1、1緒論直流電動機經常被當做控制元件來使用，離生活越來越近。PID控制法是控制直流電機常用的方法。在有些情況下，控制器都是在對象有精確數學模型的基礎上建立起來的1。如今研究的控制系統中將會經常涉及到多變量、非線性、時變的系統，在這種情況下，要建立數學模型也是非常困難的，或者根本不能建立模型。傳統的控制理論迎來了新的挑戰。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上設計出了模糊控制器，而且它能夠模仿操作員工的手動控制。這種模糊控制器對已知受控對象的數學模型無明確的要求，但需注意：模糊控制器對已知被控對象的數學模型無明確的要求，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學模型表達的。所以，在直流電動機中應用模糊控制對現代生活有著重大的意義，也是一個里程碑。2前言隨著時代的發展，交流和直流調速不斷沖擊著，但是我國在這個直流調速領域中的研究不斷深入，專家們研制出了全數字直流調速系統3。這個調速系統有著較高的精度，而且很實用。直流調速系統有穩速、調速和加減速這個三種控制要求。在目前的控制過程中，對于調速和加減速已經得到了良好的實現，但是在生產過程中穩速的效果不是很理想。穩速需要的是電機在一定的精度以所規定的的轉速穩定運行，在某些干擾下，轉速波動也不會有大的變化。在某些情

3、況下，受控對象和負載參數的變化很快，使得PID調節器沒辦法及時適應，因此穩速的要求很難達到標準。直流電動機本身是一個非線性的被控制對象，有許多的間隙性和彈性的擾動存在，如果有很多的變化量，PID調節器將無法顧及。以致最終的設計結果不能達到設計時所需的要求，將會得到魯棒性較差的控制系統。在這樣的系統中常規的PID常常不能有效地克服負載、非線性因素和模型參數的變化因而無法達到高精度和快響應的要求。所以在生產過程中這種控制器很難滿足生產要求。模糊控制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應性強，通過和PID調節器的結合，組成模糊PID的控制方案能有效地克服常規數字直流電動機調速裝置的缺點，進而設

4、計出能在各種情況下，均可以使得直流電動機能達到穩定轉速精度的要求。3模糊控制系統概述隨著科學技術的不斷發展，專家對模糊控制理論的研究越來越深入。專家為了滿足生產過程的需要，設計出了模糊控制系統。下面介紹模糊控制系統。3.1 模糊控制系統組成模糊控制系統的結構如圖3.1所示。圖3.1模糊控制系統結構圖它由組成模糊控制器、A/D、D/A轉換、執行機構、被控對象、傳感器組成3.2 模糊控制系統的工作原理模糊控制系統的工作原理結構圖如圖3.2所示。給定值+圖3.2模糊控制系統的工作原理圖模糊控制系統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主要的組成部分。模糊控制具體過程可以分為

5、以下六個步驟：(1)求系統給定值與反饋值之間的誤差。計算機通過采樣，把所得到系統被控量的精確值與給定值進行比較記錄兩者之間的差值。(2)計算在一個A/D采樣周期內的誤差變化率。(3)輸入量的模糊化。前面兩個計算的結果中，兩個都是精確值，在接下來的過程中，把這兩個量模糊化，使其變為模糊量，并把這兩個語言變量的值變成在適當論域上的模糊子集。(4)控制規則。是整個模糊控制器最為關鍵的一部分，體現了現場操作人員的多年的操作經驗和專業人員的知識。(5)模糊推理。輸入量為模糊化之后的語言變量，再根據總的控制規則，進行模糊推理得到模糊控制量。(6)模糊判決。由上述產生的控制量通過計算得出精確的輸出量，并按照

6、精確量執行。3.3 模糊控制器的一般設計步驟如上所述，直流電機的模糊控制系統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速和實際的轉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化為模糊量，然后送至模糊邏輯決策器使用，并把控制系統中的模糊關系按照要求確定下來，隨后根據的算法算出它的輸出量。第三步把這個模糊值去模糊化，變成精確值，方便執行機構的執行。所以，在完整的系統控制過程中，這三個步驟可簡稱為：模糊化過程、模糊邏輯推理和精確化計算40其詳細步驟如下：模糊化過程：把輸入的精確值轉化為模糊值，即將數字量的表現形式轉化為相應的模糊子集，這個過程通

7、過隸屬度函數實現。對于任一個實際輸入量，至少有一個模糊子集的隸屬度函數大于0,所以每個實際輸入量都必有一個模糊子集與之對應。(2)模糊推理：根據在操作控制系統前制定的模糊條件，組成所需的模糊控制規則。最后用這個規則計算所需的模糊輸出量。精確化計算：經過模糊推理就可以計算出一個模糊集合。精確化過程包含兩方面。第一個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過尺度的變換，變成實際的控制量范圍的清晰量。在精確化計算的過程中，常用的方法有最大隸屬度函數法、重心法這兩種。4直流電機的PID控制及其仿真直在某些情況下，受控對象和負載參數的變化很快，使得P

8、ID調節器沒辦法及時適應，因此穩速的要求很難達到標準。直流電動機本身是一個非線性的被控制對象，有許多的間隙性和彈性的擾動存在，如果有很多的變化量，PID調節器將無法顧及。以致最終的設計結果不能達到設計時所需的要求，將會得到魯棒性較差的控制系統，在生產過程中這種控制器很難滿足生產要求。而模糊控制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應性強，通過和PID調節器想結合，可使直流電動機能達到穩定轉速精度的要求54.1 直流電機雙閉環調速系統結構及分析直流電機雙閉環調速系統結構原理圖，如圖4.1所示。圖4.1直流電機雙閉環調速系統結構原理圖雙閉環直流調速系統有著很廣泛的應用，它的結構圖也是眾所周知。

9、它有一個負反饋的電流環，稱為內環；還有個轉速環也是負反饋，稱為外環。這兩個環組成了電流調節器(ACR)和轉速調節器(ASR),它們通過串聯而形成了整個調速系統。如圖4.1所示。圖中的E是電樞反電動勢，它是在勵磁作用下形成的。轉速調節器的輸出的結果進而轉化為電流調節器的輸入。然后在利用電流調節器的輸出值去激發晶閘管的觸發裝置。最后經過轉速調節器的限幅裝置和反饋通道的增益，使得電動機在最短的時間達到啟動和停止的要求。4.2 直流調速系統的PID仿真及分析直流電動機的主要參數如下:電動機：額定電壓Unom=220V,額定電流Inom=136A,額定*$速nnom=1460r/min,電勢常數Ce=0

10、.132*min/r。允許的過載倍數為1.5。晶閘管裝置的放大系數Ks=40。電樞回路總電阻R=0.5QO電磁時間常數：Ti=0.03so機電時間常數：Tm=0.18s。電流的反饋系數B=0.05V/A轉速的反饋系數a=0.007V*min/r）要求設計時電流調節器時電流超調量小于或等于5%,設計轉速調節器時轉速超調量小于或等于10%.(1)電流調節器的設計WACR=Ki(TiS+1)根據超調量可得Ki=1.013,Ti=0.03所以TiSwacrJ.013003s+1)0.03S(2)轉速調節器的設計Wasr=Kn(TnS+1),根據超調量可得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PID控制的仿真如圖4.2所示。當給定電壓Un=10V,steptime=0s,加載負載電流I1=0A時，即為空載的情況下,系統的轉速變化曲線如圖4.3所示。FimB,1!r1«fr：a1r'：,-B-；r,.=»J:.-iBA;：二：J/:J:1000»""r,r”產: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時間圖4.3傳統直流電機空載時的仿真曲線圖當給定電壓Un=10V,steptime=0s當轉速達到穩定后，在2s時加入額定負載電流為Ii=136A,接近額定負載時系統的轉速變化曲線如圖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時間t圖4.4直流電機PID控制負載下的曲線仿真圖5直流電機模糊控制及其仿真模糊控制是新的一種控制方式，在直流電機中有著很重要的作用，下面詳細的介紹下直流電機的模糊控制系統5.1模糊控制器的編輯直流電機的模糊控制系統具體工作步驟如下：根據工業生產的要求給定一個額定的轉速值，然后測量真實的轉速，得到兩者之間的轉速差。繼而經過模糊化變為模糊變量，經過模糊推理，最后去模糊化得到真正地精確量。

14、直流電機調速模糊控制系統的核心是模糊控制器，所以本論文的重點就是模糊控制器的設計。本次仿真是采用MATLAB模糊推理系統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算。(2)確定個輸入出變化量的變化范圍及量化因子。(3)模糊規則編輯。(4)模糊推理。(5)輸出預覽。1.2 直流調速系統中模糊控制器的設計按照一般步驟對模糊控制直流電機調速系統進行設計：(1)在設計的時候，根據需要控制的對象確定該用什么結構的模糊控制器。(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)確定模糊控制規則。(4)模糊關系和模糊矩陣。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，它包含了兩個輸入量和一個輸出量。在實際的控制系統中，兩個輸入量一般為系統偏差和偏差的變化率。由于二維模糊控制器同時考慮了偏差和偏差的變化的影響，所以它的性能優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字計算機環境下的函數集成體。它的功能應有盡有，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、簡潔的設計仿真和分析模糊控

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輸入輸出量設置對于誤差e,論域是離散的，其論域取-10,+10,設置7個隸屬度函數，分別為NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、O（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大），即隸屬函數有7條，隸屬形狀為三角形（trimf）。如圖5.3所示。圖5.3e的隸屬度函數編輯圖對于變化率ec,論域是離散的，其論域取0,1,設置5個隸屬度函數，分別為NB、NS、O、PS、PB,即隸屬函數有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,設置7個隸屬度函數，分別為NB、NM、NS、O、PS

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

18、況，為點擊View菜單中的Surfview選項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的輸入，輸出情況。最后使用File菜單中的Export選項將做好的模糊推理系統保存到磁盤（disk）和工作區(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建立模糊控制系統的仿真，本次設計系統采用的是二維的模糊控制器結構，在這個模糊控制器的設計過程中，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Ku。Ke、Kc、Ku的計算方法如下:(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在取值時為模糊控制的變化范圍。通過計算得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在取值時為模糊控制的變化范圍。通過計算得模糊控制系統仿真如圖5.9所示圖5.9模糊控制系統仿真圖其中stepl負載的參數設置，如圖5.10所示。圖5.10step的參數設置圖建成仿真模型之后雙擊FuzzyLogicController選擇LookUnderMask,輸入mhkz建立聯系。當成功建立聯系后，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5.12兩次實驗可以發現，采用傳統PID控制得到的輸出波形在快速響應方面做得較好，能較快的達到穩態值。但是從圖