一种基于系统响应特性的模糊PI控制器设计方法

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种基于系统响应特性的模糊pi控制器设计方法。

背景技术：

1、异步电机因具有结构简单、高效率、过载能力强、鲁棒性强、低成本与制造技术成熟，以及易于维护等等优势，在工业传动、轨道交通、电动汽车上均得到广泛应用。

2、现有的电机控制方式如：矢量控制、直接转矩控制等，多采用传统的pi控制器对其转速、转矩、电流等参数进行控制。而传统pi控制采用固定控制参数，随着电机运行时长的增加，电机内部升温导致电机参数如电机定子及电机转子的电阻阻值、电感值均会发生变化，从而导致原有控制参数的控制效果下降。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术存在的不足，提供了一种基于系统响应特性的模糊转矩pi控制器设计方法，所述模糊转矩pi控制器设计方法通过检测系统运行情况，实时更新转矩控制器的kp、ki参数以应对电机长期运行时物理参数变化导致的控制效果下降问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案是：

3、一种基于系统响应特性的模糊转矩pi控制器设计方法，包括以下步骤：

4、s1：通过对pi控制器及其控制下的闭环控制系统的传递函数进行计算分析及可视化仿真，得到符合性能要求的kp、ki的参数范围及其对应的响应特性与趋势走向；

5、s2：建立模糊控制判断参数的模糊化函数的模糊域及对应分段隶属度函数。并依据kp与系统响应和被控量误差以及ki与系统响应和超调量的映射关系建立解模糊函数的模糊域及对应分段隶属度函数；

6、s3：根据被控系统的控制要求，以kp、ki对修正误差及减小误差变化率为目的，分别设立仅被控误差值与kp、ki之间的模糊规则、以及被控目标的变化率及误差值两个因素作为判断条件与kp、ki参数之间的模糊规则；

7、s4：在每一控制周期，系统通过传感器或函数计算方式获取模糊控制判断参数，即被控目标误差及被控目标误差变化率；

8、s5：pi控制器依据步骤s2中的隶属度函数计算得到当前模糊控制判断参数的对应隶属度，并依照步骤s3中的模糊规则，基于模糊推理方法计算得到下一控制周期内的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参数kp(t+1)、ki(t+1)并更新至现有参数，在下一周期使用更新后的参数对被控目标进行控制。

10、优选的，所述步骤s1的具体过程为：

11、s11：确定所选型的控制系统在待设计位置的pi控制器前后的被控参数之间的物理方程；

12、s12：将得到的物理方程整理为微分方程形式，经拉普拉斯变换得到被控参数与输出参数之间的传递函数；

13、s13：将传递函数与pi控制器的传递函数结合得到开环传递函数，加入反馈回路形成闭环控制系统，并得到其闭环传递函数；

14、s14：通过理论计算或仿真的方式，对pi控制器中的kp、ki进行响应速度、和超调量分析，并确定kp、ki符合控制要求的区间及其在内部的趋势走向、以及系统处于相对稳态和处于动态时的被控目标误差变化率范围。

15、优选的，所述步骤s2的具体过程为：

16、s21：根据被控目标误差的波动范围设立模糊域，并根据正负额定可波动范围、稳态下可波动范围将被控目标误差的模糊域划分为“nl”、“ns”、“z”、“ps”、“pl”五个模糊子集，其中，z为[-额定值*10％,额定值*10％]；ns为[0,额定值*40％]；ps为[-额定值*40％,0]；nl为[-额定值,-额定值*40％)；pl为(额定值*40％,额定值]，其中，额定值为电机转矩额定值；按照控制响应需求与被控目标误差的关系设计对应的模糊化隶属度函数；

17、s22：根据被控目标误差变化率的波动范围设立模糊域，并根据正负额定可波动范围、稳态下可波动范围将被控目标误差变化率的模糊域分段划分为“n”、“z”、“p”三个模糊子集，其中，n代表变化率为负且系统处于趋向稳态的过程中；z代表变化率在属于系统稳态的区间内波动；p代表变化率为正且系统处于趋向稳态的过程中；按照控制响应需求与被控目标误差变化率的关系设计对应的模糊化隶属度函数；

18、s23：根据kp的响应特性及可用范围设立模糊域，并根据kp与系统响应和被控目标误差的映射关系，依照转矩波动强度范围将模糊域分为三个模糊子集：“ss”、“sp”、“pp”，其中，ss为[0，30％]；sp为(30％，70％)；pp为[70％，100％]；按照控制系统状态对响应的需求及kp的响应强度趋势走向，建立各模糊子集对应的解模糊隶属度函数；

19、s24：根据ki的响应特性及可用范围设立模糊域，并根据ki参数与系统响应和超调量的映射关系，依照转矩超调量范围将模糊域分为三个子集：“max”、“med”、“min”，其中，min为[0，30％]；med为(30％，70％)；min为[70％，100％]；按照控制系统状态对响应的需求及ki的响应强度趋势走向，建立各模糊子集对应的解模糊隶属度函数。

20、优选的，所述步骤s3的具体过程为：

21、s31：基于步骤s21-步骤s24所建立的模糊子集，设立对被控目标误差单因素模糊规则，具体为：

22、当误差位于模糊子集“nl”、“pl”中，选择kp模糊子集“pp”以及ki模糊子集“max”；

23、当误差位于模糊子集“ns”、“ps”中，选择kp模糊子集“sp”以及ki模糊子集“med”；

24、当误差位于模糊子集“z”中，选择kp模糊子集“ss”以及ki模糊子集“min”；

25、s32：基于步骤s21-步骤s24所建立的模糊子集，设立对被控目标误差和误差变化率共同影响下的模糊规则，具体为：

26、首先以误差变化率作为系统状态的初步判断，再通过误差确定现有状态；

27、(1)当误差变化率所在的模糊子集为“z”时，ki参数的模糊子集均选择“min”，继续对误差进行判断：

28、若误差位于模糊子集“nl”、“pl”中，则选择kp模糊子集“pp”；

29、若误差位于模糊子集“ns”、“ps”中，则选择kp模糊子集“sp”；

30、若误差位于模糊子集“z”中，则选择kp模糊子集“ss”；

31、(2)当误差变化率为“n”、“p”，kp、ki参数需要根据误差所处区间调整：

32、若误差位于模糊子集“nl”、“pl”中，则选择kp模糊子集“pp”以及ki模糊子集“max”；

33、若误差位于模糊子集“ns”、“ps”中，则选择kp模糊子集“sp”以及ki模糊子集“med”或“min”；

34、若误差位于模糊子集“z”中，则选择kp模糊子集“ss”以及ki模糊子集“min”；

35、s33：将步骤s31与步骤s32中得到的模糊规则整理并录入模糊规则库。

36、优选的，所述步骤s4的具体过程为：

37、s41：采用传感器或函数估算的方式，得到被控目标的真实值，并与期望值作差得到误差值；

38、s42：对步骤s41中得到的误差值作求导处理，与上一控制周期的误差值作差并除以控制周期，得到误差变化率。

39、优选的，所述步骤s5的具体过程为：

40、s51：将步骤s41、步骤s42中得到的被控目标误差及误差变化率，分别通过步骤s21、步骤s22中的模糊化函数得到各自对应的隶属度；

41、s52：根据步骤s51中得到的隶属度，经模糊推理后对步骤s23、步骤s24中kp、ki的解模糊函数进行填充；

42、s53：根据选择的解模糊方法及权重，计算得到用于下一控制周期的kp(t+1)、ki(t+1)。

43、优选的，所述步骤s6的具体过程为：

44、s61：pi控制器在每一控制周期开始时，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开始时，将步骤s53中得到的kp(t+1)、ki(t+1)更新至pi控制器内，并在本周期内保持该控制参数；

46、s63：pi控制器参与系统控制，利用更新后的pi参数对系统被控量进行控制。

47、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

48、1、本发明的基于系统响应特性的模糊转矩pi控制器设计方法通过检测与计算当前转矩与目标值的差值及其差值的变化率作为模糊输入，根据模糊规则计算对应kp、ki下放至pi控制器中，完成pi控制器的参数更新；通过检测系统运行情况，实时更新pi控制器的kp、ki以应对电机长期运行时物理参数变化导致的控制效果下降问题。

49、2、本发明的基于系统响应特性的模糊pi控制器设计方法可以在不依赖电机参数检测的情况下，通过检测系统响应并经过设计后的模糊控制计算处理，更新pi控制器的参数，以应对电机参数变动时传统固定参数pi控制器动态性能下降的问题，提高系统抗干扰能力及整体稳定性。

50、3、本发明的基于系统响应特性的模糊pi控制器设计方法针对系统参数变化带来的系统不稳定现象，利用控制参数的误差及误差变化率作为模糊控制器的输入，避免引入传感器或复杂数值估算等影响因素，同时降低成本及计算复杂度。

51、4、本发明的基于系统响应特性的模糊pi控制器设计方法利用模糊控制结合pi控制器的方式，根据系统状态实时更新kp、ki参数。能使系统响应更及时且具有更好的鲁棒性。