不同控制规律的双闭环直流电机速度控制比较研究

张海明，妥杏娃

(兰州交通大学,兰州 730070)

不同控制规律的双闭环直流电机速度控制比较研究

张海明，妥杏娃

(兰州交通大学,兰州 730070)

双闭环直流调速系统广泛应用于工业控制领域，本文研究了双闭环直流调速系统的速度调节器在使用普通PI，模糊自适应PI、Anti-Windup PI和模糊控制等方法的控制性能，通过在MATLAB/Simulink平台仿真试验，不同控制算法在电机起动、抗负载扰动和抗电网电压扰动等性能的特点进行了对比研究。

直流电动机；模糊控制；模糊自适应PI控制；Anti-Windup控制

0 引 言

直流调速系统一直在工业控制领域占主要地位[1]。高性能的调速系统应具有良好的速度跟随性能和抗负载等扰动的调节性能。直流电动机因为数学模型较简单，易控制、调速范围较宽等特点一直能在工业领域广泛应用。实际应用中，基于PI的双闭环直流调速系统已广泛应用。但传统PI控制是在线性区域设计的，只能保证线性区域内有良好的特性，系统一旦输入有突变或有大的扰动时，PI控制器会进入饱和非线性区域，此时调速特性会变差。并且传统的PI控制对系统参数变化敏感，当控制系统的参数因温度、老化等原因发生变化时，一套固定参数的PI控制器不能满足控制系统的动、静态性能。因此为改善传统PID的不足，学者们提出了不同的策略：PID控制器的积分饱和现象可以用Anti-Windup 控制器消除[2]，模糊自适应PID[2,4-5]可以根据控制对象参数的变化进行PID 参数的自整定。为了更进一步提高控制效果，模糊控制算法广泛的应用于电机调速系统中，如文献[3,6-7]。

尽管学者们对双闭环直流调速系统针对不同控制方法进行了分别研究，但是并没有将各种方法进行总结和对比研究。本文主要对比研究双闭环直流调速系统的速度控制器在使用不同控制算法(如普通PI、模糊自适应PI、Anti-Windup PI和模糊控制下的控制性能)的特性。通过研究不同速度控制器的跟随性能、抗负载扰动及抗电网电压干扰性能。通过在MATLAB/Simulink平台下仿真实验对比分析了各种控制器优缺点，为双闭环直流调速系统在不同应用场合的选用提供了理论参考依据。

1 直流电动机控制系统

转速、电流双闭环直流调速系统是应用最广、性能较好的直流调速系统。为了实现转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了转速外环(ASR)和电流内环(ACR)，具体结构如图1所示[10]。

在双闭环控制系统中为使电动机获得最大的允许电流而加快电机的动态过程，设计了ACR，而在ASR调节过程中ACR起着跟随作用，为了研究方便，本文中的ACR采用普通PI。

通常，速度是调速系统的最终控制目标。不同使用场合对调速性能要求是不一样的。为了满足各种应用场合的需要，比较不同控制算法的特性，本文的速度控制器分别采用了普通PI、模糊自适应PI及Anti-Windup PI和模糊控制器。

图1 双闭环直流电机调速系统

2 速度控制器设计

2.1普通PI控制器

普通PI控制由于其结构简单、容易实现是双闭环控制系统最常用的控制方式，其传递函数：

式中：Kp,Ki为比例和积分增益。Kp，Ki的参数通过工程设计方法并通过仿真找到最优的值，具体参数如表1所示。

表1 PI控制器参数

2.2Anti-WindupPI控制器

当速度给定输入一个大阶跃值或者负载突变时，传统PI控制器由于积分饱和原因无法使系统在实现响应快速性的同时能满足小超调，使实际闭环的性能下降，这种现象被称为Windup现象[11]，这是因为当系统出现大的误差输入或长时间有一恒定的误差输入时，由于积分作用，使速度控制器进入饱和，此时速度环相当于开路。本文用Anti-WindupPI控制以减小速度控制器饱和现象。

采用A.S.Hodel等提出的Anti-WindupPI控制算法，其控制规律为[12]：

(1)

u(t)=KPe(t)+KIφ

式中：KP，KI的取值分别为12和134.48。

2.3模糊自适应PI控制器

在实际应用中，被控对象随着负载变化等干扰因素的影响或温升等原因使电机本身参数发生变化时，固定参数的PI控制器的控制效果会降低。模糊自适应PI控制结构如图2所示，该控制器可以根据对象的变化实时修改PI参数以适应控制要求。

图2 模糊自适应PI控制器结构

为了满足不同时刻对PID参数自整定的要求，控制器以速度偏差(E)和速度偏差变化率(DE)为输入，输出为比例系数增益(ΔKp)和积分系数增益(ΔKi)。它们都用(NB，NS，ZO，PB，PS)来描述[4]。E论域为[-10，10]，DE论域为[-500，500]，ΔKp论域为[-1，1]，ΔKi论域为[-1，1]。精确化方法选用重心法，四个变量的隶属度函数皆为三角形。ΔKp和ΔKi的模糊控制规则如表2和表3所示。

表2 ΔKp模糊控制规则

表3 ΔKi的模糊控制规则

模糊自适应PI控制是找出PI控制器的输入参数E和DE之间的模糊关系，通过运行过程中不断检测E和DE对控制参数的不同要求，从而实时的修改PI控制器的参数，而使被控对象有良好的动、静态性能。

2.4模糊控制

若被控制对象模型或参数不明确，易干扰或具有非线性，模糊逻辑控制器可以使系统的调速范围变的更宽。模糊控制由于不需要建立控制对象精确的数学模型，作为一种人工智能手段，将输入量按模糊规则自动进行推理，模仿专家经验获取问题的求解，具有良好的鲁棒性。在双闭环调速系统中速度调节器模糊控制器，如图3所示。

图3 基于模糊PI控制的双闭环直流调速系统的结构图

模糊控制器输入为速度偏差(E)和速度偏差变化率(DE)，输出为控制信号(U)，都用7个语言变量来描述，为(NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB)。E的论域为[-10，10]，DE的论域为[-500，500]，U的论域为[-30，30]。模糊控制规则如表4所示。

表4 模糊控制规则

3 仿真试验分析

为了比较不同控制器的跟随性能和抗负载扰动能力，在不同速度调节器作用下首先使系统空载启动并在0.8 s时突加负载扰动，速度和电枢电流响应仿真结果如图4所示。

图4 空载启动0.8 s加负载的响应

仿真结果表明，空载启动时，模糊控制的响应速度最快，其次是Anti-Windup PI控制速度较快，模糊控制的调节时间是0.37 s，Anti-Windup PI控制的调节时间是0.42 s。模糊自适应PI控制和普通PI的响应比较慢，调节时间分别是0.51 s和0.54 s。普通PI的超调量最大，其次是模糊自适应PI控制，它们的超调量分别是8%和3.2%，模糊自适应PI的超调量尽管稍低于普通PI，但是模糊自适应PI调节过程中振荡次数较多。而模糊控制和Anti-Windup PI控制是在启动时是无超调的,启动时速度放大如图5所示。

图5 启动时的速度响应

系统启动后在0.8 s突加负载扰动，在加载情况下，模糊自适应PI控制尽管有小的振荡，但响应是最快的。其次是Anti-Windup PI和普通PI响应较快。而模糊控制的响应最慢，同时模糊控制在加载时的超调量也是最大，并且在系统稳定时有静差，而其他3种控制因有积分控制，在稳定时是无静差的。加载时的速度放大图如图6所示。

图6 加载时速度响应

直流电机的输出转矩正比于电枢电流，电枢电流直接决定着电机转速的稳定运行。双闭环直流调速系统中，速度调节器的输出是电流调节器的给定输入，速度调节器的输出如图7。由图7可看出电流调节器的给定输入和控制系统的速度输出变化时相对应的。

图7 速度调节器的输出

实际应用中电网电压变化是常见的扰动，为了比较不同控制方法的抗电网电压扰动的效果，在0.8 s电网电压突然增大的扰动，仿真结果如图8所示。

当电网电压突然增大时，模糊控制引起的速度变化最小，仅仅比稳定时速度大了5r/min，并且以比较快的时间(0.1 s)就恢复到稳定的状态。而模糊自适应PI变化最大，变化为10 r/min，普通PI和Anti-Windup PI增大了7 r/min。

图8 电压增大时输出响应

4 结 论

本文主要研究了双闭环直流调速系统速度控制器分别为普通PI、Anti-Windup PI、模糊自适应PI和模糊控制四种控制器的控制特性，通过MATLAB/Simulink仿真研究了4种速度控制器分别在不同情况下的控制性能：

(1) 在空载启动时，模糊控制和Anti-Windup PI控响应快，并且无超调，普通PI比其它控制器响应较慢并且有较大的超调，但是其控制结构简单。

(2) 在突加负载扰动时，模糊自适应PI有较快的响应，但是在调节过程中有振荡。Anti-Windup PI控制对抗负载扰动也比较快而且调节过程比较平稳。因此综合来说Anti-Windup PI控制有较好的抗负载扰动能力。

(3) 对于电网电压扰动，模糊控制有较好的控制效果，而模糊自适应PI控制相比速度变化大，而且经过比较长的时间达到稳定。

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ComparativeStudyonDoubleClosedLoopDCMotorSpeedControlBasedonDifferentControlLaws

ZHANGHai-ming,TUOXing-wa

(Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070,China)

Double closed loop DC speed regulating system has been widely used in the industrial control field. In view of the above phenomenon, the speed regulator's control performance of double closed loop DC speed regulating system was mainly studied. By applying methods of ordinary PI, fuzzy adaptive PI, anti-windup PI and fuzzy control based on the MATLAB/Simulink simulation experiment, characteristics of control performances of DC motor during start-up, anti-load, anti-grid and anti-voltage disturbances based on different control laws were analyzed and compared.

DC motor; fuzzy control; fuzzy adaptive PI control; anti-windup control

2016-05-20

国家自然科学基金项目(61461023)；甘肃省自然科学基金项目(1310RJZA037)

TM33

：A

：1004-7018(2016)11-0070-03

张海明(1963-)，男，高级工程师，主要研究方向为检测及自动化。