1、1緒論直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)常被當(dāng)做控制元件來使用，離生活越來越近。PID控制法是控制直流電機(jī)常用的方法。在有些情況下，控制器都是在對象有精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立起來的1。如今研究的控制系統(tǒng)中將會經(jīng)常涉及到多變量、非線性、時(shí)變的系統(tǒng)，在這種情況下，要建立數(shù)學(xué)模型也是非常困難的，或者根本不能建立模型。傳統(tǒng)的控制理論迎來了新的挑戰(zhàn)。一種可以處理語言信息能力的模糊控制理論的提出克服了上面的問題。在模糊控制理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了模糊控制器，而且它能夠模仿操作員工的手動(dòng)控制。這種模糊控制器對已知受控對象的數(shù)學(xué)模型無明確的要求，但需注意：模糊控制器對已知被控對象的數(shù)學(xué)模型無明確的要求，并不是在對受控對象無了解的情況下

2、提出的2o恰恰相反，它仍然需要對受控對象有一定的了解，只不過它們是以知識的模型的形式而并不是用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的。所以，在直流電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用模糊控制對現(xiàn)代生活有著重大的意義，也是一個(gè)里程碑。2前言隨著時(shí)代的發(fā)展，交流和直流調(diào)速不斷沖擊著，但是我國在這個(gè)直流調(diào)速領(lǐng)域中的研究不斷深入，專家們研制出了全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)3。這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)有著較高的精度，而且很實(shí)用。直流調(diào)速系統(tǒng)有穩(wěn)速、調(diào)速和加減速這個(gè)三種控制要求。在目前的控制過程中，對于調(diào)速和加減速已經(jīng)得到了良好的實(shí)現(xiàn)，但是在生產(chǎn)過程中穩(wěn)速的效果不是很理想。穩(wěn)速需要的是電機(jī)在一定的精度以所規(guī)定的的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，在某些干擾下，轉(zhuǎn)速波動(dòng)也不會有大的變化。在某些情

3、況下，受控對象和負(fù)載參數(shù)的變化很快，使得PID調(diào)節(jié)器沒辦法及時(shí)適應(yīng)，因此穩(wěn)速的要求很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。直流電動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控制對象，有許多的間隙性和彈性的擾動(dòng)存在，如果有很多的變化量，PID調(diào)節(jié)器將無法顧及。以致最終的設(shè)計(jì)結(jié)果不能達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)所需的要求，將會得到魯棒性較差的控制系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中常規(guī)的PID常常不能有效地克服負(fù)載、非線性因素和模型參數(shù)的變化因而無法達(dá)到高精度和快響應(yīng)的要求。所以在生產(chǎn)過程中這種控制器很難滿足生產(chǎn)要求。模糊控制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應(yīng)性強(qiáng)，通過和PID調(diào)節(jié)器的結(jié)合，組成模糊PID的控制方案能有效地克服常規(guī)數(shù)字直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置的缺點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)

4、計(jì)出能在各種情況下，均可以使得直流電動(dòng)機(jī)能達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求。3模糊控制系統(tǒng)概述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，專家對模糊控制理論的研究越來越深入。專家為了滿足生產(chǎn)過程的需要，設(shè)計(jì)出了模糊控制系統(tǒng)。下面介紹模糊控制系統(tǒng)。3.1 模糊控制系統(tǒng)組成模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖它由組成模糊控制器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象、傳感器組成3.2 模糊控制系統(tǒng)的工作原理模糊控制系統(tǒng)的工作原理結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。給定值+圖3.2模糊控制系統(tǒng)的工作原理圖模糊控制系統(tǒng)組成部分為模糊控制器。輸入量模糊化、模糊推理和去模糊化是它的三個(gè)主要的組成部分。模糊控制具體過程可以分為

5、以下六個(gè)步驟：(1)求系統(tǒng)給定值與反饋值之間的誤差。計(jì)算機(jī)通過采樣，把所得到系統(tǒng)被控量的精確值與給定值進(jìn)行比較記錄兩者之間的差值。(2)計(jì)算在一個(gè)A/D采樣周期內(nèi)的誤差變化率。(3)輸入量的模糊化。前面兩個(gè)計(jì)算的結(jié)果中，兩個(gè)都是精確值，在接下來的過程中，把這兩個(gè)量模糊化，使其變?yōu)槟：浚堰@兩個(gè)語言變量的值變成在適當(dāng)論域上的模糊子集。(4)控制規(guī)則。是整個(gè)模糊控制器最為關(guān)鍵的一部分，體現(xiàn)了現(xiàn)場操作人員的多年的操作經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)人員的知識。(5)模糊推理。輸入量為模糊化之后的語言變量，再根據(jù)總的控制規(guī)則，進(jìn)行模糊推理得到模糊控制量。(6)模糊判決。由上述產(chǎn)生的控制量通過計(jì)算得出精確的輸出量，并按照

6、精確量執(zhí)行。3.3 模糊控制器的一般設(shè)計(jì)步驟如上所述，直流電機(jī)的模糊控制系統(tǒng)的核心器件是模糊控制器。其工作過程如下:第一步是將給定的轉(zhuǎn)速和實(shí)際的轉(zhuǎn)速兩者相減之后得到的值作為模糊控制器的輸入量。第二步是通過模糊算法把第一步的精確值轉(zhuǎn)化為模糊量，然后送至模糊邏輯決策器使用，并把控制系統(tǒng)中的模糊關(guān)系按照要求確定下來，隨后根據(jù)的算法算出它的輸出量。第三步把這個(gè)模糊值去模糊化，變成精確值，方便執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行。所以，在完整的系統(tǒng)控制過程中，這三個(gè)步驟可簡稱為：模糊化過程、模糊邏輯推理和精確化計(jì)算40其詳細(xì)步驟如下：模糊化過程：把輸入的精確值轉(zhuǎn)化為模糊值，即將數(shù)字量的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊子集，這個(gè)過程通

7、過隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)。對于任一個(gè)實(shí)際輸入量，至少有一個(gè)模糊子集的隸屬度函數(shù)大于0,所以每個(gè)實(shí)際輸入量都必有一個(gè)模糊子集與之對應(yīng)。(2)模糊推理：根據(jù)在操作控制系統(tǒng)前制定的模糊條件，組成所需的模糊控制規(guī)則。最后用這個(gè)規(guī)則計(jì)算所需的模糊輸出量。精確化計(jì)算：經(jīng)過模糊推理就可以計(jì)算出一個(gè)模糊集合。精確化過程包含兩方面。第一個(gè)方面將模糊的控制量通過清晰化的變換，最后在論域上表示出來。第二方面是將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)過尺度的變換，變成實(shí)際的控制量范圍的清晰量。在精確化計(jì)算的過程中，常用的方法有最大隸屬度函數(shù)法、重心法這兩種。4直流電機(jī)的PID控制及其仿真直在某些情況下，受控對象和負(fù)載參數(shù)的變化很快，使得P

8、ID調(diào)節(jié)器沒辦法及時(shí)適應(yīng)，因此穩(wěn)速的要求很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。直流電動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控制對象，有許多的間隙性和彈性的擾動(dòng)存在，如果有很多的變化量，PID調(diào)節(jié)器將無法顧及。以致最終的設(shè)計(jì)結(jié)果不能達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)所需的要求，將會得到魯棒性較差的控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中這種控制器很難滿足生產(chǎn)要求。而模糊控制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應(yīng)性強(qiáng)，通過和PID調(diào)節(jié)器想結(jié)合，可使直流電動(dòng)機(jī)能達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求54.1 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分析直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖4.1所示。圖4.1直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有著很廣泛的應(yīng)用，它的結(jié)構(gòu)圖也是眾所周知。

9、它有一個(gè)負(fù)反饋的電流環(huán)，稱為內(nèi)環(huán)；還有個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)也是負(fù)反饋，稱為外環(huán)。這兩個(gè)環(huán)組成了電流調(diào)節(jié)器(ACR)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR),它們通過串聯(lián)而形成了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。如圖4.1所示。圖中的E是電樞反電動(dòng)勢，它是在勵(lì)磁作用下形成的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出的結(jié)果進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電流調(diào)節(jié)器的輸入。然后在利用電流調(diào)節(jié)器的輸出值去激發(fā)晶閘管的觸發(fā)裝置。最后經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅裝置和反饋通道的增益，使得電動(dòng)機(jī)在最短的時(shí)間達(dá)到啟動(dòng)和停止的要求。4.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的PID仿真及分析直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下:電動(dòng)機(jī)：額定電壓Unom=220V,額定電流Inom=136A,額定*$速nnom=1460r/min,電勢常數(shù)Ce=0

10、.132*min/r。允許的過載倍數(shù)為1.5。晶閘管裝置的放大系數(shù)Ks=40。電樞回路總電阻R=0.5QO電磁時(shí)間常數(shù)：Ti=0.03so機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=0.18s。電流的反饋系數(shù)B=0.05V/A轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)a=0.007V*min/r）要求設(shè)計(jì)時(shí)電流調(diào)節(jié)器時(shí)電流超調(diào)量小于或等于5%,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于或等于10%.(1)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)WACR=Ki(TiS+1)根據(jù)超調(diào)量可得Ki=1.013,Ti=0.03所以TiSwacrJ.013003s+1)0.03S(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)Wasr=Kn(TnS+1),根據(jù)超調(diào)量可得Kn=11.7,Tn=0.087,TnS所以Wa

11、srJ.7。087s+1)0.087S1.1 =7.58,=2.78CeTmMatlab仿真軟件下建立的傳統(tǒng)PID控制的仿真如圖4.2所示。當(dāng)給定電壓Un=10V,steptime=0s,加載負(fù)載電流I1=0A時(shí)，即為空載的情況下,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4.3所示。FimB,1!r1«fr：a1r'：,-B-；r,.=»J:.-iBA;：二：J/:J:1000»""r,r”產(chǎn):睥:;1uJ:'：；50041F，»，.，.>>>!>>>,""r-*r1'&#

12、171;'''"rprKr-.li-1-r.ri.i.-r.r-rBi:;?i:Ig-t-5ao.L1J.1-JIJU00.511.52Z533.5時(shí)間圖4.3傳統(tǒng)直流電機(jī)空載時(shí)的仿真曲線圖當(dāng)給定電壓Un=10V,steptime=0s當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定后，在2s時(shí)加入額定負(fù)載電流為Ii=136A,接近額定負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4.4所示LIU11)111-B!"_-2D00'ML-,-S-S-1-1,r,-i-r,-i-,P.g,F-：；,mJ:1:：1500I.:r；j1匚：1000'r.Bn»r,ri!>rir

13、>B.,r.H.-.r.B|.r,Bi1r-.ri!.r«.-.rle.9r-.e.!.rnP.9r-.r.a；粹1:1:1；;：；：,.-8I:;:;:Enniii00,511.522.5335時(shí)間t圖4.4直流電機(jī)PID控制負(fù)載下的曲線仿真圖5直流電機(jī)模糊控制及其仿真模糊控制是新的一種控制方式，在直流電機(jī)中有著很重要的作用，下面詳細(xì)的介紹下直流電機(jī)的模糊控制系統(tǒng)5.1模糊控制器的編輯直流電機(jī)的模糊控制系統(tǒng)具體工作步驟如下：根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求給定一個(gè)額定的轉(zhuǎn)速值，然后測量真實(shí)的轉(zhuǎn)速，得到兩者之間的轉(zhuǎn)速差。繼而經(jīng)過模糊化變?yōu)槟：兞?，?jīng)過模糊推理，最后去模糊化得到真正地精確量。

14、直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，所以本論文的重點(diǎn)就是模糊控制器的設(shè)計(jì)。本次仿真是采用MATLAB模糊推理系統(tǒng)工具箱來編輯模糊控制器，下面簡述編輯的過程：(1)模糊集合的編輯和運(yùn)算。(2)確定個(gè)輸入出變化量的變化范圍及量化因子。(3)模糊規(guī)則編輯。(4)模糊推理。(5)輸出預(yù)覽。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)中模糊控制器的設(shè)計(jì)按照一般步驟對模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)：(1)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，根據(jù)需要控制的對象確定該用什么結(jié)構(gòu)的模糊控制器。(2)確定輸入變量和輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度。(3)確定模糊控制規(guī)則。(4)模糊關(guān)系和模糊矩陣。1.3 模糊控制器的選擇模糊控制器有很多種模型，如

15、圖5.1所示，本文采用的是二維的模糊控制器，它包含了兩個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，兩個(gè)輸入量一般為系統(tǒng)偏差和偏差的變化率。由于二維模糊控制器同時(shí)考慮了偏差和偏差的變化的影響，所以它的性能優(yōu)于一維的模糊控制器。這也是二維的模糊控制器比較常用的原因。模糊控制器模糊控制器二維模糊控制黯圖5.1模糊控制器模型1.4 模糊控制的MATLA的真及其分析MATLAB模糊邏輯工具箱是數(shù)字計(jì)算機(jī)環(huán)境下的函數(shù)集成體。它的功能應(yīng)有盡有，本次使用的是MATLAB的仿真功能。它里面有模糊邏輯系統(tǒng)的命令行和圖形用戶界（GUI）面兩種仿真方式，本次使用的是GUI這種方式。它可以直觀、簡潔的設(shè)計(jì)仿真和分析模糊控

16、制器6。下面為編輯模糊控制器的步驟，編輯過程如下。圖5.2輸入輸出量設(shè)置對于誤差e,論域是離散的，其論域取-10,+10,設(shè)置7個(gè)隸屬度函數(shù)，分別為NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PB（正大），即隸屬函數(shù)有7條，隸屬形狀為三角形（trimf）。如圖5.3所示。圖5.3e的隸屬度函數(shù)編輯圖對于變化率ec,論域是離散的，其論域取0,1,設(shè)置5個(gè)隸屬度函數(shù)，分別為NB、NS、O、PS、PB,即隸屬函數(shù)有5條，隸屬形狀為三角形（trimf）。如圖5.4所示。對于輸出u,論域是離散的，其論域均取0,10,設(shè)置7個(gè)隸屬度函數(shù)，分別為NB、NM、NS、O、PS

17、、PM、PB,即隸屬函數(shù)有7條，隸屬形狀為三角形（trimf）如圖5.5所示。圖5.5u的隸屬度函數(shù)編輯圖點(diǎn)擊Edit菜單中的Rules選項(xiàng)打開模糊控制編輯器（Ruleedit）,將需要建立的模糊控制規(guī)則表添加到規(guī)則庫中。其模糊控制規(guī)則見表5.1。表5.1模糊控制規(guī)則表ueNBNMNSOPSPMPBecNBPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMONSNSOPMPMPSONSNMNMPSPSPSONMNMNMNMPBOONMNBNBNBNB規(guī)則編輯結(jié)果如圖5.6所示圖5.6模糊規(guī)則輸入界面點(diǎn)擊View菜單中的Rules選項(xiàng)可以打開模糊規(guī)則觀察器如圖5.7所示，觀察模糊推理系統(tǒng)的輸入，輸出情

18、況，為點(diǎn)擊View菜單中的Surfview選項(xiàng)可以打開模糊推理輸入輸出特性曲面如圖5.8所示，以圖形形式顯示模糊系統(tǒng)的輸入，輸出情況。最后使用File菜單中的Export選項(xiàng)將做好的模糊推理系統(tǒng)保存到磁盤（disk）和工作區(qū)(toworkspace),取名為mhkz.fis。圖5.8輸出特性曲面圖建立上述模糊控制器之后，按照下圖5.9建立模糊控制系統(tǒng)的仿真，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是二維的模糊控制器結(jié)構(gòu)，在這個(gè)模糊控制器的設(shè)計(jì)過程中，還要合理的選擇模糊控制器輸入變量Ke、Kc,輸出控制量的系數(shù)Ku。Ke、Kc、Ku的計(jì)算方法如下:(5.(1)(5.(2)nKe=Xen為誤差變量模糊子集的最大值，xe

19、為誤差論域的幅值，通過計(jì)算得Ke=20omKc="Xcm為誤差變化率變量模糊子集的最大值，xc為誤差變化率論域的幅值，由于模糊論域的取值為非對稱的，xc在取值時(shí)為模糊控制的變化范圍。通過計(jì)算得Kc=0.001u,、Ku=(5.3)bKu=2u為控制量論域的幅值，b為控制量模糊子集的最大值，由于模糊論域的取值為非對稱的，b在取值時(shí)為模糊控制的變化范圍。通過計(jì)算得模糊控制系統(tǒng)仿真如圖5.9所示圖5.9模糊控制系統(tǒng)仿真圖其中stepl負(fù)載的參數(shù)設(shè)置，如圖5.10所示。圖5.10step的參數(shù)設(shè)置圖建成仿真模型之后雙擊FuzzyLogicController選擇LookUnderMask,輸入mhkz建立聯(lián)系。當(dāng)成功建立聯(lián)系后，中間會顯示FIS,如圖5.11所示。圖5.11FIS與Simulink的連接通過圖4.4和圖5.12兩次實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)PID控制得到的輸出波形在快速響應(yīng)方面做得較好，能較快的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。但是從圖