他励直流电机电枢／励磁独立模糊控制设计研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com他励直流电机电枢／励磁独立模糊控制设计研究★口李志雄1,2口汤双清口方子帆1．武汉理工大学水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心武汉4300632．三峡大学机械与材料学院湖北宜昌443002摘要：鉴于他励直流电机弱磁调速时呈非线性，传统PID难以获得高精度控制，现基于模糊逻辑设计了其电枢／励磁独立控制器。该控制器结合模糊控制自适应能力和PID控制的全局渐近稳定性能于一体，组成复合模糊一PlD控制器，分别控制直流电机的电枢／励磁回路电流，从而实现电机高性能自适应调速控制。数字仿真表明，所设计的模糊控制系统能够使电机速度响应无超调、无稳态误差，性能明显优

2、越于PID控制。关键词：他励直流电机弱磁调速电枢／励磁独立控制模糊控制中图分类号：TP3313文献标识码：A文章编号：1000—4998(2009)08—0042—03直流电动机具有良好的运行性能，他励直流电机他励直流电机由电枢和外部电压源供电的励磁线调速系统在工业生产中得到广泛应用，如：机械加工、圈组成，采用电枢／励磁控制的直流电机动态等效模起重机、卷扬机等机械设备”～21。利用电枢／励磁回路型框图见图1，它可由下面的微分方程表征。的完全独立控制技术，可以十分方便地控制他励直流电机的转速与启动转矩，同时使励磁电流较小，电机效率最大化∞】。由于他励直流电机制造和控制技术均较成熟，所以将其应用

3、到飞轮储能中是十分稳妥得当的。飞轮系▲图1基于电枢／励磁控制的直流电机等效框图统需要较高的电机转速，当直流电机电枢电压达到最大值，其转速已达到额定转速，若还要求提升电机转速电枢电压方程：厶pi=。一R。i一E(1)时，需用弱磁调速来实现。此时电机转矩是磁通和电枢励磁电压方程：厶pif=r—Rrir(2)电流的乘积；反电势是磁通和速度的乘积，因而将电机运动方程：如∞=一孔一Bto(3)励磁电流、电机转速和电机电流均作为状态考虑时，系式中：P为微分算子；u。、u分别为电枢和励磁电压；i。、统将是非线性的【】】。而工业用弱磁控制器多采用传i分别为电枢和励磁电流；R⋯L分别为电枢绕组电阻统PID控制

4、器，当PID参数一经确定则在工作中不能和电感；Rr、厶分别为励磁绕组电阻和电感；∞为电机改变，这使其在处理系统的非线性上明显能力不足。角速度；J是电机的转动惯量；B为粘尼摩擦系数；目前，模糊控制系统已经成功地应用在交直流调为负载转矩；E=C∞为电动机反电势；：C速控制系统中1。作为一种智能控制方法，模糊控制能为电磁转矩；C为电机转矩常数；为励磁磁通量，由较方便地满足非线性控制对象，而且控制性能优越。因玉决定。此，为了克服传统PID控制的固有缺陷，设计了一种新由直流电机数学模型可知，电机转速是由决定的控制器方案。该控制器使用模糊控制作为电枢回路的，而又和i、ir直接相关。因此，通过对电枢和励速

5、度调节器、电流调节器、励磁回路调节器，并结合磁电流的完全独立控制可以方便地实现直流电机的速PID精度高的优点，组成复合模糊控制，以提高控制系度和转矩独立控制。统的总体性能。仿真结果表明，所设计的励磁／速度独2带弱磁调速的模糊控制方案立模糊控制器具有较好的动静态控制性能。在常规带弱磁调速的他励直流电机速度控制中，1他励直流电机的非线性动态模型其电枢和励磁回路控制通常采用传统PID调节器，控制原理如下：★湖北省自然科学基金资助项目(编号：2005ABA294)由式(3)可知：湖北省教育厅自然科学计划资助项目(编号：2003A001)C4,i=jpo．,+n+Bm(4)收稿日期：2009年2月20

6、09／8机械制造47卷第540期学兔兔www.xuetutu.com那么速度环经过PI调制后可得到：模糊控制器的输入变量为系统实际输出值与参考r值间的偏差e和偏差变化率ec，输出模糊量为u，它们=k(一)+kf(∞一∞)(5)J的论域分别为【一1，1】、【一1，1】和[0，10】；取7个语言式中：为电枢电流参考值；∞为速度给定值。式(4)变量值：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB)；隶属度函数见图中的系数项和常数项均包含在比例和积分系数中，调4，图4(a)中e和ec选用相同的隶属度函数，图4(b)中节好比例~52,-系数k、k可以使式(4)和(5)等效。曲线峰尖按从左到右顺序分别为{N

7、B，NM，NS，Z，PS，同理，可以得到PI控制后的电枢和励磁电压：PM，PBl；控制规则(见表1)采用Mandani规则，即：ife，il,=kl(一．)+k-I(一ia)(6)isAandecisB，thenuisC；模糊输出量M的反模糊化J，采用重心法。／／,f=k2(it一玉)"4-k2iJ(一玉)(7)J表1模糊控制规则表式中：为励磁电流参考值；k-和k：为PI控制器比例系数；k-、k：为积分系数。