CN103618486A

CN103618486A - 一种模糊控制的直流电机调速方法

Info

Publication number: CN103618486A
Application number: CN201310621562.3A
Authority: CN
Inventors: 毛相峰; 杜世民; 叶秀成
Original assignee: Pingdingshan Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Current assignee: Pingdingshan Power Supply Co of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-11-30
Filing date: 2013-11-30
Publication date: 2014-03-05

Abstract

本发明公开了一种模糊控制的直流电机调速方法，它主要以PLC控制器为基础，实现以模糊控制算法替代单一的PID算法计算调速参数，将转速信号作为PLC的输入信号，PLC根据输出和设定值进行模糊控制计算，产生PWM输出到电机驱动器，电机驱动器用脉宽调制PWM产生可调的直流平均电压，实现直流电机转速的模糊控制。本发明能使电动机有良好的起动、制动性能，适于在大范围内平滑调速，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

Description

一种模糊控制的直流电机调速方法

技术领域

本发明涉及电机调速技术领域，尤其涉及一种模糊控制的直流电机调速方法。

背景技术

早期的直流电动机调速控制是以模拟电路为基础，硬件复杂、功能单一、系统不灵活，随着PLC技术的快速发展，越来越多的用户采用软件实现的PID算法来调速，这种算法虽然性能可靠，结构简单，但无法克服负载参数大范围变化和非线性因素对系统造成的影响，所以也逐渐难以满足控制要求。如果要完善PID算法，就需要借助功能模块，由此也带来技术行对封闭、灵活性缺乏，通用性差、成本增加等一系列缺点。

模糊控制是控制理论发展的高级阶段，模糊控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其他较复杂的问题。模糊控制不依赖于被控对象精确的数学模型，对系统动态响应有较好的鲁棒性，但难以消除系统稳态误差，而PID控制方法可以很好地解决这一不足，若将两者结合起来，系统就能同时兼有两种方法的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种模糊控制的直流电机调速方法，它主要以PLC控制器为基础，实现以模糊控制算法替代单一的PID算法计算调速参数，并控制外接控制装置实现电机调速，适于在大范围内平滑调速，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种模糊控制的直流电机调速方法,包括如下步骤：

1) 以直流电机、电机驱动器、PLC控制器为核心建立直流电机调速系统；

2) 采集直流电机的转速信号，经电机驱动器传输给PLC控制器，作为PLC的输入信号；

3) PLC根据所设定的输入和反馈信号,计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化e^’，并将参变量e与e^’送入PLC模糊控制器；

4) 模糊控制器将e和e^’作为量化参数因子，经模糊控制规则动态处理变为模糊控制量，再经量化设定因子U_p、U_i、U_d将其精确化，便可得到PID控制器的控制参量△K_p、△K_i和△K_d，其中，模糊动态控制规则和量化因子既可以根据经验对PLC进行自主设定，也可以利用PLC计算机在线查询离散论域控制表；

5) 将模糊控制器计算得出的控制参量△K_p、△K_i和△K_d，引入常规PID调节器作为修正值，得出PID控制值K_p、K_i、K_d，进而将控制值引入回路，得到PLC输出值；

6) PLC输出值进入电机驱动器，得到PWM输出，并将过调速电位器用脉宽调制PWM产生可调的直流平均电压，实现直流电机转速的模糊控制。

所述直流电机调速系统包括顺次连接的直流电机装置、电机驱动器装置和PLC控制器装置，相邻装置间连接双向信号传输通道，所述直流电机对电机驱动器的输出通道连接转速传感器、输入通道连接调速电位器。

本发明提供了一种模糊PID控制方法，该方法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差e和偏差变化率e^’，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其思想是先找出PID各个参数与偏差e和偏差变化率e^’之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和e^’，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和e^‘时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能。

模糊控制器的量化因子只是一种微调。从调试步骤看，往往先看量化因子，对于简单的系统，通常只要改变量化因子即可达到基本的控制要求，对于较复杂的控制系统，既要调节量化因子还要调节比例因子，达到共同控制系统的目的。

在直流电机运行过程中，系统将转速信号作为PLC的输入信号，PLC根据输出和设定值进行模糊控制计算，得到输出，产生PWM输出到电机驱动器，电机驱动器用脉宽调制PWM产生可调的直流平均电压，实现直流电机转速的模糊控制，使电动机有良好的起动、制动性能，稳定性也得到加强。

附图说明

图1是本发明电机调速系统结构示意图。

图2是传统单一PID调节系统原理图。

图3是本发明模糊控制型PID调节系统原理图。

图4是本发明实施例两种方案转速对比表。

具体实施方式

一种模糊控制的直流电机调速方法,包括如下步骤：

直流电机调速系统包括顺次连接的直流电机装置、电机驱动器装置和PLC控制器装置，相邻装置间连接双向信号传输通道，所述直流电机对电机驱动器的输出通道连接转速传感器、输入通道连接调速电位器；

利用PLC控制器控制直流电机设备时，PLC对模拟量信号的识别是通过PLC的模拟量输入输出模块来完成的。模拟量输入输出模块采用A/D转换原理，输入端通过电机驱动器接收来自传感器的模拟信号，输出端输出的模拟信号也通过电机驱动器作用于PLC的控制对象，这样能充分利用PLC的智能运算，提高调速系统的智能化程度，以实现对直流电机转速的有效控制；

PLC模糊控制器的作用是找出PID三个参数与e和e^’之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和e^’，得到PID参数的修正量；

对于查表法来说，因为对于离散论域，量化的输入量是一定个数的，能够针对不同的输入组合，通过离线计算的方法得到相应的控制量，经过修正调试，从而生成一张控制查询表，再把查询表作为数据块存到PLC存储器中。模糊控制器运行时只需根据输入，通过查表子程序访问该数据块，查询表中输出，就能完成控制计算。从而实现直流电机的调速控制；

设K_p ^’、K_i ^’、K_d ^’为常规PID调节器的预整定值，则PID控制值K_p= K_p ^’+△K_p，K_i= K_i ^’+△K_i，K_d= K_d ^’+△K_d，从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳定精度等方面来考虑，K_p有利于改善调速精度，使响应速度加快，增强系统的稳态、动态特性；K_i有效消除系统的稳态误差，K_i越大，系统的静态误差消除越快，不过K_i过大时，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，K_i过小时，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度；K_d能有效改善系统的动态特性，在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报，但K_d过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，降低系统的抗干扰性能；

模糊控制器的动态自主设定可以采用比较简单的模糊控制系统和加积分的模糊控制系统响应曲线，即通过加入积分环节的模糊控制系统，调节积分增益模块，使响应速度有所加快，并且稳定性加强，达到较好的消除系统余差的目的。

在模糊PID控制系统中，模糊控制器对信号进行粗调，PID控制器对信号进行细调，以产生较小的超调，由PID控制器进行调节，两者相互协调，不断调节，使信号响应速度更加迅速，稳定性也得到加强。

下面以一个实施例进行说明：对直流电机Z2-61进行转速控制，电机额定功率10KW，额定电压220V、额定电流55A，额定转速为1500r/min ，允许电动机过载倍数为2，最轻负载电流为0.05倍的额定电流。

首先设计调速系统，系统由直流电机、转速传感器、电机驱动器，PLC组成，属于单机控制系统。基于机型、容量、1/0等考虑，选择西门子S7- 224XP型PLC，电机驱动器可选用BLDC-5015A型驱动器，转速传感器选用 GM-AV系列测速传感器，可实现宽电压输入与灵敏输出，调速电位器可选用一块PWM控制输出电路板。

首先在PLC中，并不引入模糊控制器，即仅通过PID调节闭环，控制直流电机速度。在电机运行30分钟，进入稳定状态后，在电机输入端加入电压脉冲干扰，并每隔20S对当前转速进行采样，采样时间为5分钟，随后，在PLC中引入模糊调节方法，形成模糊PID模型，同样每隔20S对当前转速进行采样，采样时间为5分钟，参数记录见图4。

通过观察比对，可以看出，引入模糊PID调节方法之后，在同样的精度要求下，对同一被控对象，改进后方法的过渡时间短和稳定性好，在实际的过程控制中能产生更有益的效果。

Claims

1.一种模糊控制的直流电机调速方法，其特征在于：它包括如下步骤：

1）以直流电机、电机驱动器、PLC控制器为核心建立直流电机调速系统；

2）采集直流电机的转速信号，经电机驱动器传输给PLC控制器，作为PLC的输入信号；

3）PLC根据所设定的输入和反馈信号,计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化e^’，并将参变量e与e^’送入PLC模糊控制器；

4）模糊控制器将e和e^’作为量化参数因子，经模糊控制规则动态处理变为模糊控制量，再经量化设定因子U_p、U_i、U_d将其精确化，便可得到PID控制器的控制参量△K_p、△K_i和△K_d，其中，模糊动态控制规则和量化因子既可以根据经验对PLC进行自主设定，也可以利用PLC计算机在线查询离散论域控制表;

5）将模糊控制器计算得出的控制参量△K_p、△K_i和△K_d，引入常规PID调节器作为修正值，得出PID控制值K_p、K_i、K_d，进而将控制值引入回路，得到PLC输出值;

6）PLC输出值进入电机驱动器，得到PWM输出，并将过调速电位器用脉宽调制PWM产生可调的直流平均电压，实现直流电机转速的模糊控制。

2.如权利要求1所述的一种模糊控制的直流电机调速方法，其特征在于：所述直流电机调速系统包括顺次连接的直流电机装置、电机驱动器装置和PLC控制器装置，相邻装置间连接双向信号传输通道，所述直流电机对电机驱动器的输出通道连接转速传感器、输入通道连接调速电位器。