本發(fā)明屬于電機控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于系統(tǒng)響應(yīng)特性的模糊pi控制器設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、異步電機因具有結(jié)構(gòu)簡單、高效率、過載能力強、魯棒性強、低成本與制造技術(shù)成熟，以及易于維護等等優(yōu)勢，在工業(yè)傳動、軌道交通、電動汽車上均得到廣泛應(yīng)用。

2、現(xiàn)有的電機控制方式如：矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，多采用傳統(tǒng)的pi控制器對其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)進行控制。而傳統(tǒng)pi控制采用固定控制參數(shù)，隨著電機運行時長的增加，電機內(nèi)部升溫導致電機參數(shù)如電機定子及電機轉(zhuǎn)子的電阻阻值、電感值均會發(fā)生變化，從而導致原有控制參數(shù)的控制效果下降。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種基于系統(tǒng)響應(yīng)特性的模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設(shè)計方法，所述模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設(shè)計方法通過檢測系統(tǒng)運行情況，實時更新轉(zhuǎn)矩控制器的kp、ki參數(shù)以應(yīng)對電機長期運行時物理參數(shù)變化導致的控制效果下降問題。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

3、一種基于系統(tǒng)響應(yīng)特性的模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設(shè)計方法，包括以下步驟：

4、s1：通過對pi控制器及其控制下的閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進行計算分析及可視化仿真，得到符合性能要求的kp、ki的參數(shù)范圍及其對應(yīng)的響應(yīng)特性與趨勢走向；

5、s2：建立模糊控制判斷參數(shù)的模糊化函數(shù)的模糊域及對應(yīng)分段隸屬度函數(shù)。并依據(jù)kp與系統(tǒng)響應(yīng)和被控量誤差以及ki與系統(tǒng)響應(yīng)和超調(diào)量的映射關(guān)系建立解模糊函數(shù)的模糊域及對應(yīng)分段隸屬度函數(shù)；

6、s3：根據(jù)被控系統(tǒng)的控制要求，以kp、ki對修正誤差及減小誤差變化率為目的，分別設(shè)立僅被控誤差值與kp、ki之間的模糊規(guī)則、以及被控目標的變化率及誤差值兩個因素作為判斷條件與kp、ki參數(shù)之間的模糊規(guī)則；

7、s4：在每一控制周期，系統(tǒng)通過傳感器或函數(shù)計算方式獲取模糊控制判斷參數(shù)，即被控目標誤差及被控目標誤差變化率；

8、s5：pi控制器依據(jù)步驟s2中的隸屬度函數(shù)計算得到當前模糊控制判斷參數(shù)的對應(yīng)隸屬度，并依照步驟s3中的模糊規(guī)則，基于模糊推理方法計算得到下一控制周期內(nèi)的pi控制器的kp(t+1)、ki(t+1)；

9、s6：pi控制器接收下一控制周期的控制參數(shù)kp(t+1)、ki(t+1)并更新至現(xiàn)有參數(shù)，在下一周期使用更新后的參數(shù)對被控目標進行控制。

10、優(yōu)選的，所述步驟s1的具體過程為：

11、s11：確定所選型的控制系統(tǒng)在待設(shè)計位置的pi控制器前后的被控參數(shù)之間的物理方程；

12、s12：將得到的物理方程整理為微分方程形式，經(jīng)拉普拉斯變換得到被控參數(shù)與輸出參數(shù)之間的傳遞函數(shù)；

13、s13：將傳遞函數(shù)與pi控制器的傳遞函數(shù)結(jié)合得到開環(huán)傳遞函數(shù)，加入反饋回路形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，并得到其閉環(huán)傳遞函數(shù)；

14、s14：通過理論計算或仿真的方式，對pi控制器中的kp、ki進行響應(yīng)速度、和超調(diào)量分析，并確定kp、ki符合控制要求的區(qū)間及其在內(nèi)部的趨勢走向、以及系統(tǒng)處于相對穩(wěn)態(tài)和處于動態(tài)時的被控目標誤差變化率范圍。

15、優(yōu)選的，所述步驟s2的具體過程為：

16、s21：根據(jù)被控目標誤差的波動范圍設(shè)立模糊域，并根據(jù)正負額定可波動范圍、穩(wěn)態(tài)下可波動范圍將被控目標誤差的模糊域劃分為“nl”、“ns”、“z”、“ps”、“pl”五個模糊子集，其中，z為[-額定值*10％,額定值*10％]；ns為[0,額定值*40％]；ps為[-額定值*40％,0]；nl為[-額定值,-額定值*40％)；pl為(額定值*40％,額定值]，其中，額定值為電機轉(zhuǎn)矩額定值；按照控制響應(yīng)需求與被控目標誤差的關(guān)系設(shè)計對應(yīng)的模糊化隸屬度函數(shù)；

17、s22：根據(jù)被控目標誤差變化率的波動范圍設(shè)立模糊域，并根據(jù)正負額定可波動范圍、穩(wěn)態(tài)下可波動范圍將被控目標誤差變化率的模糊域分段劃分為“n”、“z”、“p”三個模糊子集，其中，n代表變化率為負且系統(tǒng)處于趨向穩(wěn)態(tài)的過程中；z代表變化率在屬于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的區(qū)間內(nèi)波動；p代表變化率為正且系統(tǒng)處于趨向穩(wěn)態(tài)的過程中；按照控制響應(yīng)需求與被控目標誤差變化率的關(guān)系設(shè)計對應(yīng)的模糊化隸屬度函數(shù)；

18、s23：根據(jù)kp的響應(yīng)特性及可用范圍設(shè)立模糊域，并根據(jù)kp與系統(tǒng)響應(yīng)和被控目標誤差的映射關(guān)系，依照轉(zhuǎn)矩波動強度范圍將模糊域分為三個模糊子集：“ss”、“sp”、“pp”，其中，ss為[0，30％]；sp為(30％，70％)；pp為[70％，100％]；按照控制系統(tǒng)狀態(tài)對響應(yīng)的需求及kp的響應(yīng)強度趨勢走向，建立各模糊子集對應(yīng)的解模糊隸屬度函數(shù)；

19、s24：根據(jù)ki的響應(yīng)特性及可用范圍設(shè)立模糊域，并根據(jù)ki參數(shù)與系統(tǒng)響應(yīng)和超調(diào)量的映射關(guān)系，依照轉(zhuǎn)矩超調(diào)量范圍將模糊域分為三個子集：“max”、“med”、“min”，其中，min為[0，30％]；med為(30％，70％)；min為[70％，100％]；按照控制系統(tǒng)狀態(tài)對響應(yīng)的需求及ki的響應(yīng)強度趨勢走向，建立各模糊子集對應(yīng)的解模糊隸屬度函數(shù)。

20、優(yōu)選的，所述步驟s3的具體過程為：

21、s31：基于步驟s21-步驟s24所建立的模糊子集，設(shè)立對被控目標誤差單因素模糊規(guī)則，具體為：

22、當誤差位于模糊子集“nl”、“pl”中，選擇kp模糊子集“pp”以及ki模糊子集“max”；

23、當誤差位于模糊子集“ns”、“ps”中，選擇kp模糊子集“sp”以及ki模糊子集“med”；

24、當誤差位于模糊子集“z”中，選擇kp模糊子集“ss”以及ki模糊子集“min”；

25、s32：基于步驟s21-步驟s24所建立的模糊子集，設(shè)立對被控目標誤差和誤差變化率共同影響下的模糊規(guī)則，具體為：

26、首先以誤差變化率作為系統(tǒng)狀態(tài)的初步判斷，再通過誤差確定現(xiàn)有狀態(tài)；

27、(1)當誤差變化率所在的模糊子集為“z”時，ki參數(shù)的模糊子集均選擇“min”，繼續(xù)對誤差進行判斷：

28、若誤差位于模糊子集“nl”、“pl”中，則選擇kp模糊子集“pp”；

29、若誤差位于模糊子集“ns”、“ps”中，則選擇kp模糊子集“sp”；

30、若誤差位于模糊子集“z”中，則選擇kp模糊子集“ss”；

31、(2)當誤差變化率為“n”、“p”，kp、ki參數(shù)需要根據(jù)誤差所處區(qū)間調(diào)整：

32、若誤差位于模糊子集“nl”、“pl”中，則選擇kp模糊子集“pp”以及ki模糊子集“max”；

33、若誤差位于模糊子集“ns”、“ps”中，則選擇kp模糊子集“sp”以及ki模糊子集“med”或“min”；

34、若誤差位于模糊子集“z”中，則選擇kp模糊子集“ss”以及ki模糊子集“min”；

35、s33：將步驟s31與步驟s32中得到的模糊規(guī)則整理并錄入模糊規(guī)則庫。

36、優(yōu)選的，所述步驟s4的具體過程為：

37、s41：采用傳感器或函數(shù)估算的方式，得到被控目標的真實值，并與期望值作差得到誤差值；

38、s42：對步驟s41中得到的誤差值作求導處理，與上一控制周期的誤差值作差并除以控制周期，得到誤差變化率。

39、優(yōu)選的，所述步驟s5的具體過程為：

40、s51：將步驟s41、步驟s42中得到的被控目標誤差及誤差變化率，分別通過步驟s21、步驟s22中的模糊化函數(shù)得到各自對應(yīng)的隸屬度；

41、s52：根據(jù)步驟s51中得到的隸屬度，經(jīng)模糊推理后對步驟s23、步驟s24中kp、ki的解模糊函數(shù)進行填充；

42、s53：根據(jù)選擇的解模糊方法及權(quán)重，計算得到用于下一控制周期的kp(t+1)、ki(t+1)。

43、優(yōu)選的，所述步驟s6的具體過程為：

44、s61：pi控制器在每一控制周期開始時，清除上一控制周期所使用的kp(t)、ki(t)；

45、s62：pi控制器在每一控制周期開始時，將步驟s53中得到的kp(t+1)、ki(t+1)更新至pi控制器內(nèi)，并在本周期內(nèi)保持該控制參數(shù)；

46、s63：pi控制器參與系統(tǒng)控制，利用更新后的pi參數(shù)對系統(tǒng)被控量進行控制。

47、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

48、1、本發(fā)明的基于系統(tǒng)響應(yīng)特性的模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設(shè)計方法通過檢測與計算當前轉(zhuǎn)矩與目標值的差值及其差值的變化率作為模糊輸入，根據(jù)模糊規(guī)則計算對應(yīng)kp、ki下放至pi控制器中，完成pi控制器的參數(shù)更新；通過檢測系統(tǒng)運行情況，實時更新pi控制器的kp、ki以應(yīng)對電機長期運行時物理參數(shù)變化導致的控制效果下降問題。

49、2、本發(fā)明的基于系統(tǒng)響應(yīng)特性的模糊pi控制器設(shè)計方法可以在不依賴電機參數(shù)檢測的情況下，通過檢測系統(tǒng)響應(yīng)并經(jīng)過設(shè)計后的模糊控制計算處理，更新pi控制器的參數(shù)，以應(yīng)對電機參數(shù)變動時傳統(tǒng)固定參數(shù)pi控制器動態(tài)性能下降的問題，提高系統(tǒng)抗干擾能力及整體穩(wěn)定性。

50、3、本發(fā)明的基于系統(tǒng)響應(yīng)特性的模糊pi控制器設(shè)計方法針對系統(tǒng)參數(shù)變化帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，利用控制參數(shù)的誤差及誤差變化率作為模糊控制器的輸入，避免引入傳感器或復(fù)雜數(shù)值估算等影響因素，同時降低成本及計算復(fù)雜度。

51、4、本發(fā)明的基于系統(tǒng)響應(yīng)特性的模糊pi控制器設(shè)計方法利用模糊控制結(jié)合pi控制器的方式，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)實時更新kp、ki參數(shù)。能使系統(tǒng)響應(yīng)更及時且具有更好的魯棒性。