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

摘要

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。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景与研究意义

1．2流速仪检定系统的特点及发展趋势

1．2．1流速仪简介

1．2．2转子式流速仪检定系统原理

1．2．3流速仪检定系统国内外发展趋势

1．3流速仪检定系统自动调速技术的现状和发展

1．3．1直流电机调速技术的发展

1．3．2国内流速仪自动检定系统调速技术的现状与发展

1．4．1遗传算法背景

1．4．2国内外研究现状

1．5．1主要研究内容

1．5．2主要章节安排

第2章流速仪检定系统分析与总体设计

2．1流速仪的检定系统的工作原理

2．2流速仪的检定系统的设计要求

2．2．1检定车车速控制

2．2．2检定车数据测量的精度指标

2．2．3导轨安装精度

2．3流速仪检定系统的总体设计方案

2．3．1检定车车速控制系统

2．3．2流速仪转率信号采集系统

2．3．3车上车下通信系统

2．3．4系统中滑触线供电系统的设计

2．3．5配套设施

2．4本章总结

第3章流速仪检定车调速系统分析与设计

3．1流速仪检定车调速特点

3．2调速系统类型选择

3．3检定车调速系统组成

3．4检定车调速系统参数估算

3．4．1直流电机相关参数估算

3．4．2传动环节参数估算

3．4．3进线电抗器参数估算

3．4．4调速装置相关参数估算

3．5本章总结

第4章流速仪检定车双闭环调速系统设计

4．1他励直流电机数学模型

4．2直流调速系统可控整流装置的数学模型

4．3转速、电流双闭环直流调速系统起动过程分析

4．4调速系统控制器的工程设计

4．4．1电流环调节器的设计

4．4．2转速环调节器的设计

4．5仿真分析

4．6本章总结

第5章流速仪检定车调速系统模糊自整定PI控制器设计

5．1．1模糊控制基本原理

5．1．2模糊自整定PI控制机理分析

5．1．3模糊自整定PI控制器设计

5．2．1遗传算法流程

5．2．2遗传算法各要素分析

5．3基于遗传算法的模糊自整定PI控制器参数优化设计

5．3．1 ITAE性能指标

5．3．2模糊控制器参数优化

5．4．1仿真过程

5．4．2仿真结果分析

5．5本章总结

第6章总结与展望

6．1本文主要研究成果

6．2工作展望

参考文献

致谢