基于模糊控制的直流电机调速系统毕业设计论文.docx

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基于模糊控制的直流电机调速系统毕业设计论文

基于模糊控制的直流电机调速系统

毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物，是一种更为智能和节能的控制方式。

本设计为模糊速度控制器,传感器采集到速度后与设定速度比较，得到模糊控制所需的两个输入量。

设计中对两个输入量模糊量化，并确定其隶属函数，建立模糊控制表，经单片机编程处理后得出结果，通过PWM控制电机进行加速。

最后达到的效果是使速度较稳定的保持恒定。

该系统的应用表明,该控制精度对储层设计技术具有可靠稳定性，它已经达到更高的准确度,并能在短的工作时间确保过渡过程的温度的精确控制。

首先介绍了该系统的整体构成,然后从硬件和软件两方面进行介绍。

在硬件部分,描述了系统的总体结构和之间的关系,并进一步讲述方式内部结构和外部特征的新编程的筹码；在软件部分,解释了模糊控制理论,又说明了该系统的应用程序；第三,从模糊控制的实现方面说明了该系统的流程图；本文最后对该系统作出一个总结：

该软件设计模式可分为子模式的主要程序和在模式的合适位置对设计软件进行备份。

此外,它适用于很多方面的符号选择和处理程序的应用,可消除因未预知条件的变化而产生的影响。

该系统能高精度地有效控制其它的参数指标，值得推广和应用。

它不仅具有其它领域那样良好功能，而且具有更低的价格成本。

关键词：

模糊控制，隶属函数，单片机编程，模糊控制规则

Abstract

Fuzzycontrolisasortofnewlyarisencontrolwaybasedonfuzzysetstheory.It’soneresultoffuzzysystemtheoryandfuzzytechniqueandautomaticcontroltechniquecombinedtogether.It’sasortofcontrolwaymuchmoreintelligentandsaving.Thisdesignisafuzzycontrollerofspeed.Comparingthespeedcollectedtransducerwiththesetspeedwillgiveustwoinputvariables.Thenfuzzificatethetwoinputvariablesinthedesignandascertaintheirmembershipfunctions,afterwards,establishthefuzzycontrollinggraph.Next,gettheresultthroughtheprogrammingprocessbysinglechipandPWMbycontrollingthefasterthroughcontrollingtherelayonthebasisoftheresult.Thus,finallywecouldcometotheeffectthatthespeedcouldbekeptconstantsteadily.

Theapplicationofthissystemindicatesthattheprecisionreservoirdesignedonthiscontroltechnologyhasreliablestability.Andithasattainedhigheraccuracy,shortworkingtimeintransitivecourseontheprecisiontemperaturecontrol.Inthisthesis,Ifirstlyintroducedthewholecomponentofthissystem,thenthehardwareandsoftware.Inthepartofhardware,Idepictedtherelationbetweenthewholestructureandmodes,andfurthertellstheinnerstructureandoutercharacterofnewprogrammingchip.Asforthepartofsoftware,Iexplainedthetheoryofthefuzzycontrolfirstly,andthenshoweditsapplicationinthissystem.Thirdly,Iillustratedtheflowchartofthissysteminwhichthefuzzycontrolisimplied.AttheendofthisthesisIdrawaconclusionaboutthissystem：

Thesoftwaredesignedonmodecouldbedividedintosubmodesinthemainprogram.Andonthesuitablepositionofmodes,wassetsoftwaretraptoredundancydesign.Inaddition,itappliesmanywaysintheprogramofsymbolselectionandprocessingtoeliminatetheeffectofrandomshock.Thissystemcanalsocontrolothers'parameterquotawithhighaccuracy.ItdeservesbeingspreadandappliedFurthermore,itnotonlyhasgoodfunctionastheother'scountrybutalsohaslowerprice.

KeyWords:

fuzzycontrolmembershipfunctionsinglechipprogrammefuzzycontrolrules

第一章绪论

1.1论文的背景及意义

电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。

无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。

据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。

同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。

电动机与人的生活息息相关，密不可分。

直流电机是最常见和成本最低的小型电机，并且广泛用于各种应用。

无刷直流电机宣称能提供更高可靠性以及更低噪声和成本，然而到目前为止，它却只能在磁盘或计算机风扇等少数量产应用中取代传统直流电机。

在某些应用里，无刷直流电机有多项优点胜过传统电刷电机，例如它以电子组件和传感器取代电刷，不但延长电机寿命和减少维护成本，而且也没有电刷产生的噪音。

直流电机的特性使它成为调速系统最容易使用的电机。

电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。

简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。

这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。

还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。

模糊控制技术是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制技术。

模糊控制方式是一种非线性控制方式，对无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得令人满意的控制效果。

直流电动机转速控制是一种非线性的时变的复杂过程，转速直接影响着工件的机器质量。

本文讨论了利用模糊控制技术设计的单片机模糊速度控制系统，实验表明该系统比传统的PID速度控制系统精度高、速度快。

1.2国内外研究现状及发展展望

由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。

当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。

但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。

因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。

在我国，模糊控制的理论研究水平相对较高，而应用技术水平却相对落后，特别是在工业过程控制领域，普遍采用简单的模糊控制方法查表法或公式法实现模糊控制，虽然其控制精度不高，但简单实用性很高。

　　本文推出一种通用的模糊控制器，其模糊控制用查表法实现，从而改善控制性能，只要根据对象给出系统输入、输出量的隶属函数及控制规则，再加上少量的外围电路就可构成一个模糊控制系统。

1.3本文研究的主要内容

1、了解了直流电动机的重要意义，明确了模糊控制的发展现状，知道了基于模糊控制的直流电机调速系统的发展展望；

2、对直流电机和模糊控制的工作原理做了简单介绍。

3、详细研究基于模糊控制的直流电机调速系统的可行性，并且具体分析调速系统的优缺点，软硬件的仿真验证，发现系统的明显优点。

4、根据调速系统的功能，完成系统的软件仿真和硬件设计，绘制电路图，并最终完成实物系统；

5、重点完成matlab系统级仿真，仿真出相应数据输出。

6、有效率的完成硬件选材和制作；

7、对本次设计做总结，写出设计的心得体会。

第二章直流电机

2.1直流电机简介

将直流电能转换为机械能的转动装置。

电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。

根据是否是否配置有常用的电刷-换向器可以将直流电动机分为两类，包括有刷直流电动机和无刷直流电动机。

图1-1有刷直流电动机图1-2无刷直流电动机

无刷直流电机是近几年来随着微处理器技术的发展和高开关频率低功耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本、高磁能级的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。

无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。

按照供电方式的不同，无刷直流电机又可以分为两类：

方波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形都是矩形波，又称为矩形波永磁同步电动机；正弦波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形均为正弦波。

2.2直流电机结构

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

2.2.1定子

（1）主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。

主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。

励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。

整个主磁极用螺钉固定在机座上，

（2）换向极

换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。

换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

（3）机座

电机定子的外壳称为机座。

机座的作用有两个：

一、是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；

二、是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。

为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

（4）电刷装置

电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。

电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。

刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

2.2.2转子

（1）电枢铁心

电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。

一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。

叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。

铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

（2）电枢绕组

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。

它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。

为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。

线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

（3）换向器

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。

换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

（4）转轴

转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

2.3直流电机工作原理

图1-3直流电动机模型

图是一个最简单的直流电动机模型。

在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。

这个转动的部分通常叫做电枢。

线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。

换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。

A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。

来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。

图1-4换向器在直流电机中的作用

当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。

这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。

我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。

当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用+表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。

根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。

这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。

当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图7-5（b）所示。

这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。

因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。

由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。

2.4直流电机调速原理

由直流电机的速度公式n=（Ua-IaRa）/CaΦ,其中n是电机转速，Ua是电枢电压，Ia是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电极常数，Φ是电机的励磁磁通。

对于极对数是p，匝数是n，电枢支路数为a的电机来说Ca是常数。

由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：

调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。

其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。

现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。

对电动机的驱动离不开半导体功率器件。

在对直流电动机