煤矿现代化 2009 年第 1 期 总第 88 期 基于 Matlab 的模糊 PID 双闭环直流调速系统的仿真 安徽理工大学 李 恒 韩向锋 摘 要 本文针对开环直流调速系统启动冲击电流大，转速调节速度慢等特点上，建立了双闭环控制 系统，仿真结果显示系统性能指标有了大提高。在此基础上，速度调节器采用模糊控制技术作为外环控制,内 环采用 PI 控制 ,经 MAT- LAB 仿真结果表明,直流调速控制系统的性能指标得到了一定的改善。 关键字 三相整流 双闭环 直流调速 模糊控制 在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定 的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态 性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好，过载 能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制 动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中 各种不同的特殊运行要求在高性能的拖动技术领域中，相当 长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。 开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的 要求,在应用广泛的双闭环直流调速系统中，传统 PID 控制已 经得到了比较成熟的应用。但是受电动机负载等非线性因素 的影响, 传统的控制策略在实际应用中难以保持设计时的性 能。随着模糊控制技术应用的日渐成熟，又由于模糊控制不依 赖于被控对象的精确数学模型, 能够克服非线性因素的影响, 对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性，所以将模糊控制 与传统的 PID 控制结合可以起到很好的效果。模糊控制系统 中，在当对象参数、 1 双闭环控制系统 本系统采用电流、转速两个独立调节器的双闭环控制结 构,转速调节器的输出就是电流调节器给定，因此电流环能够 随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速 时，转速调节器的输出增加，即电流给定上升，并通过电流环 调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机 转速上升，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因 为电磁转矩减小而减速。在当转速调节器饱和输出达到限幅 值时，电流环既以最大电流限制实现电动机的加速，使电动机 的起动时间最短，转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型 如图 1。 图 1 双闭环调速系统 主电路的建模和模型参数设置与开闭环直流调速系统绝 大部分相同，控制电路包括：给定环节、速度调节器 ASR、电流 调节器 ACR、滤波环节、电流反馈环节、速度反馈环节等。给定 环节的参数设置为 120rad/s，电流反馈系数设为 0.33，速度反 66· · 馈系数设为 1.31。 双闭环系统有两个控制器 - - 转速控制器 ASR 和电流控 制器 ACR。这两个调节器均采用 PI 控制。 (a）调节器模型 （b）分支模块 图 2 带饱和和输出限幅的 PI 调节器及分支结构 参数设置分别为：ACR: Kcp=13,Kci=2.5, 上下限幅值为 [130,- 130]ASR: Ksp=5.6,Ksi=2.7, 上下限幅值为[40,- 40]，限幅 器的上下限设置为：[50 ,- 50] ） A a（ 流 电 r） n（ 速 转 180 160 140 120 11 80 60 40 20 0 转速 电流 - 20 0 0.5 1 1.5 2 时间 t（s） 2.5 3 3.5 4 图 3 双闭环仿真结果 仿真结果如图 3 所示。从仿真结果可以看到，启动过程的 第一阶段是电流上升阶段。突加给定电压，ASR 的输入很大， 其输出很快达到限幅值，电流上升也很快，接近其峰值。第二 阶段，ASR 饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电 流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系 统恒加速，转速线性增长。第三阶段，当转速达到给定值后，转 速调节器的给定与反馈电压平恒，输入偏差为 0，但是由于积 分的作用，其输出还是很大，所以出现超调。转速超调之后， ASR 输入端出现负偏差电压，使它推出了饱和状态，进入线性 调节阶段，使速度保持恒定，仿真结果基本上反映了这一点。 2 模糊双闭环控制系统 考虑到外环 - 转速环是决定控制系统的根本因素，而内 环 - 电流环主要起改变被控对象运行特性以利于外环控制作 用，故在直流电机双闭环调速系统中，外环采用模糊控制，内 环仍采用传统的 PI 控制，实现对控制系统的优化。控制系统结 构框图如图 3 下所示： 

煤矿现代化 2009 年第 1 期 总第 88 期 速度 给定 Ke d/dt Kc 模 糊 控 制 器 速度反馈 PI 晶闸管 整流器 直流 电机 电流反馈 图 4 模糊 PI 控制系统结构图 2.1 转速模糊控制器 转速调节器设计为二维模糊控制器,以速度反馈和给定转 速的误差 e 及误差的变化 ec 作为模糊控制器的输入变量,经 模糊控制器进行模糊化后变成模糊量 E 和 E,经过模糊推理和 模糊决策后,得到模糊输出量 U,再经反模糊化处理,得到精确 的输出量 u,并将其作为电流环的给定值,进而通过电流环去控 制被控对象。本系统采用一种带自调整因子 α(亦称加权系数) 的模糊控制器,通过调整 α 的值,可以改变误差 E 和误差变化 EC 对控制输出量 U 的加权程度,从而调整了控制规则。对于一 个二维模糊控制系统而言,在控制过程的初始阶段,系统的误 差往往较大,当控制过程趋向稳定阶段,系统误差已经较小。控 制系统的重要任务是减小超调量,使系统尽快稳定,并且要求 在控制规则中,把误差变化值的加权系数增大。转速模糊控制 器内部模块如图 5 所示: 计算控 制量 模糊量 化处理 模糊控 制规则 模糊推 理（决策） 解模糊 图 5 转速模糊控制器 模糊控制规则可用下面的一个数学解析式来表示: U =<αE +(1- α)EC > α∈[0,1] 在本系统中,对误差及误差变化和控制量的模糊控制集及 其论域定义为{±4,±3,±2,±1,0},根据转速误差模糊量 E 的 当前值,采用不同的 α 值自调整如下: U =INT[0.54E +(1- 0.54)EC] E =±4 U =INT[0.43E +(1- 0.43)EC] E =±3 U =INT[0.36E +(1- 0.36)EC] E =±2 U =INT[0.23E +(1- 0.23)EC] E =±1 U =INT[0.10E +(1- 0.10)EC] E =±0 最后通过解模糊得到转速控制器实际的输出控制量，作 为电流控制器的输入去不断调整触发角。Simlink 仿真中其他 模块参数和双闭环参数一样。系统仿真结果如图 6 所示： ） A a（ 流 电 r） n（ 速 转 180 160 140 120 11 80 60 40 20 0 - 20 转速 电流 0 0.5 1 1.5 2 时间 t（s） 2.5 3 3.5 4 图 6 模糊双闭环直流调速系统仿真结果 仿真结果验证了模糊 PI 双闭环直流调速系统比仅使用 PI 双闭环系统的控制性能有了一定的优化。 3 结论 本文通过对直流调速系统的开环，双闭环以及模糊 PI 控 制器的双闭环系统进行了仿真，验证了不同控制系统对于直 流电机调速的控制作用。开环系统冲击电流大，机械特性差， 双闭环控制系统较开环系统具有明显的硬度，机械特性不易 受干扰。采用带自调整因子的模糊 PI 控制器减小了系统初始 的冲击电流，并且响应速度有了明显的改善，这在工业生产和 电力系统自动控制中具有很高的实用价值。 作者简介 李恒（1984－），男，硕士研究生，研究方向电力电子及电 力传动。 （收稿日期：2008- 11- 12） Simulation of fuzzy PID double closed-loop DC speed regulation system base on Matlab LI Heng Han Xiang- feng Anhui University of Science and Technology, Huainai Abstract: In this paper , aim at open- loop DC speed regulation system the large starting current, slowly speed adjusting and so on char- acters . double closed- loop control system is established, the simulation result indicates that: system performance index had the big enhance- ment .Base on this, the speed regulator uses the fuzzy control technology as outside controller, the inside use PI controller. the MAT- LAB simulation result shows that: DC speed regulation system 's performance index obtained certain optimization Key words: three phase rectifier; double closed- loop; DC speed regulation ;fuzzy control （上接第 68 页） 国为 0.122mm/a，沙漠国家平均为 0.002mm/a。钢结构构件的腐 蚀速度与工作环境关系很大，因为金属材料电化学腐蚀的发 生必须同时具备两个条件，就是要有水与氧气同时存在。如果 钢结构构件能避开水与氧气共存的环境，构件腐蚀的速度就 会大幅度地延缓。在轻钢龙骨住宅中，构件全部使用在维护结 构所封闭的环境中，维护结构由功能材料复合而成，设计在维 护墙两侧的隔水气塑料膜能有效地阻隔外部的潮湿气体浸入 到维护结构内部，从而就延缓了钢构件锈蚀，保证了钢结构与 建筑物有可靠的使用年限。一般来说，恰当地选择镀锌层厚 度，恰当地设计维护结构，就能保证结构的寿命大于住宅的寿 命。在我国北方无酸性气体的干燥地区，选择 MST 封闭的维护 体系，钢结构构件材料的镀锌量只要不低于 150g/m2(双面计)， 就能保证使用寿命。而在高湿度的南方沿海地区，同样维护结 构情况下，镀锌量选择在 275 g/m2 较为合适。对于表面镀锌层 的质量，可以用 180°折弯法进行检验，如果镀锌层开裂或脱 落，即为镀锌不合格，不能用于加工结构构件。 （收稿日期：2008- 9- 11） 67· ·