高性能直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，模糊控制器由于不依賴對象精確的數(shù)學模型，且具有較強的魯棒性，因此它在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。然而簡單的模糊控制穩(wěn)態(tài)精度較差，動態(tài)性能欠佳。這主要是模糊規(guī)則易受人的主觀影響，使控制器僅限于不超過專家經(jīng)驗范圍的工況下應(yīng)用，而被控系統(tǒng)的非線性、時變性造成了模糊控制規(guī)則的不完善，影響控制效果。為了克服這些問題，就要使模糊控制器具有自適應(yīng)、自調(diào)整的功能。本文采用了比例因子模糊自調(diào)整的自適應(yīng)方法，通過使模糊控制器的參數(shù)在控制過程中自動地調(diào)整、修改與完善來提高模糊控制器的適應(yīng)能力和動靜態(tài)品質(zhì)，以達到更理想的控制效果。將其應(yīng)用于直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，結(jié)果表明它能明顯改善系統(tǒng)性能。

1、系統(tǒng)的組成及其特征

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程是飽和非線性控制。當速度調(diào)節(jié)器ASR飽和及不飽和時，整個系統(tǒng)表現(xiàn)出完全不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。而且實際系統(tǒng)中有一些小時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，例如功率變換器的滯后時間常數(shù)、電流和轉(zhuǎn)速檢測的濾波時間常數(shù)等，都存在一定的傳遞滯后。可見直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是一個非線性、參數(shù)時變、存在擾動的系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式很難達到最佳控制效果。

圖1帶自調(diào)整模糊控制器的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖
針對電流、速度雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，本文采用模糊邏輯控制器作為速度調(diào)節(jié)器，如圖1所示。為保持系統(tǒng)抗干擾能力強和快速性好的特點，電流調(diào)節(jié)器ACR采用位置型PI控制算法。系統(tǒng)主電路采用H 型功率放大電路。

2、量化因子和比例因子對系統(tǒng)性能影響的分析

常規(guī)的模糊控制器通常選取誤差和誤差變化率作為輸入量，模糊控制器的輸出經(jīng)積分后作為系統(tǒng)的控制量，從而構(gòu)成了二維模糊PI型結(jié)構(gòu)的模糊控制器，如圖2所示。

圖2 二維模糊PI型控制器的結(jié)構(gòu)圖
其中量化因子Ke，Kec將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模糊集的論域，比例因子Ku將經(jīng)模糊控制算法給出的控制量轉(zhuǎn)換到控制對象能接受的基本論域中。經(jīng)過分析和大量的仿真實驗，得出量化因子和比例因子對系統(tǒng)性能的影響如下：

(1) Ke對系統(tǒng)性能的影響

Ke越大，系統(tǒng)調(diào)節(jié)惰性越小，上升速率越快;Ke過大，系統(tǒng)上升速率過大，產(chǎn)生的超調(diào)過大，調(diào)節(jié)時間加長，甚至產(chǎn)生振蕩乃至系統(tǒng)不穩(wěn)定;Ke過小，系統(tǒng)上升速率過小，調(diào)節(jié)惰性變大，同時也影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，使穩(wěn)態(tài)精度降低。

(2) Kec對系統(tǒng)性能的影響

Kec越大，對系統(tǒng)狀態(tài)變化的抑制能力增大，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;Kec過大，系統(tǒng)上升速率過小，系統(tǒng)的過渡時間加長;Kec過小，系統(tǒng)上升速率增可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生過大超調(diào)或振蕩。

(3) Ku對系統(tǒng)性能的影響

Ku相當于系統(tǒng)總的放大倍數(shù)。Ku增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快;Ku過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)上升速率過大，從而導(dǎo)致過大超調(diào)甚至振蕩或發(fā)散;Ku過小，系統(tǒng)的前向增益很小，系統(tǒng)上升速率較小，快速性變差，穩(wěn)態(tài)精度變差。

3、輸出比例因子自調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制

本文設(shè)計了一種在線比例因子自調(diào)整模糊控制器，如圖3 所示，它是在主模糊控制器的基礎(chǔ)上，引入一個輔助模糊推理，在控制過程中根據(jù)誤差和誤差變化的大小及關(guān)系，產(chǎn)生一個控制量來實時修改比例因子Ku，從而改善控制器的控制性能。

比例因子Ku調(diào)整量α與誤差E和誤差變化EC的關(guān)系可以表示為：

α(K)=f[E(K)，EC(K)] (1)

式中f為E和EC的非線性函數(shù)，α的值完全取決于系統(tǒng)的瞬時狀態(tài)，而與被控對象模型無關(guān)。這種基于比例因子的自調(diào)整方法實際是一種獨立于模型的非線性的可變增益控制器。

(1) 主模糊控制器輸入輸出變量的定義

主模糊控制器以誤差E和誤差變化EC為輸入，以控制量的變化值U為輸出。

誤差、誤差變化和輸出的語言值模糊子集為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}7個狀態(tài)，模糊論域范圍都為[-1，1]。

(2) 輔助模糊控制器輸入輸出變量的定義

輔助模糊控制器以誤差E和誤差變化EC為輸入，以Ku的校正量α為輸出。修正后的比例因子:Ku＝α×Ku。

誤差、誤差變化的語言值模糊子集與主模糊控制器一樣，α的語言值模糊子集為{ZE，VS，S，SB，MB，B，VB}，它的基本論域范圍為[0，1]。輔助模糊控制器輸出量α的模糊控制規(guī)則見附表。

為保證模糊控制器的輸出響應(yīng)具有較小的超調(diào)和較短的上升時間，當誤差E較大，且與誤差變化EC符號相反時，應(yīng)適當減小控制器比例因子的大小。當誤差E較大，且與誤差變化EC符號相同時，系統(tǒng)響應(yīng)正加速偏離設(shè)定值，為減小這種不利趨勢，應(yīng)增大比例因子。

當系統(tǒng)響應(yīng)在給定值附近時(此時誤差E 較小)，為防止產(chǎn)生較大的超調(diào)或欠調(diào)，比例因子應(yīng)該具有較寬的的變化范圍。比如當系統(tǒng)響應(yīng)剛達到設(shè)定值，但又具有迅速向上偏離的趨勢時，應(yīng)抑制其變化，適當增大α以減小超調(diào)。同樣地，當系統(tǒng)響應(yīng)剛達到設(shè)定值而欠調(diào)時，應(yīng)適當減小α以減小超調(diào)。

圖3 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器結(jié)構(gòu)圖
附表 輔助模糊推理控制規(guī)則表

4、仿真研究與結(jié)論

(1) 比例因子對系統(tǒng)性能影響的仿真分析

直流電機的參數(shù)為:Un＝220V，In ＝15A，額定轉(zhuǎn)速＝1000min。假設(shè)給定轉(zhuǎn)速為1000r/min，圖4(a)為Ku過大時的曲線，圖4(b)為Ku過小時的曲線。仿真曲線的橫軸表示時間(s)，縱軸中的n表示轉(zhuǎn)速(r/min)，Ui*是ACR的輸入(數(shù)字量，1024對應(yīng)于15A)。

圖4(a)Ku過小的仿真曲線

圖4(b)Ku過大的仿真曲線
從仿真中可以看出，Ku過小時，系統(tǒng)上升速率過小，系統(tǒng)的過渡時間加長;Ku過大時，系統(tǒng)上升速率增大，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)。

(2) 參數(shù)自調(diào)整模糊控制的控制效果

抗擾性能指標包括動態(tài)降落△Cmax％和恢復(fù)時間tv。假設(shè)在0.5s的時候，給一個電流為10A的負載。圖5(a)為傳統(tǒng)的PI控制，圖5(b)為參數(shù)自調(diào)整模糊控制。

圖5(a) 傳統(tǒng)的PI控制仿真曲線