直流电机模糊控制系统设计.doc

1 绪论

直流电动机经常被当做控制元件来使用，离生活越来越近。PID控制法是控制直流电机常用的方法。在有些情况下，控制器都是在对象有精确数学模型的基础上建立起来的[1]。如今研究的控制系统中将会经常涉及到多变量、非线性、时变的系统，在这种情况下，要建立数学模型也是非常困难的，或者根本不能建立模型。传统的控制理论迎来了新的挑战。

一种可以处理语言信息能力的模糊控制理论的提出克服了上面的问题。在模糊控制理论的基础上设计出了模糊控制器，而且它能够模仿操作员工的手动控制。这种模糊控制器对已知受控对象的数学模型无明确的要求，但需注意：模糊控制器对已知被控对象的数学模型无明确的要求，并不是在对受控对象无了解的情况下提出的[2]。恰恰相反，它仍然需要对受控对象有一定的了解，只不过它们是以知识的模型的形式而并不是用数学模型表达的。所以，在直流电动机中应用模糊控制对现代生活有着重大的意义，也是一个里程碑。

2 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[3]。这个调速系统有着较高的精度，而且很实用。

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不是很理想。稳速需要的是电机在一定的精度以所规定的的转速稳定运行，在某些干扰下，转速波动也不会有大的变化。

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。

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。

3 模糊控制系统概述

随着科学技术的不断发展，专家对模糊控制理论的研究越来越深入。专家为了满足生产过程的需要，设计出了模糊控制系统。下面介绍模糊控制系统。

3.1 模糊控制系统组成

模糊控制系统的结构如图3.1所示。

图3.1 模糊控制系统结构图

它由组成模糊控制器、A/D、D/A转换、执行机构、被控对象、传感器组成。

3.2 模糊控制系统的工作原理

模糊控制系统的工作原理结构图如图3.2所示。

图3.2 模糊控制系统的工作原理图

模糊控制系统组成部分为模糊控制器。输入量模糊化、模糊推理和去模糊化是它的三个主要的组成部分。模糊控制具体过程可以分为以下六个步骤：

(1) 求系统给定值与反馈值之间的误差。计算机通过采样，把所得到系统被控量的精确值与给定值进行比较记录两者之间的差值。

(2) 计算在一个A/D采样周期内的误差变化率。

(3) 输入量的模糊化。前面两个计算的结果中，两个都是精确值，在接下来的过程中，把这两个量模糊化，使其变为模糊量，并把这两个语言变量的值变成在适当论域上的模糊子集。

(4) 控制规则。是整个模糊控制器最为关键的一部分，体现了现场操作人员的多年的操作经验和专业人员的知识。

(5) 模糊推理。输入量为模糊化之后的语言变量，，再根据总的控制规则，进行模糊推理得到模糊控制量。

(6) 模糊判决。由上述产生的控制量通过计算得出精确的输出量，并按照精确量执行。

3.3 模糊控制器的一般设计步骤

如上所述，直流电机的模糊控制系统的核心器件是模糊控制器。其工作过程如下：第一步是将给定的转速和实际的转速两者相减之后得到的值作为模糊控制器的输入量。

第二步是通过模糊算法把第一步的精确值转化为模糊量，然后送至模糊逻辑决策器使用，并把控制系统中的模糊关系按照要求确定下来，随后根据的算法算出它的输出量。

第三步把这个模糊值去模糊化，变成精确值，方便执行机构的执行。

所以，在完整的系统控制过程中，这三个步骤可简称为：模糊化过程、模糊逻辑推理和精确化计算[4]。其详细步骤如下：

(1) 模糊化过程：把输入的精确值转化为模糊值，即将数字量的表现形式转化为相应的模糊子集，这个过程通过隶属度函数实现。对于任一个实际输入量，至少有一个模糊子集的隶属度函数大于0，所以每个实际输入量都必有一个模糊子集与之对应。

(2) 模糊推理：根据在操作控制系统前制定的模糊条件，组成所需的模糊控制规则。最后用这个规则计算所需的模糊输出量。

(3) 精确化计算：经过模糊推理就可以计算出一个模糊集合。精确化过程包含两方面。

第一个方面将模糊的控制量通过清晰化的变换，最后在论域上表示出来。第二方面是将表示在论域范围的清晰量经过尺度的变换，变成实际的控制量范围的清晰量。在精确化计算的过程中，常用的方法有最大隶属度函数法、重心法这两种。

4 直流电机的PID控制及其仿真

直在某些情况下，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[5]

4.1 直流电机双闭环调速系统结构及分析

直流电机双闭环调速系统结构原理图，如图4.1所示。

图4.1 直流电机双闭环调速系统结构原理图

双闭环直流调速系统有着很广泛的应用，它的结构图也是众所周知。它有一个负反馈的电流环，称为内环；还有个转速环也是负反馈，称为外环。这两个环组成了电流调节器(ACR)和转速调节器(ASR)，它们通过串联而形成了整个调速系统。如图4.1所示。图中的E是电枢反电动势，它是在励磁作用下形成的。转速调节器的输出的结果进而转化为电流调节器的输入。然后在利用电流调节器的输出值去激发晶闸管的触发装置。最后经过转速调节器的限幅装置和反馈通道的增益，使得电动机在最短的时间达到启动和停止的要求。