摘要：针对实际生产过程中，生产机械需要频繁起动制动，严重影响生产效率这一问题进行了研究。通过分析电机的起动过程，结合负反馈控制的原理，建立数学模型，设置模糊控制器的结构，在Simulink中建立系统的仿真模型，对其进行仿真，实验结果表明模糊PID控制器比经典PID控制的直流调速系统的性能更优良，能够实现直流电机的正常、快速、平稳起动，可以有效提高生产效率。
关键词：直流电机；调速系统；模糊控制器；仿真模型；系统设计；仿真实验
0引言
直流电机是工矿、交通、建筑等行业中常见的动力机械，直流电机和交流电机相比，具有优良的调速性能和起动性能[1]。在一些对调速性能要求较低的行业中，已被交流电机取代，但在某些对调速性能要求较高的领域内[2]，直流电机仍发挥着很重要的作用。在允许条件下，为了实现电机最快起动，关键是要获得持续的最大电流，尽量缩短电机起动的时间，使电机转速快速达到给定值并保持恒定[3]。
1直流电机调速的发展概述
根据实际的生产需求，直流调速系统越来越完善，从调速范围和机械特性都较差的开环晶闸管电机系统到转速负反馈的单闭环调速系统[4]，有效改善了系统的调速范围和机械特性，但是其面临的问题是起制动时间过长，抗干扰能力差且堵转电流过大[5]，影响电机使用寿命。模糊PID直流调速系统能有效解决上述问题，不仅能保持电机起动时的恒定电流[6]，还具有良好的抗干扰能力，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，应用领域广泛。随着模糊控制的发展，逐步将模糊PID控制器引入直流调速系统的应用中。
2直流调速系统的设计
2.1系统组成。在最大允许条件下，电机要实现转速的快速增长，需要保持一段时间的恒流阶段[7]，根据负反馈控制的原理，电流负反馈可以基本保持电流维持不变。而在电机转速达到要求时，电机转速也要维持不变，一个调节器要实现两种调节任务，其动态性能很难保证，因此将电流环和转速环分开设置，在系统中加入两个调节器，电流环的输出用于控制整流变换器，将交流电转换为直流电。同时电流环和转速环都是负反馈的结构，方便控制转速和电流维持恒定值。双闭环直流调速系统原理框。
2.2模糊PID控制器的设计。在Matlab的命令行窗口中输入fuzzy可以打开模糊控制器的编辑界面[10]，在设计模糊PID控制器时，用输入和输出的偏差及其变化率作为模糊控制器的输入，其基本结构如图2所示。设计控制器的隶属度函数以及控制器的运行规则，以实现模糊PID控制器的功能，其运行结果如图3所示。
3直流调速系统的Simulink仿真
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型就够了[11]。其传递函数应为：WACR(s)=Ki(τis+1)τis（1）为了简化计算，其传递函数可简化为WACR(s)=KiKsβ(τiR)（2）由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是从内环开始一环一环逐步向外扩展[12]。首先设计电流调节器，其仿真模型如图4所示。从电流环的仿真结果中可以看出，电流环具有良好的稳态性能和动态性能，可以满足进一步的研究。电流环作为内环，对整个系统的影响较小，因此在建立模糊PID控制的直流调速系统仿真模型时，在转速环加入模糊控制器。经典PID和模糊PID的直流调速系统的仿真模型如图6所示，从其仿真结果中可以明确地观察出在直流调速系统中，经典PID控制器和模糊PID控制器的不同点及各自的优越性。其仿真结果如图7所示。在Simulink仿真结果中可以观察到，相比于经典PID控制的直流电机调速系统，模糊PID的性能更优良，其达到稳定的时间比经典PID快将近1s，同时，模糊PID控制系统几乎没有超调量，其动态性能明显比传统PID控制的系统更优良。该模型满足设计要求，可以进入下一阶段的仿真研究。若系统不具备抗干扰能力，在实际生产中，机械生产存在很多外在的影响因素，例如机器的磨损程度、空气湿度以及人为的一些不可避免的情况，都会对实际生产过程产生较大的影响，因此在设计模糊PID控制的直流调速系统过程中，要求系统具有良好的抗干扰能力。在仿真过程中加入了一个扰动信号step1，可以通过设置step1的值，在仿真结果中观察系统的稳定性。电机转速可以直接通过改变输入电压来控制，但是加入扰动信号step1之后，电机的转速也会相应发生一些改变，在保证电机正常工作的情况下，要控制扰动信号的变化范围，否则会导致电机无法正常运转。
4结语
本设计在Simulink中建立了经典PID和模糊PID控制的直流调速系统的仿真模型[13]，并且改变其控制参数以及在系统中加入扰动信号，通过观察其仿真结果，模糊PID控制的调速系统具有更优良的动态性能，同时其抗干扰能力也能满足要求。通过转速控制器和电流控制器的相互作用，使直流电机快速进入工作状态，促进生产工作快速、高效地运行，将模糊控制与直流调速系统结合，可以进一步提高直流电机在生产过程中的实际应用价值。
作者:巨永锋 王晶 刘帜琦 杜凯 单位:长安大学电子与控制工程学院
