基于模糊控制的曳引机转速测控系统仿真研究

摘要：

电梯曳引机转速测控是电梯控制系统中不可或缺的组成部分，也是影响电梯运行可靠性及乘客舒适感的主要因素。依据PID控制理论、模糊控制理论，引入模糊-PID控制原理，利用MATLAB，实现了曳引机转速测控系统的分析、设计及模拟仿真。

关键词：电梯曳引机；转速；模糊-PID控制；模拟仿真

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2016.12.098

0概述

曳引机转速测控技术是电梯安全的技术保障，是实现曳引机转速闭环控制的重要保证，也是对曳引机转速控制器优化的必需条件。曳引机转速控制效果好坏、转速输出和给定输入的比较、速度特性曲线等，必须以精确测控转速作为基础。

电梯曳引机转速PID控制器控制一般采用数字式算法，主要是在上位机通过软件编程实现，对数据可靠性的依赖性很大。我们在大量的电梯控制研究实践中，由于考虑测量对象的非线性和时变性的特点，在实际操作中很难建立精准的数学模型，这正是传统PID控制的局限性在实践应用中体现。本文从智能控制技术的角度出发，将模糊控制理论和PID控制相互结合，对转速进行控制。

1模糊-PID控制原理

模糊-PID控制是将模糊控制与传统的PID控制相互结合的控制技术。以输入误差e和误差变化率ec作为模糊控制器的输入值，选择PID控制器的三个参数的修正量KP，KI，KD作为输出值。通过在运行时，不断的检测输入误差e和误差变化率ec，利用确定的输入、输出模糊量与e、ec之间相互关系，确定各值的模糊集、模糊论域和模糊控制规则，并将这些信息并作为数据库（data base）与规则库（rule base）。计算机采用确定的模糊推理规则，可以对PID的参数值进行在线调整，根据不同通过调整来满足不同e和ec对控制参数的不同要求，从而改善控制系统的性能。

2控制系统模糊-PID控制器设计

2.1输入、输出量的模糊化

选择设备转速的偏差e以及转速偏差变化率ec（ec=de/dt）作为控制器的输入量，设定PID控制器的三个参数KP，KI，KD的增量KP，KI，KD为输出量。

2.1.1模糊集的定义

输入量偏差E、偏差变化率EC和输出量KP，KI，KD的模糊集可作定义：[NB，NM，NS，O，PS，PM，PB]。

2.1.2论域的定义

输入量偏差E的论域为[-160 160]，偏差变化率EC的论域为[-100 100]，KP，的论域为[0 5]，KI，的论域为[0 5]，KD的论域为[0 1]。

2.1.3取值

本系统中输入的量化因子，根据曳引机的实际工作状况分别取为KE=0.145，KEC=0.25。E为960r/min和EC为200。为了使PID转速控制控制系统得到闭环控制，并取得较好的调速特性，我们取KP=1、KI=5和KP，KD=0.17。

2.2确定隶属度函数

对于系统中输入、输出语言各变量值的隶属度函数类型及其参数选择，系统是利用MATLAB中的隶属度函数编辑器的功能，进行的编辑和修改。本系统中采用三角隶属度函数和Mamdani模糊推理，得出了如下的各输入输出量的隶属度函数：

2.3确定模糊控制规则

根据大量的实际控制研究的经验，进行了公式化后，建立合理的模糊控制规则。我们将规则描述如下语言：if e is A and ec is B then KPis C and KIis D and KDis E，以此对本文中的三个PID控制参数Kp、Ki、Kd进行了在线修正，以修正由于系统非线性等原因对系统控制性能的较大影响。三个参数KP，KI，KD的增量KP，KI，KD是随着e和ec的变化而确定的，故本系统确定相应的模糊规则表如表1，表2，表3所示。

2.4去模糊化（清晰化）处理

利用模糊逻辑工具箱的模糊规则编辑器，将表1、表2、表3分别建立模糊规则，之后，我们在选择去模糊化方法时，采用面积平分法（bisector）对其进行去模糊化（清晰化）处理，打开输出曲面观察器，模糊推理输入输出曲面视图如图7所示。

3模糊-PID控制器的仿真

我们选择在MATLAB Simulink进行仿真研究，首先将模糊-PID与设备模型进行封装，然后搭建如图8所示的模糊-PID控制器仿真结构图。结构图中上半部为模糊-PID控制器，下半部为普通PID控制器，两者进行显示、对比。设定的电动机转速为1500r/min，仿真后的转速曲线如图9所示。

图9中蓝实线为模糊PID控制器的仿真曲线，红虚线为普通PID控制仿真器曲线，在设计的模糊PID控制器的作用下的系统，其超调量不超过为5.8%；无模糊控制环节的系统，系统的超调量已经接近12%，远比模糊PID控制器的超调量要大。对上图分析，我们可以得出结论：模糊-PID控制器对于设备转速的控制效果基本达到令人满意的程度，整个系统也具有良好的动态和静态性能。

4结语

本文主要对电梯曳引机的控制系统及其智能控制方法进行了研究。分析了模糊-PID的原理，接着建立了比较合理数学模型，并形成了一套完整的模糊-PID控制器，并运用MATLAB Simulink对设备进行了仿真分析，其结果显示设计的模糊-PID控制器具有良好的稳态和动、静态性能。

参考文献

[1]孙传友，孙晓斌.测控系统原理与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]群，钟毓宁.机械控制工程基础[M].武汉：武汉理工大学出版社，2001.

[3]张磊，郭莲英.MATLAB实用教程[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4]基于MATLAB的系统分析与设计-控制系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.