基于模糊自整定PI控制的流速仪检定车调速系统研究与设计

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本文主要内容是流速仪检定车调速系统及控制算法的研究与设计。针对调速系统速度环采用PI控制时存在超调小、调节快难以兼顾且需整定多组PI参数的不足,本文在速度环中采用模糊自整定PI控制算法,克服PI控制时存在的不足,实现系统高效、高精度调速。本文在广泛调研国内外流速仪自动检定平台和深入学习水文行业相关检定标准的基础上,从流速仪检定系统和流速仪工作原理出发,对检定系统进行了总体设计,包括检定车速度控制系统、流速仪转率信号采集系统、车上车下通信系统、水槽、轨道等方面设计。在此基础上,对检定车的调速系统及调速系统配套设备做了较为详尽的分析和设计,由于检定车的调速范围大,且要求在调速区间内实现高精度平滑调速,因此选用直流调速方法对检定车进行调速。为确保整套调速系统设计的完整性和合理性,本文对系统中所用的直流电机进行了选型,对调速系统的相关参数进行了估算,对选用的西门子6RA8025直流调速器的相关功能进行了分析和配置。检定工作进行的基础条件是获得多个恒定的车速来模拟不同的水流流速,所以检定车车速的高精度、高效控制是本文的研究重点。由于直流双闭环调速系统具有优异的调速性能,故本文的检定车采用双闭环调速。利用典型Ⅰ、Ⅱ型系统分别对电流环、转速环进行控制器参数设计,通过Matlab仿真获得了直流双闭环调速系统的各参数响应,由于仿真模型按实际情况在各输出环节加入了限幅作用,当电流环或速度环输出达到饱和时,该环控制器就会失去控制作用,所以,固定的P、I参数很难同时满足调节快、超调小的调速要求,同时,检定车至少需要工作在16个速度点上,对应的P、I参数也将有多组。针对PI参数不能自动整定且组数多的问题,本文采用模糊自整定PI控制算法,通过模糊推理实时调节PI控制器中比例项、积分项在不同阶段的作用强度,使系统达到调节快、超调小的较好兼顾,改善检定车速度控制性能,同时,利用遗传算法对模糊控制器的量化因子、比例因子等参数进行优化,使控制系统获得更好的性能。通过对比仿真发现,相比于PI控制,速度环采用模糊自整定PI控制后,高、低速段的超调有了明显降低,从之前10%以上下降到了 3%以内,相应的调节时间也缩短了约0.2s,从而验证了模糊自整定PI控制相比于PI控制具有更好的控制性能。
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