调的实质在于其控制器的输入中有误差变化率de/dt，这相当于对误差变化方向进行了提前预告，从而可以根据经验设计模糊控制规则使模糊转速调节器提前退饱和状态，或尽量减少转速调节器处于饱和状态的时间，甚或可以控制其一直接近饱和状态但从不进入饱和状态。图4为转速调节器的输出结果。从图中可看出模糊转速调节器一直未进入饱和状态，由于其不需要退饱和，节省了调节时间，使得其在整个上升过程中的整体调节时间较短。

3 抗电网电压谐波扰动研究

3.1 抗电网电压谐波扰动研究

在工业现场中电网电压中一般不可避免地存在各种频段的谐波扰动，对于这些周期的谐波干扰可分为低频、中频与高频扰动三个频段，根据经验频率越低越接近于阶跃扰动，越好控制，所以要评价一个系统对周期性扰动的抗扰性能主要看其高频抗扰性能。为了加强系统抗扰性能，在此采用混合模糊控制器，即PD与模糊控制器相结合，控制效果如图5中所示。从图中知传统的PID控制系统与PD混合模糊控制系统在抵抗正弦波电网电压扰动的方面控制性能稍有区别。具体来说，对于中低频正弦波负载扰动两种控制方式控制性能不相上下，均保持在单位转速范围以内，而在10Hz高频上，PD混合模糊控制系统性能较传统PID性能较好，这说明PD混合模糊控制在抗电网电压谐波扰动方面具有更好的性能。

3.2 抗随机扰动研究

为了更稳妥地研究系统的抗扰性能，在此增加对随机电网扰动的分析。图6是对100Hz宽度的随机扰动的仿真结果图。随机扰动的模拟采用Random Number模块，其mean设置为0，Variance设置为100。从仿真结果来看，PD混合模糊控制具有很好的随机扰动抑制效果。

4 结论

图4 转速调节器的输出仿真结果

谐波扰动在工矿企业工作环境中处处存在，为了提高系统的抗扰性能，由于纯模糊控制器本身的缺点，在此采用混合模糊控制器来对各频段电网谐波扰动进行抑制，对其各种抗扰能力均做了详细的比较分析。从上面的实验与分析发现，模糊控制作为一项智能控制技术，纯模糊控制器能消除系统的退饱和超调，而将其与PD控制结合构成混合模糊控制后应用于双闭环直流调速系统中，其高频抗扰效果良好，这样系统不仅可以尽可能地减少或消除转速超调，还具有了较好的谐波电网抗扰性能的优点，另外对随机扰动的抗扰性能也有较好的效果。

[1]陈涛，郑文婧，胡淮浦.模糊PID双闭环直流电机调速[J].中国科技信息，2009，6：137-139.

[2]于建明.基于阈值开关模糊PID控制的直流电机调速系统[J].自动化应用，2010，11：18-20.

张小青（1985--）,女，湖南永州人，讲师，硕士，主要研究方向为智能控制与运动控制.

Reduce the overshoot and strengthen immunity for DC speed control system

Zhang Xiaoqing,Yang Xiaogang,Fan Zhanting,Feng Zili,Chen Guodong
(1.School of Physics and Electronic Engineering, Xianyang Normal Univ.,Xianyang,712000)

Build a simulation model for double closed loop DC speed control system，design a two input one output fuzzy speed controller, which improves the dynamic performance of the system.To improve the performance of anti disturbance about grid voltage harmonics,further design is given for the PD hybrid Fuzzy controller.and found the disturbance rejection performance of the PD hybrid fuzzy controller is obviously better than that of the traditional PID controller at high frequency.

Hybrid fuzzy control;reduce overshoot;immunity