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采用模糊控制的直流电机软启动及调速系统

时间:2011-03-02


第 19 卷 第 5 期 2007 年 10 月

海 军 工 程 大 学 学 报
JO U RN A L OF NA V A L U NI VERSIT Y O F EN GIN EERIN G

V o l. 19 N o . 5 O ct. 2007

文章编号 : 1009- 3486( 2007) 05- 0073- 04

采用模糊控制的直流电机软启动及调速系统
孟凡友1 , 王启兴2 , 让余奇1 , 吴 强1

( 1. 海军工程大学 电气与信息工程学院 , 武汉 430033; 2. 海军驻 434 厂军事代表室 , 广西 柳 州 545006) 摘 要 : 介绍了以单片机为 核心的直流电机软 启动及调速系统 , 系统采用模 糊控制策略 , 将转速偏差与 偏差

率模糊化并作为模糊控制器的输入量 , 根据所制 定的模糊控制 规则生成控 制量 。 实验结 果表明 , 该系统启 动 时间可以根据需要调整 , 具有良好的静态和动态 性能 。 关键词 : 模糊控制 ; 单片机 ; 软启动 ; 调速 中图分类号 : T M 33 文献标志码 : A

DC motor soft startup and variable speed system with fuzzy controller
MENG F an yo u , WANG Qi xing , RA NG Yu qi , WU Qiang ( 1. College of Elect rical and Inf orm at ion Engineering, Naval U niv. of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Represent at ive Off ice in P lant No . 434, L iuzhou 545006, China) Abstract: T his paper int ro duces a DC m ot or so ft start up and a variable speed syst em based on the sin g le chip. T his syst em adopt s t he fuzzy co nt ro l st rat eg y and uses rot at e speed erro r and error variabili t y as fuzzy st at e v ar iables. T he cont rol variables are pr oduced according to a set of fuzzy rules. T he ex periment result s show that t he st art up t ime can be adjust ed as requir ed and t he cont ro ller has goo d st atic and dynamic charact erist ics. Key words: fuzzy cont rol; single chip; sof t st art up; variable speed 在电机控制过程中, 使用调节器必须根据受控对象的数学模型, 应用控制理论正确调节调节器的各 个参数才能取得好的效果。但由于控制对象变化的随机性和复杂性 , 一般很难推导出合适的数学模型, 同时由于控制参数多 , 各个参数之间的相互影响, 难以取得最好的效果。随着控制技术的发展, 出现了 一种基于控制理论的智能型调节器 , 即 : 采用模糊控制原理 , 设计一套调节器控制规则, 不需要用户调节 参数 , 只需在调节器中接入模糊控制器即可[ 1, 2] 。这种模糊控制是基于人的控制经验, 因而效果较为理 想。
1 2 1 1

1

直流电机模糊控制调速系统的组成
电机调速系统组成如图 1 所示。其中 : Y d 表示给定转速 ; Y ( t) 表示实际转速 ; e( t ) = Y ( t ) - Y d 表

示偏差; G e , G c 表示比例因子; C( t ) 表示模糊控制量; G u 表示放大因子; u( t) 表示控制量。 直流电机调速模糊控制系统由检测电路、 数模转换电路和功率驱动电路等组成 , 其核心是模糊控制 器, 实验中采用单片机作为模糊控制器控制直流电机
[ 3, 4]

。控制过程是采用给定初值, 通过反馈电路测

出转速的偏差及偏差变化率输入给模糊控制器, 作为模糊控制的依据, 根据模糊控制器输出的控制量,
收稿日期 : 2007 03 25; 修回日期 : 2007 07 05 。 作者简介 : 孟凡友 ( 1963 ) , 男 , 工程师 , 硕士。

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学 报

第 19 卷

图1

电机模糊控制调速系统结构图
[ 5]

去控制功率驱动电路 , 从而使直流电机按照最佳的运转状态工作 , 以达到最佳的调速效果



2

模糊控制器的设计
直流电机调速模糊控制系统的工作过程是根据检测到的转速值, 计算速度偏差和偏差率。由于此

时的转速偏差和偏差率是精确值, 需要经过模糊化处理, 得到模糊量。而模糊控制器根据输入变量 ( 模 糊量 ) , 按照模糊推理规则 , 计算得到控制量( 模糊量 ) 。最后 , 把模糊控制量去模糊处理变为精确量 , 去 控制直流电机的运转 , 其核心是模糊控制器的实现。模糊控制器的实现步骤如下。 ( 1) 确定输入与输出变量的模糊子集和论域及隶属度 在模糊控制直流电机调速系统中, 采用负大( NB) , 负小 ( NS) , 零 ( ZO) , 正小 ( PS) , 正大( PB) 5 个模 糊状态描述转速偏差 E 。相应的论域为 : E = { - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3} 。转速偏差 E 的隶属函数表如表 1 所示。
表 1 转速偏差 E 的隶属函数表
- 3 NB NS ZO PS PB 1 0 0 0 0 - 2 0. 5 0. 5 0 0 0 - 1 0 1 0. 5 0 0 0 0 0. 5 1 0. 5 0 1 0 0 0. 5 1 0 2 0 0 0 0. 5 0. 5 3 0 0 0 0 1

同理 , 采用负大 ( NB) , 负小 ( NS) , 零( ZO) , 正小 ( P S) , 正大 ( PB) 5 个模糊状态描述转速偏差率 E c 。 相应的论域为: E c = { - 3 , - 2, - 1, 0, 1, 2, 3} 。转速偏差率 E c 的隶属函数表同表 1 。 采用负大( NB) , 负小 ( NS) , 零 ( ZO) , 正小 ( P S) , 正大 ( P B ) 5 个模糊状态描述模糊决策 C 。相应的 论域为: C = { - 6 , - 5, - 4, - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3, 4 , 5, 6 , } 。 模糊决策 C 的隶属函数表如表 2 所示。
表 2 模 糊决策 C 的隶属函数 表
- 6 NB NS ZO PS PB 1 0 0 0 0 - 5 0. 5 0 0 0 0 - 4 0 0. 5 0 0 0 - 3 0 1 0 0 0 - 2 0 0. 5 0 0 0 - 1 0 0 0. 5 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0. 5 0 0 2 0 0 0 0. 5 0 3 0 0 0 1 0 4 0 0 0 0. 5 0 5 0 0 0 0 0. 5 6 0 0 0 0 1

( 2) 确定模糊控制规则 根据输入量 E, E c 和输出量 C, 总结在直流电机调速试验中所掌握的经验 , 得到模糊控制规则。直 流电机调速系统的模糊控制可总结为如下控制规则表 ( 见表 3 ) 。
表 3 直流电机调速系统的模 糊控制规则表
NB NB NS ZO PB PB PB NS PB PS PS ZO PB PS ZO PS PS ZO NS PB ZO NS NB PS PB NB PS ZO NS ZO NS ZO NS NB PS NS NB PB NB NB

第5期

孟凡友 等: 采用模糊控制的直流电机软启动及调速系统

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( 3) 推理关系 由模糊数学知识可知 , 双输入、 单输出控制系统的模糊关系为: R i = E i ! E ci ! C i R = i= ?1 R i = i= ?1 ( E i ! E ci ! C i ) ( 4) 计算采样时刻的偏差和偏差率 偏差 : e( t) = Y ( t ) - Yd 偏差率: ec ( t) = e( t) - e( t - 1) = e( t ) e( t ) 和 ec ( t) 均为精确值, 需经过模糊化处理得到模糊量 E ( t) 和 E c ( t) 。 ( 5) 偏差和偏差率的模糊化 用精确值 e( t) 和 ec ( t) 分别乘以两个比例因子 1 / G e 和 1/ G c , 即可得到模糊量 E( t) 和 E c ( t ) 。设转 速的偏差范围为 [ - 90, 90] , 偏差率的范围为 [ - 9, 9 ] , 设计的模糊论域为 [ - 3, 3 ] , 则可得到: 偏差比例 因子 G e = 90/ 3= 30; 偏差率比例因子 G c = 9/ 3= 3。模糊化得 : E( t ) = e( t ) / G e ; E c ( t ) = e c ( t) / G c 。 由于模糊论域只取了 - 3 到 3 之间的整数, 因而对于结果为非整数的变量 , 采取四舍五入就近取整 的原则将其整数化。表 4 表示偏差及偏差率的模糊化。
表 4 偏差及偏差率的 模糊化
偏 差 偏差率 3 2 1 0 - 1 - 2 - 3 偏 差 e # 7. 5 7. 5> e # 4. 5 4. 5> e # 1. 5 1. 5> e> - 1. 5 - 1. 5 # e> - 4. 5 - 4. 5 # e> - 7. 5 - 7. 5 # e 偏差率 3 2 1 0 - 1 - 2 - 3 e # 75 75> e # 45 45> e # 15 15> e> - 15 - 15 # e> - 45 - 45 # e> - 75 - 75 # e
n n

( 6) 进行模糊决策 模糊直流电机调速系统根据某一时刻采样得到的两个模糊输入量进行推理判断, 结果给出一个控 制量。其推理公式为 : C( t ) = [ E( t ) ! E c ( t) ] R 。 ( 7) 模糊判决 ( 将控制量去模糊化 ) 模糊判决的方法较多 , 常用的有: 最大隶属度法、 取平均值法和加权平均法, 这里采用加权平均法, 其推理公式为: C( t) =

?

(xi) ! xi

?

( xi)

在模糊控制系统运行时, 控制器需要进行模糊化、 模糊推理和逆模糊化等运算, 按上述过程在线运 算时 , 需要很长时间 , 所以通过离线运算, 并经大量实验调整, 产生一个模糊控制总表( 见表 5) 。这样, 可以通过偏差、 偏差率的离散等级直接读取控制量的增量。
表 5 模糊控制总 表
C - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 - 3 6 5 4 3 2 1 0 - 2 6 5 4 3 1 0 0 - 1 3 2 3 1 0 - 1 - 1 0 2 1 1 0 - 1 - 1 - 2 1 1 1 0 - 1 - 3 - 2 - 3 2 0 0 - 1 - 3 - 4 - 5 - 6 3 0 - 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6

3

实验及结果分析
实验系统为采用单片机作为模糊控制器的 PWM 调速系统
[ 6]

, 采用的是他励直流电机 , 电机的额定

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学 报

第 19 卷

电压为 43 V, 额定电流为 6. 98 A, 容量为 0. 3 kW, 额定转速为 2 100 r/ m in。 初步实验时, 发现速度显示值总在给定值 % 5 转的范围内波动, 由实验得到的数据, 结合软件归纳 发现 , 送入 D/ A 转换器的数字量每加 1, D/ A 输出增加约 5 mV, 电机转速变化约 4~ 5 转 , 所以电机不 能相对稳定。经过调整 T LC5615 的基准输入电压, 由原来的 2. 5 V 降低为 2. 0 V, 电机就能很好地稳 定在要求的误差范围内。 最终实验结果 , 电机在转速低于 200 r/ min 时 , 调速误差在给定值的 1 % 左右; 大于 200 r/ min 、 小于 2 100 r/ min 时 , 调速误差在给定值的 0. 5 % 以下, 且调速时超调量很小 , 从开始调速至稳定运行的时间 不超过 1 s。图 2( a) 为设定启动时间 2 s 的起点过程 , 图 2( b) 为转速 2 000 r/ min 到 1 450 r/ min 的调速 过程。

图 2 设定起动时间 2 s 的起动过程转速和 2 000 r / min 到 1 450 r/ min 的调速过程

实验表明, 设计的系统能满足他励直流电机软启动及调速的要求 , 启动时间可以根据实际需要或电 机的情况而定, 启动安全、 可靠 ; 测速较准确, 调速性能良好 , 能较好满足实际工作的需要。

4

结 论
本文设计了采用模糊控制的直流电机软启动及调速系统 , 其核心为模糊控制器 , 采用单片机组成。

针对该系统, 重点分析了模糊控制器的设计实现步骤。设计的系统能较好地实现直流电机的软启动及 调速 , 起动时间可以根据需要调整 , 具有良好的静态和动态性能。 参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] 李 黄 勇 , 罗隆福 , 杨 晨 , 等 . 基于模糊控制的永磁同步电动机直接转 矩控制 [ J] . 微电机 , 2006( 3) : 37- 40.

凯 , 吴汉松 , 李洪科 . 恒电流系统直流推进电机的模糊控制 [ J] . 海军工程大学学报 , 2005, 17( 4) : 88- 92.

张文修 , 梁广锡 . 模糊控制与系统 [ M ] . 西安 : 西安交通大学出版 社 , 1998. 徐爱钧 , 彭秀华 . 单片机高级语言 C51 应用程序设计 [ M ] . 北京 : 电子工业出版社 , 2000. 黄祯祥 , 郭延文 , 邓怀雄 . 直接转矩控制系统中的模糊控制研究 [ J] . 电力电子技术 , 2006( 4) : 114- 116.


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