基于MATLAB_SIMULINK的直流电机模糊控制的仿真

理论与设计

基于MATLAB/SIMULINK的直流电机模糊控制的仿真

周小波 王群京 陈 伟 周嗣理

安徽大学（230039）

Fuzzy Control Simulation for Dc Motor Based on MATLAB/SIMULINK

Zhou Xiaobo Wang Qunjing Chen Wei Zhou Sili

Anhui University

双闭环调速系统[2]。

摘 要：介绍了直流电机的双闭环调速原理，并用

M A T L A B构建了直流电机转速、电流双闭环调速系统的

模型。转速环采用模糊控制器，与传统的P I调节器进行

比较，模糊控制器具有更好的控制性能。

关键词：双闭环 模糊控制 直流电机SIMULINK

Abstract: The principle of double-closed-loop speed

regulation system for dc motors was introduced and model

of it was established by means of MATLAB. The speed loop employed the fuzzy logical control. Compared with the traditional PI control, the fuzzy logical controller had better performance.

Keywords:Dual-closed-loop Fussy logical controller DC motor

由于直流电机系统本身的非线性，当被控对象特性发生变化时，P I调节器难以保持良好的控制性能。因此本文设计了基于模糊自调节的P I控制器，根据专家的在线调整，以M A T L A B/ S I M U L I N K为工具箱，建立直流电机的常规控制和模糊控制的仿真模型。

1 双闭环调速系统

1.1 双闭环调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中分别设置两个调节器以调节转速和电流。从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环，转速环在外面，称为外环，形成了转速、电流1.2 双闭环调速系统的仿真

转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型如图2，由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器和直流电机等组成。给定转速为100r a d/s，电流反馈系数为0.15，速度反馈系数为1，平波电抗器的电感值为5m H。转速调节器采用P I调节器，按照典型Ⅱ系统[2]设计，其参数为：K S P=12，K S I=1，输出限幅值为[40 -40]。电流环作用是限制电流，因此一般将电流环校正为典型Ⅰ系统，电流调节器采用PI调节器，其参数为：K C P=20，K C I=1.5，输出限幅值为[130 -130]。仿真结果如图3和图4。

图1 双闭环调速系统框图

图2

双闭环调速系统仿真

8 2010年第1期 《电机技术》

2010 年第 1 期 9

《电机技术》理论与设计

2 模糊控制系统简介

2.1 模糊控制器的结构和模糊化

模糊自整定PI控制器由参数可调整的PI控制器和模糊控制器组成，其控制原理框图如图5。

2.2 模糊控制规则及其语言描述

参数模糊自调整P I D控制器就是找出在不同时刻P I的两个参数与e和e c间的模糊关系，在运行中不断检测e和e c，根据模糊控制原理对K P 和K I 在线修改。由前人的经验得知被控过程对参数K P 、K I 的自整定要求如下[3]：

（1）当偏差较大时，为加快系统的响应速

度，应取较大的K P ，同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应限制积分作用，即取较小的K I 。 （2）当e和e c为中等大小时，为使系统响应有较小的超调，K P 应取小一些，K 1取值要适当。

（3）当e较小，接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加K P 和K 1的取值。

（4）e c的大小表明偏差变化的速率，e c值越大，K P 取值越小，K 1取值越大。

根据K P 、K I 对系统输出特性的影响，归纳出在不同的e和e c时，被控参数K p 、K I 的自整定要求，模糊控制规则见表1和表2。

表1 K P 的控制规则

e

ec NB

NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO

PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM

PS ZO NS NM NM NM NB PB

ZO

ZO

NM

NM

NM

NB

NB

表2 K I 的控制规则

e

ec

NB

NM NS ZO PS PM PB NB

NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NS

NB NM NS NS ZO PS PS ZO NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PB

ZO

ZO

PS

PM

PM

PB

PB

根据模糊规则表，在M A T L A B的模糊编辑

器中编写模糊控制规则的语言。

图3 双闭环仿真系统电流仿真波形2001501005000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

图4 双闭环仿真系统转速仿真波形

2001501005000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

模糊控制器以偏差e和偏差变化率e c为输入

量，通过模糊规则对P I参数进行在线修改以满足不同时刻e和e c对P I参数自调整的要求。其中e和e c的论域为均定义为（-10 10），划分为七个等级，其模糊集子集为{N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B}，其含义依次为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。同样，设定输出量K p、K I的模糊子集也为{N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B}，K P的论域为（05），K I的论域为（03）。输入输出变量的隶属函数曲线如图6~图8。

图5 模糊PI控制结构框图

r

e

K p

K I

y

图6 输入e、ec隶属函数曲线

1

0.5

NB

NM

NS

ZO

PS

PM

PB

1

2

3

4

5

9

10

6

7

8

图7 输出KP隶属函数曲线

1

0.5

NB NM

NS

ZO

PS

PM

PB

0.5

1

1.5

2

2.5

4.5

5

3

3.5

4

图8 输出KI隶属函数曲线

1

0.5

00

NB NM

NS

ZO

PS

PM

PB

0.5

1

1.5

2

2.5

3