基于模糊控制的曳引机转速测控系统仿真研究

2016-03-13张健

现代商贸工业 2016年12期

张健

(江苏省特检院吴江分院,江苏苏州215200)

0 概述

曳引机转速测控技术是电梯安全的技术保障,是实现曳引机转速闭环控制的重要保证,也是对曳引机转速控制器优化的必需条件。曳引机转速控制效果好坏、转速输出和给定输入的比较、速度特性曲线等,必须以精确测控转速作为基础。

电梯曳引机转速PID控制器控制一般采用数字式算法,主要是在上位机通过软件编程实现,对数据可靠性的依赖性很大。我们在大量的电梯控制研究实践中,由于考虑测量对象的非线性和时变性的特点,在实际操作中很难建立精准的数学模型,这正是传统PID控制的局限性在实践应用中体现。本文从智能控制技术的角度出发,将模糊控制理论和PID控制相互结合,对转速进行控制。

1 模糊－PID控制原理

模糊－PID控制是将模糊控制与传统的PID控制相互结合的控制技术。以输入误差e和误差变化率ec作为模糊控制器的输入值,选择PID控制器的三个参数的修正量△KP,△KI,△KD作为输出值。通过在运行时,不断的检测输入误差e和误差变化率ec,利用确定的输入、输出模糊量与e、ec之间相互关系,确定各值的模糊集、模糊论域和模糊控制规则,并将这些信息并作为数据库(data base)与规则库(rule base)。计算机采用确定的模糊推理规则,可以对PID的参数值进行在线调整,根据不同通过调整来满足不同e和ec对控制参数的不同要求,从而改善控制系统的性能。

图1 模糊－PID控制原理框图

2 控制系统模糊－PID控制器设计

2.1 输入、输出量的模糊化

选择设备转速的偏差e以及转速偏差变化率ec(ec＝de/dt)作为控制器的输入量,设定PID控制器的三个参数△KP,△KI,△KD的增量△KP,△KI,△KD为输出量。

2.1.1 模糊集的定义

输入量偏差E、偏差变化率EC和输出量△KP,△KI,△KD的模糊集可作定义:[NB,NM,NS,O,PS,PM,PB]。

2.1.2 论域的定义

输入量偏差E的论域为[－160 160],偏差变化率EC的论域为[－100 100],△KP,的论域为[0 5],△KI,的论域为[0 5],△KD的论域为[0 1]。

2.1.3 取值

本系统中输入的量化因子,根据曳引机的实际工作状况分别取为KE＝0.145,KEC＝0.25。E为960r/min和EC为200。为了使PID转速控制控制系统得到闭环控制,并取得较好的调速特性,我们取△KP＝1、△KI＝5和△KP,△KD＝0.17。

2.2 确定隶属度函数

对于系统中输入、输出语言各变量值的隶属度函数类型及其参数选择,系统是利用MATLAB中的隶属度函数编辑器的功能,进行的编辑和修改。本系统中采用三角隶属度函数和Mamdani模糊推理,得出了如下的各输入输出量的隶属度函数:

图2 偏差E的隶属度函数

图3 偏差EC的隶属度函数

图4 输出△KP的隶属度函数

2.3 确定模糊控制规则

根据大量的实际控制研究的经验,进行了公式化后,建立合理的模糊控制规则。我们将规则描述如下语言:if e is A and ec is B then△KPis C and△KIis D and△KDis E,以此对本文中的三个PID控制参数Kp、Ki、Kd进行了在线修正,以修正由于系统非线性等原因对系统控制性能的较大影响。三个参数△KP,△KI,△KD的增量△KP,△KI,△KD是随着e和ec的变化而确定的,故本系统确定相应的模糊规则表如表1,表2,表3所示。

图5 输出△KI的隶属度函数

图6 输出△KD的隶属度函数

表1 △KP模糊控制规则表

表2 △KI模糊控制规则表

表3 △KD模糊规则表

2.4 去模糊化(清晰化)处理

利用模糊逻辑工具箱的模糊规则编辑器,将表1、表2、表3分别建立模糊规则,之后,我们在选择去模糊化方法时,采用面积平分法(bisector)对其进行去模糊化(清晰化)处理,打开输出曲面观察器,模糊推理输入输出曲面视图如图7所示。

3 模糊－PID控制器的仿真

图7 △KP,△KI,△KD的曲面视图

我们选择在MATLAB Simulink进行仿真研究,首先将模糊－PID与设备模型进行封装,然后搭建如图8所示的模糊－PID控制器仿真结构图。结构图中上半部为模糊－PID控制器,下半部为普通PID控制器,两者进行显示、对比。设定的电动机转速为1500r/min,仿真后的转速曲线如图9所示。

图8 仿真结构图

图9 转速控制器仿真曲线

图9中蓝实线为模糊PID控制器的仿真曲线,红虚线为普通PID控制仿真器曲线,在设计的模糊PID控制器的作用下的系统,其超调量不超过为5.8%;无模糊控制环节的系统,系统的超调量已经接近12%,远比模糊PID控制器的超调量要大。对上图分析,我们可以得出结论:模糊－PID控制器对于设备转速的控制效果基本达到令人满意的程度,整个系统也具有良好的动态和静态性能。