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

背景技術：

1、異步電機因具有結構簡單、高效率、過載能力強、魯棒性強、低成本與制造技術成熟，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。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供了一種基于系統(tǒng)響應特性的模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設計方法，所述模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設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)明解決上述技術問題的技術方案是：

3、一種基于系統(tǒng)響應特性的模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設計方法，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)范圍及其對應的響應特性與趨勢走向；

5、s2：建立模糊控制判斷參數(shù)的模糊化函數(shù)的模糊域及對應分段隸屬度函數(shù)。并依據(jù)kp與系統(tǒng)響應和被控量誤差以及ki與系統(tǒng)響應和超調(diào)量的映射關系建立解模糊函數(shù)的模糊域及對應分段隸屬度函數(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；按照控制響應需求與被控目標誤差的關系設計對應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；按照控制響應需求與被控目標誤差變化率的關系設計對應的模糊化隸屬度函數(shù)；

18、s23：根據(jù)kp的響應特性及可用范圍設立模糊域，并根據(jù)kp與系統(tǒng)響應和被控目標誤差的映射關系，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)對響應的需求及kp的響應強度趨勢走向，建立各模糊子集對應的解模糊隸屬度函數(shù)；

19、s24：根據(jù)ki的響應特性及可用范圍設立模糊域，并根據(jù)ki參數(shù)與系統(tǒng)響應和超調(diào)量的映射關系，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)對響應的需求及ki的響應強度趨勢走向，建立各模糊子集對應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)響應特性的模糊轉(zhuǎn)矩pi控制器設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)響應特性的模糊pi控制器設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)響應并經(jīng)過設計后的模糊控制計算處理，更新pi控制器的參數(shù)，以應對電機參數(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)響應特性的模糊pi控制器設計方法針對系統(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雜數(shù)值估算等影響因素，同時降低成本及計算復雜度。

51、4、本發(fā)明的基于系統(tǒng)響應特性的模糊pi控制器設計方法利用模糊控制結合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)響應更及時且具有更好的魯棒性。