直流电机模糊控制解析

XXXXX

智能控制理论概论结课作业

题目：直流电机模糊控制系统设计

姓名：XX

学号：XXX

专业：测控技术与仪器

班级：XX-X班

指导教师：XXXX

目录

第一章前言 (1)

第二章直流电机模糊控制系统设计 (2)

2.1 直流电机简介 (2)

2.2直流电机的PID控制 (2)

2.3 模糊控制概述 (2)

2.4 直流电机模糊控制系统的MATLAB仿真及其分析 (3)

第三章结论 (9)

参考文献 (10)

第一章前言

随着时代的发展，交流和直流调速不断冲击着，但是我国在这个直流调速领域中的研究不断深入，专家们研制出了全数字直流调速系统[1]。这个调速系统有着较高的精度，而且很实用，使得直流调速系统成为工业过程中不可缺的一部分。本文将MATLAB 中的模糊控制工具箱和 SIMULINK 有机结合起来，实现了直流电机模糊控制系统的建模与仿真。[3]

模糊控制对被控对象的模型没有明确的要求，而且它的适应性强，通过和PID调节器的结合，组成模糊PID的控制方案能有效地克服常规数字直流电动机调速装置的缺点，进而设计出能在各种情况下，均可以使得直流电动机能达到稳定转速精度的要求。

第二章直流电机模糊控制系统设计

2.1直流电机简介

直流电动机在日常生活中的应用领域非常广，它有良好的启动和制动性能。特别是在电力拖动的自动控制系统中，它的地位更是不可取代。直流调速系统有稳速、调速和加减速这个三种控制要求。在目前的控制过程中，对于调速和加减速已经得到了良好的实现，但是在生产过程中稳速的效果仍达不到预想中的的效果。稳速需要的是电机在一定的精度以所规定的的转速稳定的运行，在某些干扰下，转速波动也不会有比较大的变化。直流电动机双闭环调速系统在工业生产中的应用最为广泛，它采用的是内环为电流环，外环为转速环的结构，这样确保了最大允许的恒电流，使调速系统在最大的加速度的情况下达到稳定。当达到稳定后，使电流转矩同负载转矩平衡。最后，通过外转速环的反馈使得电动机的转速保持恒定。[4]

2.2直流电机的PID控制概述[7]

在某些情况下，受控对象和负载参数的变化很快，使得PID调节器没办法及时适应，因此稳速的要求很难达到标准。直流电动机本身是一个非线性的被控制对象，有许多的间隙性和弹性的扰动存在，如果有很多的变化量，PID调节器将无法顾及。以致最终的设计结果不能达到设计时所需的要求，将会得到鲁棒性较差的控制系统。在这样的系统中常规的PID常常不能有效地克服负载、非线性因素和模型参数的变化因而无法达到高精度和快响应的要求。所以在生产过程中这种控制器很难满足生产要求。而模糊控制对被控对象的模型没有明确的要求，而且它的适应性强，通过和PID调节器想结合，可使直流电动机能达到稳定转速精度的要求。

2.3模糊控制概述

模糊这个定义是美国著名控制论学者L.A.Zedeh在1965年发表在开创性论文中的，这是L.A.Zedeh第一次提出与传统数学和控制理论的模糊集合理论完全

不同的一种理论。[2]

通过与传统控制的比较，模糊控制的优点有以下几个方面[6]：

(1) 在设计过程中对数学模型没有明确的要求。

(2) 模糊控制的适应性强。

(3) 模糊控制的鲁棒性强。模糊控制采用连续多值的逻辑方式来适应参数的变化，从而实现稳定的控制要求。

(4) 参数整定方便。在生产过程中，对控制系统进行定性的分析，就能很好的建立模糊规则和参数。

(5) 模糊控制的结构简单。系统的软件和硬件都可简单实现。

2.4 直流电机模糊控制系统的MATLAB仿真及其分析[5]

在MATLAB的命令窗口键入fuzzy后并按回车，以此来激活模糊推理的工具箱。这时在系统的界面系就跳出一个模糊逻辑编辑器。在FILE菜单下有两种模糊控制器的模型，分别为Mamdani型还是Sugeon型。在本次的设计中选用Mamdani型。在EDIT下添加输入和输出，最后的结果为两个输入和一个输出，输入命名分别为误差e和误差变化率ec以及输出u。如图2.1所示。

图2.1 输入输出量设置

对于误差e，论域是离散的，其论域取{-10，+10}，设置7个隶属度函数，

分别为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，即隶属函数有7条，隶属形状为三角形(trimf)。如图2.2所示。

图2.2 e的隶属度函数编辑图

对于变化率ec，论域是离散的，其论域取{0，1}，设置5个隶属度函数，分别为NB、NS、O、PS、PB，即隶属函数有5条，隶属形状为三角形(trimf)。如图2.3所示。

图2.3 ec的隶属度函数编辑图

对于输出u，论域是离散的，其论域均取{0，10}，设置7个隶属度函数，

分别为NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，即隶属函数有7条，隶属形状为三角形(trimf)。如图2.4所示。

图2.4 u的隶属度函数编辑图

点击Edit菜单中的Rules选项打开模糊控制编辑器(Ruleedit)，将需要建立的模糊控制规则表添加到规则库中。规则编辑结果如图2.5所示。

图2.5模糊规则输入界面

点击View菜单中的Rules选项可以打开模糊规则观察器如图2.6所示，观察模糊推理系统的输入，输出情况，为点击View菜单中的Surfview选项可以打开模

糊推理输入输出特性曲面，以图形形式显示模糊系统的输入，输出情况。最后使用File菜单中的Export选项将做好的模糊推理系统保存到磁盘(disk)和工作区(to workspace)，取名为mhkz.fis。

图2.6 模糊规则观察器图

建立上述模糊控制器之后，按照下图5.9建立模糊控制系统的仿真，本次设计系统采用的是二维的模糊控制器结构，在这个模糊控制器的设计过程中，还要合理的选择模糊控制器输入变量Ke、Kc，输出控制量的系数Ku。Ke、Kc、Ku 的计算方法如下：Ke=

e

n

x

（2.1）n为误差变量模糊子集的最大值，e x为误差论域的幅值，通过计算得Ke=20。

Kc=

c

m

x

（2.2）m为误差变化率变量模糊子集的最大值，c x为误差变化率论域的幅值，由于模糊论域的取值为非对称的，c x在取值时为模糊控制的变化范围。通过计算得Kc=0.001。Ku=

u

b

（2.3）u为控制量论域的幅值，b为控制量模糊子集的最大值，由于模糊论域的取值为非对称的，b在取值时为模糊控制的变化范围。通过计算得Ku=2。模糊控制系统仿真如图2.7所示。