直流电机模糊控制解析.docx

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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

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2.2e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2.3ec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2.4u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（toworkspace），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=

（2.1）

n为误差变量模糊子集的最大值，

为误差论域的幅值，通过计算得Ke=20。

Kc=

（2.2）

m为误差变化率变量模糊子集的最大值，

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，

在取值时为模糊控制的变化范围。

通过计算得Kc=0.001。

Ku=

（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。

图2.7模糊控制系统仿真图

其中step1负载的参数设置，如图2.8所示。

图2.8step的参数设置图

建成仿真模型之后双击FuzzyLogicController选择LookUnderMask，输入mhkz建立联系。

当成功建立联系后，中间会显示FIS，如图2.9所示。

图2.9FIS与Simulink的连接

运行仿真程序，得到的仿真曲线如图2.10所示。

图2.10直流电机模糊控制系统仿真曲线图

采用传统PID控制得到的输出波形在快速响应方面做得较好，能较快的达到稳态值，但超调量超出了很多。

而模糊控制系统的性能优越、调节精度高，稳态性能好，超调明显小，具有较强的鲁棒性。

[5]

第三章总结

随着科学技术的发展，智能控制技术日趋完善，在更多的领域广泛应用。

基于MATLAB的模糊控制系统，为在实际应用提供了一个参考，但是在实际应用中还应考虑实际的影响因素，例如环境对控制系统的影响、人为因素对控制系统的影响等。

面对实际问题时应根据实际情况而分析。

通过这次对模糊控制实现直流电机系统的控制，进一步强化了我的专业知识，同时也对MATLAB软件有了进一步的熟悉，锻炼了我的自学能力。

基于MATLAB这个强大的平台，通过这个平台进行建模和仿真，得到了较为理想的效果。

模糊控制能有效地的控制超调，在控制超调方面有优越性。

参考文献

[1]钟麟，王峰.Matlab仿真技术与应用教程[M].北京：

国防工业出版社,2004.

[2]王立红，杨汇军.基于Matlab的直流调速系统设计与仿真[J].辽宁工学院学报,2004,24

（1）：

8～9.

[3]肖文英,李军红，阳武娇.基于MATLAB/SIMULINK直流电机模糊控制系统的建模与仿真[J].电器技术,2006年03期.

[4]陈伯时,阮毅,陈维钧等,电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社，2003.7．

[5]周小波,王群京,陈伟,周嗣理.基于MATLAB/SIMULINK的直流电机模糊控制的仿真[J].电机技术,2010年第1期.

[6]章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西北工业大学出版社.

[7]石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].清华大学出版社,北京交通大学出版社,2008.