畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-交流伺服電機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc_第1頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-交流伺服電機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc_第2頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-交流伺服電機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc_第3頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-交流伺服電機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc_第4頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-交流伺服電機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc_第5頁(yè)
已閱讀5頁(yè),還剩48頁(yè)未讀 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1 緒 論1.1 電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r交流伺服系統(tǒng)根據(jù)使用伺服電機(jī)的種類不同可分為兩種1:一種是由永磁同步伺服電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng),包括方波永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng);另一種是由感應(yīng)式異步電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代中葉,人們首次研制成功了磁能密度很高的燒結(jié)型SmCo5稀土永磁材料。由于戰(zhàn)略物資鈷(Co)的價(jià)格昂貴,釤(Sm)儲(chǔ)量稀少,人們又繼續(xù)嘗試開(kāi)發(fā)磁性能更優(yōu)且價(jià)格低廉的稀土永磁材料。1983年,日本研制成功了具有這些優(yōu)點(diǎn)的釹鐵硼(NdFeB)永磁體,它的加工性能好,能量密度更高,應(yīng)用于電機(jī)可大幅度減小電機(jī)的體積和重量,并提高電機(jī)的效率。1984年,我國(guó)成為世界上第三個(gè)能獨(dú)立生產(chǎn)釹鐵硼材料的國(guó)家。稀土永磁材料的出現(xiàn)給電機(jī)工業(yè)帶來(lái)了歷史性的變革。控制相對(duì)簡(jiǎn)單、功率密度較高等優(yōu)點(diǎn)使得永磁同步電機(jī)逐漸成為交流伺服系統(tǒng)的主流,尤其是在高精度、高動(dòng)態(tài)性能要求的中小功率伺服領(lǐng)域。而交流異步伺服系統(tǒng)仍主要集中在對(duì)伺服性能要求不高的大功率伺服領(lǐng)域。目前,交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越多地采用數(shù)字控制方式,利用一些專用的可編程微處理器芯片(如數(shù)字信號(hào)處理器等)來(lái)實(shí)現(xiàn)其核心控制算法。數(shù)字控制的永磁同步伺服電機(jī)系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn):(1)體積小、重量輕、效率高。(2)數(shù)字電路溫度漂移小,分散性參數(shù)的影響較小,穩(wěn)定性好。(3)集成電路芯片可靠性大大優(yōu)于分立元件,且屏蔽性能好。(4)信息雙向傳遞能力大大增強(qiáng),容易和上位機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行,可隨時(shí)改變控制參數(shù)。(5)提高了信息存儲(chǔ)、監(jiān)控、診斷以及分級(jí)模塊化控制的能力,有利于實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異但算法復(fù)雜的控制策略。伺服系統(tǒng)的性能與其中的伺服電機(jī)的類型緊密關(guān)聯(lián),目前常見(jiàn)的伺服電機(jī)主要包括步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,從而達(dá)到定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以直接接收數(shù)字量,步進(jìn)角一般為0.3690。步進(jìn)電機(jī)控制方法簡(jiǎn)單,一般采用開(kāi)環(huán)控制就能實(shí)現(xiàn)精度比較高的位置控制,且不存在位置誤差積累。直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能,伺服系統(tǒng)的位置控制由閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。永磁式直流電動(dòng)機(jī)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位,其控制電路簡(jiǎn)單,無(wú)勵(lì)磁損耗,低速性能好。但直流伺服電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,維護(hù)工作量大,成為其發(fā)展的瓶頸。20世紀(jì)80年代開(kāi)始,隨著伺服電機(jī)在材料、結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)方面的突破性進(jìn)展,交流伺服電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,并呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展,交流伺服系統(tǒng)的控制方式向微機(jī)控制方向發(fā)展,由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服,模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。1.2 智能控制在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的日趨復(fù)雜化,系統(tǒng)不可避免的存在非線性。如大型交流電機(jī)系統(tǒng)、紡織過(guò)程等,盡管在很多情況下,當(dāng)我們考慮系統(tǒng)的某些現(xiàn)象時(shí),可以用系統(tǒng)的線性模型來(lái)代替系統(tǒng)的非線性模型,然后,對(duì)線性模型實(shí)施開(kāi)展。但更多情況下,不可能用系統(tǒng)的簡(jiǎn)單線性模型作為該真是系統(tǒng)的替身。在工程技術(shù)、自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等眾多情況下,人們必須建立真實(shí)系統(tǒng)的非線性模型以代替簡(jiǎn)單容易處理的線性模型。非線性系統(tǒng)中可能發(fā)生的現(xiàn)象是十分復(fù)雜的、十分豐富的。嚴(yán)格地說(shuō),對(duì)非線性系統(tǒng),目前雖然已經(jīng)經(jīng)歷了百年的研究,認(rèn)識(shí)任不充分的。例如,近二十年來(lái)人們才認(rèn)識(shí)到,混扥現(xiàn)象是非線性系統(tǒng)中發(fā)生的一種現(xiàn)象。從研究方法上看,線性系統(tǒng)的解是可以求出來(lái)的。因此,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段歷史時(shí)期里,不求解非線性系統(tǒng)而直接依據(jù)非線性系統(tǒng)來(lái)探討系統(tǒng)的定性性質(zhì),成為研究非線性系統(tǒng)的只要內(nèi)容之一。與此同時(shí),只適用于低階系統(tǒng)的相平面法、描述函數(shù)法等近似方法,也得到了完善和發(fā)展。但這些方法能解決的問(wèn)題是很有限的。非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題一直是控制理論和控制工程時(shí)間中的難題,由于系統(tǒng)存在非線性,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)困難的多,特別對(duì)象機(jī)器人這類存在嚴(yán)重非線性的系統(tǒng),非線性的存在常常是系統(tǒng)震蕩。在工業(yè)控制系統(tǒng)中常規(guī)的PID控制雖然能解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的大多數(shù)問(wèn)題,但當(dāng)被控對(duì)象是非線性時(shí),常規(guī)的PID空盒子就很難取得滿意的控制效果,而且調(diào)制器參數(shù)的整定也是棘手的事。對(duì)于此類系統(tǒng),采用更高級(jí)古城控制算法,來(lái)達(dá)到預(yù)期的控制效果。因此,研究非線性系統(tǒng)的建模與控制具有重要的理論意義和實(shí)際意義。由于現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)的發(fā)展,工業(yè)過(guò)程控制算法的設(shè)計(jì)不再像傳統(tǒng)的PID算法那樣收到硬件的限制,各種新型的控制算法如:自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、變結(jié)構(gòu)控制等都為非線性系統(tǒng)的控制提供了方法。近些年來(lái),為了滿足生產(chǎn)過(guò)程日益嚴(yán)格的要求,許多學(xué)者將智能方法融入電力系統(tǒng)、大型交流電機(jī),發(fā)電機(jī)等這類非線性系統(tǒng)的控制中,把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制與一些新型控制算法相結(jié)合,形成智能化控制系統(tǒng)。1.3 本設(shè)計(jì)的主要研究工作本設(shè)計(jì)主要由五大部分組成:1緒論:闡述了智能電機(jī)測(cè)試與控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r以及研究智能測(cè)試與控制系統(tǒng)的顯示意義。2智能電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):研究了一種智能電機(jī)測(cè)試系統(tǒng),給出了該系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。3模糊PID控制器在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用:介紹了模糊控制器的原理,以及Fuzzy-PID控制器的計(jì)算分析,對(duì)模糊PID控制器在智能電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真。4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用:闡述了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用,介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器,并對(duì)這種控制器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了仿真分析。5智能電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):介紹了一種基于工控機(jī)、變頻器的電機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)該系統(tǒng)提出了完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并介紹了變頻器和可編程控制器在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。2 智能電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架2.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于對(duì)實(shí)際智能電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)項(xiàng)目的需求分析,我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2.1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖大致分為三部分2:服務(wù)器部分;客戶部分;執(zhí)行部分,其中服務(wù)器部分由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸出部分以及繪圖、計(jì)算機(jī)部分組成。客戶部分由主程序部分組成,是面向操作者的主界面,由他控制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行;硬件電路驅(qū)動(dòng)部分和通信部分是執(zhí)行部分,負(fù)責(zé)響應(yīng)由操作者發(fā)出的控制命令,通過(guò)通信對(duì)硬件電路執(zhí)行邏輯判斷和控制。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.1.2 系統(tǒng)功能的分布 服務(wù)器服務(wù)器部分的功能如圖2.1所示,它是實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存取、分析和計(jì)算的部分。這是系統(tǒng)的核心部分,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能,合理的安排數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu),有利于高效率的執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取,更方便電機(jī)性能的分析和計(jì)算。 客戶主程序部分由于是面向操作者的用戶界面,它是實(shí)現(xiàn)最終用戶控制的接口。操作者在這里用輸入設(shè)備(鼠標(biāo)和鍵盤(pán))對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。由于系統(tǒng)需要控制的節(jié)點(diǎn)比較多,而且節(jié)點(diǎn)之間具有邏輯互鎖功能,所以用戶界面應(yīng)該給用戶一定的提示信息,保證操作者不會(huì)或盡可能少的誤操作,這是客戶界面的主要功能。 執(zhí)行 系統(tǒng)的執(zhí)行部分主要是響應(yīng)操作者的命令,實(shí)現(xiàn)命令的邏輯判斷、互鎖功能的。2.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià) 將服務(wù)層、客戶層與執(zhí)行層分開(kāi)是一種分層式結(jié)構(gòu)。這種分層式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在圖2.1看來(lái)是區(qū)分明顯的層次,但是在系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中系統(tǒng)的各個(gè)部分是有機(jī)的結(jié)合在一起,互相滲透,互相影響,互相補(bǔ)充的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。如圖2.2所示:服務(wù)層執(zhí)行層客戶層圖2.2 系統(tǒng)各層聯(lián)系2.2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件圖2.3分為前向通道和后向通道兩個(gè)部分組成。前向通道即系統(tǒng)的控制通道,后向通道即系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道。2.2.1 前向通道的一次線路組成前向通道的一次線路由如下圖2.3所示由22個(gè)配電屏組成:1DB:低壓源進(jìn)線配電屏 1JCP:型式試驗(yàn)配電屏12DB:調(diào)壓器1原邊配電屏 2JCP:型式試驗(yàn)配電屏23DB:調(diào)壓器2原邊配電屏 3JCP:型式試驗(yàn)配電屏34DB:調(diào)壓器3原邊配電屏 4 JCP:陪試電機(jī)配電屏6DB:調(diào)壓器5原邊配電屏 5 JCP:出廠試驗(yàn)配電屏17DB:直流電機(jī)控制屏 6 JCP:出廠試驗(yàn)配電屏28DB:整流子電機(jī)控制屏 7JCP:出廠試驗(yàn)配電屏31DG:調(diào)壓器1副邊配電屏 8 JCP:出廠試驗(yàn)配電屏42DG:調(diào)壓器2副邊配電屏 9 JCP:轉(zhuǎn)子電路配電屏3DG:調(diào)壓器3副邊配電屏 10 JCP:電阻屏4DG:調(diào)壓器5副邊配電屏 GDA:硅整流圖2.3 配電屏組成圖圖2.3 配電屏組2.2.2前向通道二次線路 前向通道二次線路由XSZ1-1型試驗(yàn)桌、XSZ1-2型試驗(yàn)桌、ZSZ出廠試驗(yàn)桌組成。前向通道的試驗(yàn)桌與工控機(jī)并聯(lián)構(gòu)成了手動(dòng)測(cè)試于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制方式,兩種方式之間采用隔離互鎖裝置,相互不產(chǎn)生影響。工控機(jī)可以實(shí)時(shí)測(cè)量手動(dòng)裝置的狀態(tài),進(jìn)行保護(hù)。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作的控制見(jiàn)圖2.4(詳圖于附錄A),是通過(guò)模擬量輸出板卡控制的。系統(tǒng)采用的板卡有如下幾種:研華PCL711B、研華PCLD-885。PCL711B是ISA總線多功能卡它具有8通道模擬量和數(shù)字量I/O,12為A/D分辨率,每秒25K采樣速率,8路單端模擬量信號(hào)輸入,可編程設(shè)定輸入范圍,可選定時(shí)觸發(fā)或軟件觸發(fā),1路12位模擬量輸出(D/A),16路數(shù)字量輸入/輸出3。 PCL711BD/D通道PCL885D/A通道發(fā)出控制命令控制繼電器動(dòng)作圖2.5 工控機(jī)前向控制通道一個(gè)PCL885板卡又16個(gè)D/A繼電器輸出通,系統(tǒng)總共用了3個(gè)885板卡,38個(gè)通道來(lái)控制輸出。其中每個(gè)通道的定義見(jiàn)附錄圖A。2.2.3后向通道系統(tǒng)后向通道如圖2.6所示,為PCL711BA/D輸入通道和PCL880輸入端子板組成。它的主要功能是將系統(tǒng)的模擬量和信號(hào)量通過(guò)端子板輸入到PCL711B的模/數(shù)輸入端,由工控機(jī)實(shí)時(shí)采集。PCL711B A/DS輸入通道PCL880端子工控機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖2.6 后向通道數(shù)據(jù)采集示意圖 系統(tǒng)中的模擬量和信號(hào)包括:電機(jī)定子電壓、各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)等。通過(guò)互感線圈或直接連接到PCL880端子板口,通過(guò)PCL711BA/D模-數(shù)轉(zhuǎn)換通道,由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集進(jìn)入。系統(tǒng)的模擬量輸入信號(hào)詳細(xì)資料如下圖2.7所示: 塊板:通道端口號(hào)功能備注1A1,A2頻率2A3,A4定子電壓快速采集3A5,A6轉(zhuǎn)子三相電壓4A7,A8轉(zhuǎn)子三相電壓5A9,A10轉(zhuǎn)子三相電壓6A11,A12溫度回路7A13,A14溫度回路8A15,A16溫度回路表2.7 系統(tǒng)模擬量輸入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)表2.2.4 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的扭矩儀、功率儀、三相電阻儀和變頻器是分立器件,它需要和工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,以便接受控制命令和上傳測(cè)量的數(shù)據(jù)。而且這些器件需要同時(shí)工作來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。由于前三個(gè)儀器是采用的RS-232C通信協(xié)議,變頻器采用的是485通信協(xié)議,所以必須為系統(tǒng)增加通信接口。其系統(tǒng)通信布局如下圖2.8所示:圖2.8 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖PLC746是一種四端口串行通信接口板卡。每個(gè)端口可以通過(guò)跳線單獨(dú)設(shè)置為RS232、RS422或RS485。PLC746支持兩種操作模式:標(biāo)準(zhǔn)模式和增強(qiáng)模式。標(biāo)準(zhǔn)模式中每一個(gè)端口可以分別設(shè)置不同的地址和中斷。增強(qiáng)模式中四個(gè)端口可以共享同一個(gè)中斷,通過(guò)板載中斷寄存器來(lái)判斷端口號(hào)。2.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)2.3.1 客戶端編程語(yǔ)言的選擇根據(jù)用戶的需求,本系統(tǒng)采用的客戶端軟件的實(shí)現(xiàn)是采用Windows用戶界面友好且編程方便的Visual Basic實(shí)現(xiàn)的4。用Visual Basic實(shí)現(xiàn)客戶程序的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:它與數(shù)據(jù)庫(kù)的健全聯(lián)結(jié)。它的自然數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境是Microsoft Jet數(shù)據(jù)庫(kù)引擎,眾所周知,Jet數(shù)據(jù)庫(kù)是Access數(shù)據(jù)庫(kù),而Microsoft Access也使用Jet數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)總體框架圖(見(jiàn)附錄A 圖 2.10)PF9830型串行通信接收用戶發(fā)來(lái)的通信請(qǐng)求信號(hào)請(qǐng)求是否為1EH發(fā)出應(yīng)答信號(hào)0EH發(fā)一字節(jié)線制:1為12w,2為33w,3為34w,8為3V3A發(fā)出U,U3,U2,U1電壓真有效值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出I,I3,I2,I1電流真有效值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出P,P3,P2,P1有功功率測(cè)量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出PF,PF3,PF2,PF1功率因素測(cè)量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出VA,VA3,VA2,VA1視在功率測(cè)量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出var,var3,var2,var1無(wú)功功率測(cè)量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出deg,deg3,deg2,deg1相位角測(cè)量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出頻率HZ測(cè)量值浮點(diǎn)數(shù)返回YESNO圖2.9 通信流程圖2.3.2 系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)部分程序分析關(guān)于系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)程序部分,由于VB對(duì)于系統(tǒng)硬件部分的直接控制比較困難,所以我們采用了將驅(qū)動(dòng)代碼用C+語(yǔ)言編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理的電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中,我們既要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)控制,又要采用友好的用戶界面來(lái)管理采集的數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的測(cè)試計(jì)算。為了滿足這兩點(diǎn)要求,我們采用了用VB的強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)功能,為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理提供了良好的保障;而對(duì)于采集板卡的驅(qū)動(dòng)控制,我們采用對(duì)硬件控制比較強(qiáng)的Visual C+來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣整個(gè)系統(tǒng)就是用VB,C+混合編程實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)用VB和VC+混合編程時(shí),應(yīng)注意的幾點(diǎn):用VC+編寫(xiě)的DLL程序應(yīng)該注意它的輸出函數(shù)的定義,下面是一種數(shù)據(jù)采集卡的硬件初始化程序:/mywin32dll.h/#ifdef_cpluspusexternc#endif_declspec(dllexport)void do_write(int argc, char*argv);_declspec(dllexport)void di_read(void);#ifdef_cplusplus#endif由于以上兩個(gè)數(shù)據(jù)讀和寫(xiě)的函數(shù)必須用來(lái)在VB中調(diào)用,所以我們必須用externc來(lái)修飾,這樣可以不讓C+編譯器改變它的名字,而且在頭文件中用_declspec(dllexport)定義為輸出函數(shù),這樣,當(dāng)編譯器看到這個(gè)函數(shù)時(shí)就知道此函數(shù)是從DLL模塊輸出的。/mywin32dll,cpp_declspec(dllexport)void_stdcall do_write() int base=0x300; int indx; char do_value16; for(indx=0;indx16;indx+)do_valueindx=0; unsigncd int do_byte5; int bitcnt; int byteno; int bitno; for(indx=0;indx16;indx+) bitcnt=1; byteno=indx/8; bitno=indx%8; bitcnt=bitno; if(do_valueindx=0) bitcnt=bitcnt; do_bytebyteno&=bitcnt; else do_bytebyteno|=bitcnt; _outp(base+13,do_byte0); _outp(base+14,do_byte1); _declspec(dllexport)bool_stdcall do_read(char*lpData) char di_value16; int base=0x300; int indx; unsigned int di_byte5; int bitcnt; int byteno; di_byte0=inp(base+6); di_byte1=inp(base+7); for(indx=0;indx16;indx+) byteno=indx/8; bitno=indx%8; bitct=1; bitcnt=bitno; if(di_bytebyteno&bitcnt=0)di_valueindx=0; else di_valueindx=1; lpData=di_value; /將di_value的首地址傳給lpData指針 / 在源文件中我們看到這些函數(shù)只是對(duì)I/O地址的讀寫(xiě),并沒(méi)有用到任何MFC類,所以我們寫(xiě)這樣的DLL程序的時(shí)候建立的是Win32 Dynamic-Link Library 項(xiàng)目。 本章小節(jié) 本章主要介紹了一種智能電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)組成,并分別從硬件結(jié)構(gòu)到軟件機(jī)構(gòu)進(jìn)行了描述,提出了一種切實(shí)可行的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。但是系統(tǒng)中仍有許多不足之處,有待進(jìn)一步的研究與實(shí)踐。3 模糊PID控制器在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1 模糊PID控制的概述 目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí),控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論5和智能控制理論三個(gè)階段。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu),加到被控系統(tǒng)上;控制系統(tǒng)的被控量,經(jīng)過(guò)傳感器,變送器,通過(guò)輸入接口送到控制器。 (1)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) :開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng) :閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 (3)階躍響應(yīng) :階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入(step function)加到系統(tǒng)上時(shí),系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差。 (4)PID控制的原理和特點(diǎn): 在工程實(shí)際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定,這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制,實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 1)比例(P)控制: 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-state error)。 2)積分(I)控制:在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 3)微分(D)控制:在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(delay)組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 (5)PID控制器的參數(shù)整定: PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類:一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方法簡(jiǎn)單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn),然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下: a)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作; b)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期;c)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。3.2 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.2.1在線實(shí)時(shí)模糊自整定PID控制 PID控制器6因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)而成為工業(yè)過(guò)程中最常用的控制器。但是常規(guī)PID控制器不具有在線調(diào)整參數(shù)KP、KI、KD的功能,參數(shù)的選取有一定的難度,不能滿足系統(tǒng)在不同偏差E及偏差變化率EC時(shí)對(duì)PID參數(shù)自調(diào)整的要求。模糊PID控制結(jié)合了模糊控制和PID控制二者的優(yōu)點(diǎn),但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差。 模糊自整定PID參數(shù)控制就是在一般的PI控制基礎(chǔ)上,采用模糊推理思想,加上一個(gè)模糊推理環(huán)節(jié)。模糊自整定PID參數(shù)控制器設(shè)計(jì):PID控制的應(yīng)用范圍非常廣泛,對(duì)于不同控制對(duì)象,控制器性能要求往往差異很大。模糊自整定PID參數(shù)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。模糊推理PID控制對(duì)象參數(shù)修正R Y圖3-1模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響程度,主要考慮在不同的|E|和|EC|時(shí),被控過(guò)程對(duì)參數(shù)KP、KI、KD的自整定要求來(lái)選取參數(shù)量:(1) 在|E|較大時(shí),即系統(tǒng)相應(yīng)處于圖3-2中的曲線的第階段,為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度把KP選得大些,KD選得小些,為防止超調(diào)取KI= 0。(2) 當(dāng)|E|和|EC|為中等大小時(shí),即位于圖3-2中的第階段,取較小的KI值,同時(shí)KD和KP不能取得太大,以保持系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(3) 當(dāng)|E|較小時(shí),即處在第階段時(shí),適當(dāng)增大KP和KI值,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,然后根據(jù)|EC|大小適當(dāng)選取KD。()()()yt0圖3-2輸出響應(yīng)曲線根據(jù)以上參數(shù)整定規(guī)則,采用模糊邏輯推理的方法設(shè)計(jì)15模糊自整定PID參數(shù)控制器。首先,確定控制器的輸入、輸出語(yǔ)言變量,其輸入語(yǔ)言變量為|E|和|EC|,輸出語(yǔ)言變量為KP、KI、KD。其次,確定各語(yǔ)言變量的論域,在其論域上定義模糊量,即大(B)、中(M)、小(S)、零(Z)。偏差隸屬函數(shù)曲線見(jiàn)圖3-3,PID參數(shù)KP、KI、KD的隸屬函數(shù)曲線見(jiàn)圖3-4。然后,確定KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則,最后進(jìn)行模糊推理和模糊運(yùn)算。10123ZSMB圖3-3偏差|E|、|E|的隸屬函數(shù)10123ZSMB圖3-4PID參數(shù)KP、KI、KD的隸屬函數(shù)3.2.2 Fuzzy PID控制的系統(tǒng)仿真PID控制是經(jīng)典控制中用于過(guò)程控制最有效的策略之一, PID控制中的中積分作用可以減少穩(wěn)態(tài)誤差,微分作用可以提高響應(yīng)速度。但另一方面積分作用容易導(dǎo)致積分飽和,使系統(tǒng)超調(diào)量增大,微分作用對(duì)高頻干擾特別敏感,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。PID控制本質(zhì)上屬于線性控制,因此對(duì)于具有很強(qiáng)非線性的對(duì)象來(lái)說(shuō),控制效果具有先天的不足。對(duì)于這種情況,就應(yīng)該采用具有非線性特性的控制方法,以適應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)。 (1)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器的原理框圖如圖3.5所示:de/dt模糊推理PID調(diào)節(jié)器ine+ecKpKIKDoutstop受控對(duì)象圖3.5 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)從圖3.5可以看出,模糊推理過(guò)程為雙輸入三輸出系統(tǒng)。兩個(gè)輸入分別為系統(tǒng)誤差E以及誤差的變化率EC,而輸出則為PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)控制參數(shù)Kp、KI和KD。為了正確的控制輸出量,在本文中為Kp、KI和KD,根據(jù)這三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響情況,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程的掌握,采用理論分析加實(shí)驗(yàn)“試湊”得到模糊PID控制規(guī)則:在偏差較大時(shí),為盡快消除偏差,提高響應(yīng)速度,KP取大值,KI取零;在偏差較小時(shí),為繼續(xù)消除偏差,并防止超調(diào)過(guò)大,產(chǎn)生振蕩,KP值要減小,KI取小值;在偏差很小時(shí),為消除靜差,克服大超調(diào),使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定,K P值繼續(xù)減小,KI值不變或稍取大一點(diǎn)。最后經(jīng)精確化計(jì)算得到精確的控制值去控制被控制對(duì)象。描述輸入變量E和EC以及輸出變量Kp、KI和KD的語(yǔ)言集的模糊子集及其論域定義如下:E、E C和K P的模糊子集為:N B(負(fù)大),N M(負(fù)中),N S(負(fù)小),Z O(零),P S(正小),P M(正中),P B(正大);KI和KD只取正值,其模糊子集為:Z O,P S,P M,P B;(2)仿真試驗(yàn)采用階越輸入作為激勵(lì)和最終輸出的目標(biāo)值,通過(guò)PID控制器和模糊-PID控制器對(duì)相同輸入的響應(yīng)特性曲線來(lái)進(jìn)行二者之間的比較。通過(guò)運(yùn)行在Matlab中建立的模型,可以得到如圖3.6的響應(yīng)特性曲線。圖3.6 PID響應(yīng)曲線圖3.7 模糊PID響應(yīng)曲線圖3.6為PID控制對(duì)階越輸入的響應(yīng)特性曲線,圖3.7為模糊-PID控制對(duì)節(jié)約輸入的響應(yīng)特性曲線。從圖中可以看出,相對(duì)于PID控制來(lái)說(shuō),模糊-PID控制有著更快的反應(yīng)速度,并且沒(méi)有超調(diào)。這表明對(duì)于電液比例控制系統(tǒng),采用模糊-PID控制7可以取得更好的性能,基本實(shí)現(xiàn)對(duì)電液比例控制系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確控制。1)PID控制對(duì)階越輸入的響應(yīng)特性曲線;2)模糊-PID控制對(duì)節(jié)約輸入的響應(yīng)特性曲線。模糊-PID控制相對(duì)于數(shù)字PID控制有以下的優(yōu)點(diǎn):a)KP、KI和KD三個(gè)參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)偏差E和偏差的變化率EC動(dòng)態(tài)變化,更符合控制當(dāng)中的規(guī)律和特性;b)控制精度高,反應(yīng)時(shí)間短,說(shuō)明模糊-PID的控制指標(biāo)優(yōu)于數(shù)字PID。3.2.3基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器根據(jù)載荷或截割電機(jī)電流的變化情況,常靠司機(jī)通過(guò)搬動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)手動(dòng)節(jié)流調(diào)速。這必然存在盲目、隨意性,而截割電機(jī)的超載和欠載會(huì)在較大范圍內(nèi)波動(dòng),不利于提高工作效率和可靠性。 (1)掘進(jìn)機(jī)恒功率控制通常是指當(dāng)掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí),如果掘進(jìn)機(jī)上的電動(dòng)機(jī)功率超過(guò)其額定功率時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)的速度控制,使電機(jī)負(fù)載減小,將電動(dòng)機(jī)的功率維持在額定功率以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)電機(jī)的控制系統(tǒng)如圖3.8所示。控制器數(shù)字液壓缸變頻裝置牽引速度截割電機(jī)截割頭負(fù)載傳感器電流反饋u0u1截割阻力力截割功率基準(zhǔn)圖3.8 掘進(jìn)機(jī)電機(jī)恒功率控制系統(tǒng)(2)參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì):1)控制器的結(jié)構(gòu)組成:模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差e(k)和誤差變化率ec(k)作為輸入,采用模糊推理方法對(duì)PID參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線整定,滿足不同時(shí)刻的e(k)和ec(k)對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。其結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。PID調(diào)節(jié)器數(shù)字液壓缸截割電機(jī)電流檢測(cè)de/dt模糊化模糊推理ECeceR圖3.9 模糊PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2)PID控制參數(shù)自整定原則:通常,PID控制器的控制算式為:針對(duì)不同的e和ec人們總結(jié)了一套kp、ki、kd的整定原則:a)當(dāng)|e|較大時(shí),為使系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能,應(yīng)取較大的kp與較小的kd,同時(shí),為避免系統(tǒng)相應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對(duì)積分作用加以限制,通常取ki=0;b)當(dāng)|e|和|ec|中等大小時(shí),為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào),kp應(yīng)取得小些。在這種情況下,kd的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大,應(yīng)取得小一些,ki的取值要適當(dāng);c)當(dāng)|e|較小時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能,kp與ki均應(yīng)取得大些,同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值出現(xiàn)振蕩,并考慮系統(tǒng)抗干擾性能,當(dāng)|ec|較大時(shí),kd應(yīng)取得小些,反之亦然。 (3) 系統(tǒng)構(gòu)成及主要硬件設(shè)計(jì): 恒功率調(diào)速系統(tǒng)(見(jiàn)圖3.13)從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行部分。控制部分由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、通信接口、鍵盤(pán)與顯示電路、光電耦合、電流檢測(cè)和報(bào)警電路組成,執(zhí)行部分為數(shù)字液壓缸。通信接口時(shí)鐘電路8255參數(shù)顯示鍵盤(pán)設(shè)定單片機(jī)液壓缸驅(qū)動(dòng)器數(shù)字液壓缸光電媒介逆變器截割電機(jī)采樣保持保護(hù)報(bào)警信號(hào)電源原液器電流檢測(cè)圖3.13 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3 模糊PID控制器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)11的控制器設(shè)計(jì)方法中,目前大多采用PID或PI控制技術(shù)。PID或PI控制器的設(shè)計(jì)需要已知被控對(duì)象的精確模型,而且直流電機(jī)的非線性和結(jié)構(gòu)參數(shù)易變化等特點(diǎn)使PID或PI參數(shù)整定比較麻煩。3.3.1直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊控制以模糊集合論作為其數(shù)學(xué)基礎(chǔ),通過(guò)模糊邏輯和近似推理方法讓計(jì)算機(jī)把操作人員在實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)形式化、模糊化,并根據(jù)所得的語(yǔ)言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理,給出模糊決策,將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量,作為送到被控對(duì)象(或過(guò)程)的控制量。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.14所示。模糊控制器PID控制器電流調(diào)節(jié)器整流裝置直流電機(jī)nue圖3.14 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.3.2直流調(diào)速系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)(1)直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì):電流環(huán)設(shè)計(jì)中仍采用工程整定方法,電流環(huán)的主要性能是跟隨型,故電流環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成I型系統(tǒng),即把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI控制器。其傳遞函數(shù)為: (式 3.1)式中:Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù),i為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。(2)直流調(diào)速系統(tǒng)8轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì):1) 模糊控制器設(shè)計(jì): 模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的智能控制,模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心,一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣,主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法、以及模糊決策的方法等因素。模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.15所示。輸入數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)推理機(jī)模糊化接口解模糊接口知識(shí)庫(kù)輸出圖3.15 模糊控制器的結(jié)構(gòu)在模糊控制偏差E和控制量U均取為負(fù)大(NB),負(fù)中(NM),負(fù)小(NS),零(ZE),正小(PS),正中(PM),正大(PB)。為了使響應(yīng)快速,偏差變化EC取負(fù)(N),零(2E),正(P)。偏差E和控制量U的模糊論域均為-10,10,偏差變量域EC為-1,1。E和U的隸屬度函數(shù)為梯形和三角形函數(shù),如圖3.14所示。E圖3.16 E和U的隸屬度函數(shù)據(jù)直流電機(jī)起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的特點(diǎn)來(lái)確定模糊規(guī)則。nABCDEt圖3.17 控制規(guī)律設(shè)轉(zhuǎn)速的變化如圖3.17所示,在A區(qū),轉(zhuǎn)速上升階段,偏差E及偏差變量EC為e=n-Nn0。被控量正向小于給定量,誤差由大變小。控制量則根據(jù)誤差變化量的范圍采用正大至正小;在B區(qū),轉(zhuǎn)速超調(diào)階段,偏差E及偏差變量EC的大小為e=n-Nn0,ec=e2-e10,ec=e2-e10。此時(shí)控制量U應(yīng)該根據(jù)偏差變量EC取負(fù)大到負(fù)小,當(dāng)轉(zhuǎn)速趨近給定值時(shí),控制量U取正小值;同理可分析D區(qū)和E區(qū),可得控制規(guī)則,如表3.18所示。表3.18 控制規(guī)則表模糊推理采用Mamdanis規(guī)則,采用重心法進(jìn)行解模糊。3.4 模糊PID控制器的性能分析穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo),也是系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件。因此,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性并給出保證系統(tǒng)穩(wěn)定的措施,是設(shè)計(jì)一個(gè)良好控制系統(tǒng)的首要前提。與經(jīng)典控制理論相比,模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論還不夠完善,而且模糊控制系統(tǒng)的表現(xiàn)形式也各不相同,同樣為理論分析增加了研究的難度。本文將針對(duì)機(jī)載光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題做初步探討。 (1)模糊控制穩(wěn)定性分析方法比較模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法可以分為兩大類,一類是早期的沿用經(jīng)典控制理論的穩(wěn)定性分析方法,如李亞普諾夫方法、相平面法、描述函數(shù)法等;另一類是利用模糊集理論來(lái)分析模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性,如關(guān)系矩陣法、胞映射法。而根據(jù)定義,凡采用模糊控制器的系統(tǒng)稱為模糊控制系統(tǒng)。在模糊控制系統(tǒng)中,控制對(duì)象也用模糊模型表示,則稱系統(tǒng)為純粹的模糊系統(tǒng)。對(duì)于混合模糊控制系統(tǒng),提供了兩種方法。其一,將混合模糊控制系統(tǒng)的控制對(duì)象變?yōu)槟:P捅硎荆瑥亩鴨?wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)純粹模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,可采用介紹的方法。其二,將控制器的模型變?yōu)榇_定性的模型,從而混合模糊控制系統(tǒng)變?yōu)槌R?guī)的控制系統(tǒng),進(jìn)而采用常規(guī)的方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 (2)利用描述函數(shù)法分析模糊PID控制器的穩(wěn)定模糊控制器經(jīng)離線計(jì)算得到一張可在線查詢的控制表后,它可等效為一個(gè)多級(jí)繼電特性的非線性控制系統(tǒng)。若能求出該非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù),而且控制對(duì)象又是線性的,那么通過(guò)繪制系統(tǒng)的奈魁斯特曲線就可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本章小結(jié) 本章將模糊控制理論引入傳統(tǒng)PID控制器中,利用模糊控制不依賴對(duì)象精確模型,能夠克服系統(tǒng)非線性、時(shí)變性的特性、加強(qiáng)了傳統(tǒng)PID控制器的功能。同時(shí)本章也給出了模糊控制器中本身的一些缺點(diǎn),有待進(jìn)一步研究探討。4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制 (1)PID控制在一個(gè)典型控制系統(tǒng)中,對(duì)于任何一個(gè)時(shí)間控制系統(tǒng)而言,其控制對(duì)象和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是固定的。為了滿足閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的性能要求,只有通設(shè)計(jì)控制器D(z)來(lái)實(shí)現(xiàn)(如圖4-1)。 (2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖4-3。其中:X1、X2Xn為網(wǎng)絡(luò)的輸入;Y1、Y2Ym為網(wǎng)絡(luò)輸出;Wji為輸入層到隱含層;Wij為隱含層到輸出層的連接權(quán)值。構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器結(jié)構(gòu),如圖4.1。圖4-1 控制對(duì)象和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4-2 仿真結(jié)果圖4-3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖R(t)PIDGh(s)G(s)Y(t)NH圖4-4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器結(jié)構(gòu)控制器由常規(guī)的PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。常規(guī)的PID控制器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù),以達(dá)到性能的優(yōu)化。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí),加權(quán)系數(shù)的調(diào)整,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制參數(shù)。(3)從hebb理論可知,神經(jīng)元的連接在給予不斷的正刺激后會(huì)得到不斷加強(qiáng)。而B(niǎo)P網(wǎng)絡(luò)的反復(fù)學(xué)習(xí)過(guò)程也正是不斷加強(qiáng)某種信息的聯(lián)接強(qiáng)度的過(guò)程。一旦網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束,而并沒(méi)有訓(xùn)練成功,在某種意義上說(shuō),其聯(lián)接強(qiáng)度還不夠,還需再投入樣本對(duì)其作用。樣本被分為兩組,一組已被聯(lián)接權(quán)記憶住了,另一組還不能被其表述。因此可以放棄或部分放棄第一組的樣本數(shù)據(jù),而僅以第二組為訓(xùn)練樣本投入訓(xùn)練,這樣訓(xùn)練時(shí)間將比原來(lái)的方法大為減少。4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)PID控制由于其具有直觀性好、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高以及強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用,尤其適用于建立了精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。然而常規(guī)PID控制效果的優(yōu)劣直接取決于控制參數(shù)選取的好壞,而傳統(tǒng)方法是在獲取控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)某一整定原則來(lái)確定PID參數(shù)。為使控制器具有較好地自適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié),可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法。(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4-5所示:圖4-5 三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖其中:為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入;為BP網(wǎng)絡(luò)的輸出;為輸入層到隱含層的連接權(quán)值;為隱含層到輸出層的連接權(quán)值。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制9BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近非線性函數(shù)的能力,而且結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法簡(jiǎn)單明確。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的學(xué)習(xí),可以找到某一最優(yōu)控制規(guī)律下的P、I、D參數(shù)。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4-6所示:NNPIDplantKpKiKdR(s)Y(s)圖4-6 其于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器結(jié)構(gòu)經(jīng)典增量式數(shù)字PID的控制算式為 (式4.1)式中 、比例、積分、微分系數(shù)。將、視為依賴于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可調(diào)系數(shù)時(shí),可將式描述為 (式4.2) 式中、等有關(guān)的非線性函數(shù),可以用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN如圖4-5所示,通過(guò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)來(lái)找到這樣一個(gè)最佳控制規(guī)律。設(shè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN18是一個(gè)三層BP網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)如圖4-5所示,有個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)、三個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。由于不能為負(fù)值,所以輸出層神經(jīng)元的活化函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù),而隱含層神經(jīng)元的活化函數(shù)可取正負(fù)對(duì)稱的Sigmoid函數(shù)。由圖4-5可見(jiàn),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN的輸入為 (式4.3)式中,輸入量的個(gè)數(shù)M取決于被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。網(wǎng)絡(luò)隱含層輸入輸出為 (式4.4)式中隱含層加權(quán)系數(shù);閾值,=;活化函數(shù),=上腳標(biāo)(1)、(2)、(3)輸入層、隱含層、輸出層。最后,網(wǎng)絡(luò)的輸出層的輸入輸出為 (式4.5)式中輸出層加權(quán)系數(shù);閾值,;活化函數(shù),取性能指標(biāo)函數(shù)為: (式4.6)依最速下降法修正網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù),即按對(duì)加權(quán)系數(shù)的負(fù)梯度方向搜索調(diào)整,并附加一使搜索快速收斂全局極小的慣性項(xiàng),則有 (式4.7)式中學(xué)習(xí)速率;慣性系數(shù)。 (式4.8)由于/未知,所以近似用符號(hào)函數(shù)取代,由此帶來(lái)的計(jì)算不精確的影響可以通過(guò)調(diào)整學(xué)習(xí)速率來(lái)補(bǔ)償。由此可以求得 (式4.9)因此可得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN輸出層的加權(quán)系數(shù)計(jì)算公式為 (式4.10)依據(jù)上述推算方法,可得隱含層加權(quán)系數(shù)得計(jì)算公式為 (式4.11) 式中;控制器由常規(guī)的PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成,常規(guī)PID控制器直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制,并且其控制參數(shù)為Kp、Ki、Kd在線調(diào)整方式10;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù),以期達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化,使輸出層神經(jīng)元的輸出對(duì)應(yīng)于PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)的調(diào)整,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器參數(shù)。4.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)的仿真分析以下是利用Matlab對(duì)一個(gè)利用HEBB規(guī)則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器進(jìn)行的仿真。可以明顯的看出控制器的輸出11。如圖4-7。1)設(shè)置Kp、Ki、KdxiteP=0.40;xiteI=0.35;xiteD=0.40;2)設(shè)置輸入r(t),輸出Y(t)ts=0.001;for k=1:1:1000time(k)=k*ts;rin(k)=0.500*sign(sin(2*2*pi*k*ts);yout(k)=0.368*y_1+0.260*y_2+0.100*u_1+0.632*u_2;3)

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

最新文檔

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論