直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的MATLAB-Simulink仿真研究畢業(yè)設(shè)計

1、 XXXX屆畢業(yè)設(shè)計說明書 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的MATLABSimulink仿真研究院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： XXX 指導(dǎo)教師：XXXX 職稱 教授 職稱 專 業(yè)：XXXXXXXXXXXXX 班 級： XXXXXXXXX 完成時間： 20XX.X.X 摘 要在當(dāng)今控制技術(shù)的發(fā)展當(dāng)中，模糊控制技術(shù)的發(fā)展走在了前列，成為了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的控制技術(shù)之一。模糊控制技術(shù)很好的將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于控制領(lǐng)域當(dāng)中, 更加真切地模擬出了人腦的思維方式和判斷能力, 以及對產(chǎn)品生產(chǎn)的過程進(jìn)行篩選和對產(chǎn)品質(zhì)量上的控制, 從而發(fā)展出了基于模糊控制技術(shù)的智能化的新技術(shù)，為當(dāng)今控制技術(shù)的發(fā)展提供了廣

2、闊空間。在本文當(dāng)中，主要介紹了基于模糊控制理論的直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的原理，以及直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點，并通過使用MATLAB語言中SIMULINK模塊和模糊控制工具箱對直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，把控制直流電機(jī)調(diào)速的實際情況轉(zhuǎn)換成模糊控制規(guī)則，再使用這些規(guī)則，對過程經(jīng)過模糊推理和模糊決策所得到的控制量，從而實現(xiàn)在MATLAB語言中SIMULINK模塊和模糊控制工具箱對直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的建模與仿真。對仿真結(jié)果予以分析，對直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的仿真進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵詞：MATLAB；SIMULINK；模糊控制；直流電機(jī)；電機(jī)調(diào)速ABSTRACTAmong todays control

3、 technology development, one of the leading enterprises in the development of fuzzy control technology, fuzzy control technology has become one of the most advanced control technology in the world today, it will be a very good fuzzy control technology of fuzzy mathematics theory is applied in contro

4、l field, the more realistically simulate the human brains way of thinking and judgment ability, as well as to the production process of screening and the control on the quality of product, which was developed based on fuzzy intelligent control technology of the new technology, for the development of

5、 modern control technology provides a broad expansion of space.in this article, mainly introduced the dc motor based on fuzzy control theory, the principle of fuzzy control system, as well as the advantages and disadvantages of the fuzzy control system for dc motor, and by using the SIMULINK module

6、and the fuzzy control toolbox in MATLAB language for the calculation of the fuzzy control system of dc motor, the control of the actual situation of the dc motor speed control is converted into fuzzy control rules, and then use these rules, the process through fuzzy reasoning and fuzzy decision of c

7、ontrol, thus to achieve the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language modeling and simulation of fuzzy control system of a dc motor. And the analysis to the results of simulation and simulation of fuzzy control system of dc motor.Key words matlab；Simulink；fuzzy control； dc mot

8、or； motor speed control目 錄1 緒論11.1 研究的目的與意義1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展歷程1 1.2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷程1 1.2.2 直流調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀2 1.3 研究的主要內(nèi)容及章節(jié)介紹32 直流調(diào)速系統(tǒng)42.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念4 2.1.1 直流他勵電動機(jī)的調(diào)速方法4 2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式6 2.1.3 開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性7 2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析8 2.2.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析8 2.2.2 多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析9 2.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)概述103 直流電機(jī)113.1 直流電動機(jī)的

9、基本結(jié)構(gòu)和工作原理11 3.1.1 直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)11 3.1.2 直流電動機(jī)的工作原理12 3.2 直流電動機(jī)的運行特性14 3.3 直流電動機(jī)的起動、調(diào)速和制動17 3.3.1 直流電動機(jī)的起動17 3.3.2 直流電動機(jī)的調(diào)速17 3.3.3 直流電動機(jī)的制動174 模糊控制194.1 模糊控制原理19 4.2 模糊控制器的一般設(shè)計步驟205 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的MATLAB/Simulink的仿真22 5.1 建立直流電機(jī)的仿真模型22 5.2 模糊控制器的設(shè)計22 5.3 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的建立與仿真24 5.4 仿真結(jié)果及分析276 總結(jié)與展望28參考文獻(xiàn)39致謝311

10、 緒論1.1 研究的目的與意義在工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展當(dāng)中，直流電機(jī)的使用非常廣泛。對直流電機(jī)的控制也越來越重要，在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，對生產(chǎn)的過程控制要求比較嚴(yán)格，對生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量的要求也相當(dāng)嚴(yán)格，這就要求在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，對控制的要求控制精度準(zhǔn)確、易于調(diào)速、運行穩(wěn)定。在工業(yè)生產(chǎn)過程中為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品的產(chǎn)量，控制過程從人工手動控制慢慢向半自動控制發(fā)展，半自動控制慢慢向全自動控制發(fā)展，使得生產(chǎn)工藝實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，在全自動化生產(chǎn)的過程當(dāng)中，離不開傳動系統(tǒng)的調(diào)速電機(jī)對生產(chǎn)設(shè)備的控制，按驅(qū)動電動機(jī)的類型可分為直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)二大類。本文中主要研究直流傳動系統(tǒng)。直流電動機(jī)具有很多

11、優(yōu)良的調(diào)速特性，如：調(diào)速平滑、簡單易控、過載能力大、正反轉(zhuǎn)能快速切換、并可實現(xiàn)頻繁地?zé)o級快速起動和制動。能夠滿足在現(xiàn)代化工業(yè)的生產(chǎn)過程當(dāng)中不同環(huán)境下的的特殊運行要求，如：在生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的切削機(jī)床、生產(chǎn)用紙的紙機(jī)設(shè)備、全自動生產(chǎn)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)線、水泥廠等對控制性能要求非常高的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中被廣泛應(yīng)用，使得直流電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中仍然充當(dāng)著重要角色。1.2 國內(nèi)外發(fā)展歷程及發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷程在運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程當(dāng)中，交流電氣傳動和直流電氣傳動并存于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，在歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動機(jī)，在沒有出現(xiàn)交流電動機(jī)之前，直流電氣傳動是惟一的電氣傳動方式，隨著工業(yè)生產(chǎn)

12、技術(shù)的向前發(fā)展，對電氣傳動在啟動、制動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高的要求，這就要求在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中大量的使用直流傳動調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電動機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能非常好，從20世紀(jì)30年代起。直流調(diào)速系統(tǒng)開始應(yīng)用于工業(yè)的各個領(lǐng)域。最早的控制系統(tǒng)是由旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制來實現(xiàn)的，而后慢慢發(fā)展成為由放大機(jī)和磁放大器控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制的，經(jīng)過放大機(jī)和磁放大器控制的時代的發(fā)展，基于它們的閉環(huán)連續(xù)控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，在改進(jìn)控制的性能方面，取得了良好的效果，到后面晶閘管變流裝置和模擬控制器的出現(xiàn)，使得控制真正實現(xiàn)了直流調(diào)速，一直到后面可控整流和大功率晶體管組成的PWM

13、控制電路的出現(xiàn)，才得以實現(xiàn)了使用數(shù)字化對直流的調(diào)速。而直流調(diào)速在工業(yè)應(yīng)用方面具有快速、可靠、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、方便等特性，使得直流調(diào)整系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用方面非常廣泛。在直流電氣傳動系統(tǒng)中，有如下幾種常用的可控直流電源：(1)使用恒定的直流電壓直接向直流電動機(jī)電樞供電，改變阻值的大小來實現(xiàn)對電樞回路的調(diào)速。這種通過改變電阻的大小，從而改變電壓值的大小來調(diào)速的方法簡單，便于操作，工業(yè)生產(chǎn)方面也簡單，而且成本低。這種方法也有著不少缺點，比如：這種調(diào)速轉(zhuǎn)化率低，機(jī)械性能差，調(diào)速易于波動，不能進(jìn)行平滑調(diào)速。由于這些缺點的存在，便得這種方法在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中使用率很低。(2)30年代末，發(fā)電機(jī)-電動機(jī)（也稱為旋轉(zhuǎn)變流組

14、）的問世，增加了調(diào)速領(lǐng)域的靈活性、廣泛性等，同時存在的閘流管、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、及磁放大器等控制器件共同組成的調(diào)速系統(tǒng)，提高了調(diào)速的各方面的性能，如：提高了調(diào)速平滑變化、調(diào)速轉(zhuǎn)速精度、及加寬了調(diào)速范圍、提高效率等。特別發(fā)電機(jī)-電動機(jī)的使用，很容易就實現(xiàn)了將電動機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，不僅提高了效率，減少了能量損耗，而且能夠很好的實現(xiàn)平滑制動。但是這樣的調(diào)速系統(tǒng)還是存在著不少缺點，如因此增加的輔助設(shè)備（旋轉(zhuǎn)電機(jī)和勵磁設(shè)備等），造成占地面積大、轉(zhuǎn)化率低、維修難度大、不易維修、成本高等。(3)直到汞弧變流器出現(xiàn)以后，汞弧變流器開始慢慢取代了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了調(diào)速控制系統(tǒng)的性能。(

15、4)世界上第一只晶閘管的問世是在1957年，晶閘管的問世，讓整個直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化，因為晶閘管具有可靠性高、反應(yīng)靈敏、所占空間小、簡便耐用等優(yōu)良性能，使得晶閘管提到了廣泛的應(yīng)用，不僅提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，而且在工業(yè)生產(chǎn)使用中相對其他直流控制的性能上也具有很大的優(yōu)勢，晶閘管變流裝置比機(jī)組和汞弧變流器的放大倍數(shù)分別高1000倍和10倍，自身的放大倍數(shù)在10000以上，而機(jī)組和汞弧變流器的放大倍數(shù)分別是10倍和1000倍。因在響應(yīng)速度上，晶閘管是以毫秒級來計數(shù)，而機(jī)組是以秒級計數(shù)的，所以除部分設(shè)備使用晶閘管勵磁系統(tǒng)和機(jī)組供電以外、其他基本上已經(jīng)采用了晶閘管相控整流供電。1.

16、2.2直流調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀我國第一只硅晶閘管是在60年代初研制成功的，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)迅速應(yīng)用于我國現(xiàn)代化工業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中，并得到了快速的發(fā)展。低功率如0.4KW至200KW的晶閘管直流調(diào)速裝置已經(jīng)實現(xiàn)了系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)，大功率2000KW系列產(chǎn)品也已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中試用，在我國現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，直接影響著我國現(xiàn)代工業(yè)化的生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型控制元器件也相序問世，直流電動機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了二個分支，一個是向大功率發(fā)展，另一個是向小功率發(fā)展，在向小功率發(fā)展的過程中，正在實現(xiàn)一體化發(fā)展，實現(xiàn)電動機(jī)和控制設(shè)備的一體

17、化，實現(xiàn)控制單元高度集成，并慢慢發(fā)展到數(shù)字直流調(diào)速裝置，目前已經(jīng)有數(shù)家國內(nèi)外廠商已經(jīng)推出了各自的產(chǎn)品，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的理論有效的和實踐結(jié)合在了一起，同時也推動了直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。國外的直流調(diào)速系統(tǒng)比我國發(fā)展的早，相比國內(nèi)的發(fā)展也更加成熟，無論是從技術(shù)上還是從性能上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過了我國直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是國外的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，能實現(xiàn)從調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、給定信號、觸發(fā)脈沖等都能實現(xiàn)數(shù)字化，并通過公用平臺及軟硬件的控制和調(diào)控，能夠控制電流的大小和一定范圍功率的直流電機(jī)。使用軟件通過公用平臺就很容易實現(xiàn)對直流電機(jī)的控制，強(qiáng)大的可控性、以及極高的抗干擾能力使得它能和PLC等其他系統(tǒng)組成一個完整的

18、工業(yè)控制系統(tǒng)。并且具有調(diào)試方法靈活、穩(wěn)定可靠、高度集成、及完善的自我保護(hù)功能，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的缺點，而且數(shù)字控制系統(tǒng)還有能快速查找故障、維護(hù)簡單、調(diào)速精度高等特點，使其能在工業(yè)生產(chǎn)方面能得到廣泛的應(yīng)用。而國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)字直流調(diào)速裝置，存在功能不完善、精度不高、且保護(hù)功能不齊全等缺點。和國外還是有一定的差距的。1.3 研究的主要內(nèi)容及章節(jié)介紹本論文的主要研究內(nèi)容除了本章緒論外，共分為4章，以下是對各章內(nèi)容作一個簡單的介紹。第2章介紹直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，對直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，了解直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及工作方法，學(xué)習(xí)晶閘管單環(huán)直流、多環(huán)直

19、流、直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電路原理，直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真。第3章介紹直流電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，并說明由氣隙磁場和電樞繞組來導(dǎo)出電樞的電動勢的電磁轉(zhuǎn)矩公式，通過電樞的電動勢的電磁轉(zhuǎn)矩公式，導(dǎo)出直流電機(jī)的基本方程，并對直流發(fā)電機(jī)和電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行性能進(jìn)行全面分析，初步了解直流發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的工作原理及特性，掌握直流發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。第4章介紹模糊控制的基本原理和基本特性，學(xué)習(xí)了解模糊控制器的模糊化過程、模糊推理、精確化計算等，掌握模糊控制器的設(shè)計原理和設(shè)計方法。 第5章開始利用MATLAB/SIMULINK對直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，首先應(yīng)用MATLAB/SIMULINK建立一

20、個直流電機(jī)模型，然后應(yīng)用模糊控制工具箱對控制參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，設(shè)計模糊控制器，最后建立直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。342 直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念直流調(diào)速系統(tǒng)起步早，發(fā)展快，并且具有良好的運行特性和控制特性，長期占據(jù)著調(diào)速領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，近年來交流調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)應(yīng)用上也發(fā)展的很快，并期望在短時間內(nèi)能夠取代直流調(diào)速系統(tǒng)，而現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，如礦山開采、煉鋼廠、造紙廠、紡織業(yè)等使用的自動調(diào)速系統(tǒng)仍然是直流調(diào)速系統(tǒng)，因其對調(diào)速性能的要求比較高，而交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展目前還不是很完善，這使得在現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)過程當(dāng)中，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)整系統(tǒng)的主要形

21、式。2.1.1 直流電動機(jī)的調(diào)速方法(1) 直流他勵電動機(jī)供原理圖如圖1所示。圖1 直流他勵電動機(jī)供電原理圖(2) 直流他勵電動機(jī)的電氣方程：Ud0=E+IdRn+Ra+R1 =E+IdRE=Cen=Ken n=EKe =Ud0-IdRKe =Ud-IdRaKe (1)R=Rn+Ra+R1Ce=Ke 式(1)中 Ud和 Ud0 分別表示的是電動機(jī)電樞電壓和電樞供電電源空載電壓；E 表示的是電樞電動勢；R 、Rn 、Ra和R1 分別表示的是電樞回路總電阻、供電電源內(nèi)阻、電樞電阻和線路或外接電阻；n 表示的是轉(zhuǎn)速，單位為 rmin ； 和Ke 分別表示的是勵磁磁通和電動勢系數(shù)；電動勢系數(shù) Ke 是

22、由電動機(jī)的結(jié)構(gòu)來決定的。(3) 直流他勵電動機(jī)的調(diào)速方法為；由公式(1)可知，通過改變電樞供電電壓Ud0 的大小、或降低 的勵磁磁通、或者改變電樞回路中的電阻 R 都能對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。在 和 R 的值不變的情況下，改變電樞供電電壓 Ud0 的大小，能平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 n 的快慢，機(jī)械特性比較平穩(wěn)的上下移動，如圖2所示。圖2 直流他勵電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速時的機(jī)械特性因受電動機(jī)自身性能的影響，工作調(diào)節(jié)電樞電壓不能超過額定電壓，導(dǎo)致電樞電壓的調(diào)節(jié)范圍只能是在其額定電壓范圍內(nèi)進(jìn)行，所以這種調(diào)速的范圍也只能是在其額定轉(zhuǎn)速大小之下進(jìn)行。這對要求在一定范圍內(nèi)的無級平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，這種調(diào)節(jié)方式最好，通過調(diào)

23、節(jié)電壓大小來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是調(diào)速系統(tǒng)的一種主要調(diào)節(jié)方式。在 Ud 和 Ra的值不變的情況下，減小勵磁磁通 （直流電動機(jī)在運行時，為了更好的經(jīng)濟(jì)效益，通常都是在額定轉(zhuǎn)速下運行，磁路中的磁通量趨于飽和，因此只有減小勵磁磁通 來對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)），電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會比額定轉(zhuǎn)速大，機(jī)械特性向上移動，如圖2中部分機(jī)械特性，減小勵磁磁通 來進(jìn)行調(diào)速只能在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行調(diào)速，由于電動機(jī)存在機(jī)械強(qiáng)度和換向器的限制，其調(diào)速范圍也不可能太大，在現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)過程當(dāng)中，通常只是配合調(diào)壓調(diào)速方法一起使用，在額定的轉(zhuǎn)速上作小范圍的提升轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，這樣的調(diào)壓與調(diào)磁相結(jié)合的方式，可以擴(kuò)大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的范圍。改變電樞回路電阻進(jìn)行

24、調(diào)速一般是在電樞回路中串接附加電阻，這種調(diào)速方法損耗比較大，只能進(jìn)行有級調(diào)速，由于電動機(jī)的機(jī)械特性比固有特性軟，通常只是用于少數(shù)小功率和場合。2.1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的供電方式要實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，就得要有一個平滑可調(diào)的直流電源，常用的可調(diào)直流電源有以下三種：(1) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組：使用直流發(fā)電機(jī)組和交流電動機(jī)組成旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，可以獲得可調(diào)的直流電壓。在二十世紀(jì)四十年代，工業(yè)上就廣泛采用旋轉(zhuǎn)式變流機(jī)組給直流調(diào)速系統(tǒng)供電，如圖3所示。圖3 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)交流電動機(jī)M1拖動直流發(fā)電機(jī)G發(fā)電，發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)M供電。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流 If 可改變其輸出電壓U ，從而調(diào)節(jié)直流電

25、動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n ,此系統(tǒng)簡稱為G-M系統(tǒng)。若改變電流 If 的方向，則電壓U的極性和轉(zhuǎn)速n的轉(zhuǎn)身都跟著改變，可以實現(xiàn)G-M系統(tǒng)的可逆運行。通常還要另外增加一臺直流勵磁發(fā)電機(jī)GE來供給電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)勵磁電流。但因G-M系統(tǒng)設(shè)備多、相對比較復(fù)雜、安裝運行維護(hù)不便、成本高、經(jīng)濟(jì)效益低、噪音大等缺點。(2) 靜止可控整流器：使用靜止的可控整流器，比如晶閘管可控整流器，可以獲得可調(diào)的直流電壓。二十世紀(jì)六十年代，晶閘管可控整流裝置的出現(xiàn)，因其具有高效、費用底、體積小、噪音小等優(yōu)良性能，面且晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上。在控制的速度反應(yīng)方面，變流機(jī)組是秒級，而晶閘管整流器的反應(yīng)級數(shù)是毫秒級

26、，從反應(yīng)速度上來比較，晶閘管整流器的反應(yīng)速度明顯比變流機(jī)組快，這就大大提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度。(3) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器：使用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的直流平均電壓。在電力牽引系統(tǒng)的設(shè)備上常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)，由恒壓直流電源提供電能。直流電壓也可以使用晶閘管來進(jìn)行控制，即直流斬波器，也稱之為直流調(diào)壓器。如圖X所示，在直流斬波器中，當(dāng)VT被觸發(fā)導(dǎo)通之后，電壓 Us 加到電動機(jī)上，當(dāng)斷開VT之后，電動機(jī)和電源斷開，電動機(jī)經(jīng)過VD（二極管）的續(xù)流，電壓值趨于零。經(jīng)過反復(fù)作用，可以得到如圖X的電樞端電壓的波形。直流斬波器能通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通與關(guān)

27、斷的時間來改變其平均電壓的大小，以此來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。2.1.3 開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)V-M系統(tǒng)的組成如圖X所示，當(dāng)調(diào)節(jié)給定電壓Un*時，晶閘管所組成的觸發(fā)電路移相角發(fā)生改變，導(dǎo)致整流電壓 Ud0和電樞電壓 Ud發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)速n。開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性，若電流是連續(xù)的時候，轉(zhuǎn)速為 n=1CeUd0-IdR=1CemEmsinmcosa-IdR=n0-n （2）開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性如圖4中的實線所示。圖4 開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性其中式(2)中Ce表示的是電機(jī)在額定磁通下，電動勢的轉(zhuǎn)速比，其中Ce=Ke 。式中m表示整流電壓在一個時間周期內(nèi)的波頭數(shù)，式中n0表示的是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

28、在理想空載的條件下的轉(zhuǎn)速，式中n表示的是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。給電動機(jī)加負(fù)載，就會產(chǎn)生電流Id。隨即產(chǎn)生n=IdRCe的轉(zhuǎn)速降，若n越小，則開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性硬度越大。當(dāng)系統(tǒng)在開環(huán)條件下運行時，n的大小完全由電阻R及所加負(fù)載的大小來決定的。 晶閘管整流裝置的電壓輸出是脈動電壓，會造成在主回路電感量不足或者是在電動機(jī)負(fù)載較輕的情況下出現(xiàn)電流斷續(xù)。當(dāng)負(fù)載電流減小，反電動勢快速變大，導(dǎo)致理想空載轉(zhuǎn)速比n0高很多，如圖4中的虛線所示。開環(huán)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性分為電流連續(xù)段和斷續(xù)段，機(jī)械特性呈線性較硬的是連續(xù)段，呈非線性較軟的是斷續(xù)段。從綜合特性來看，要提高系統(tǒng)的機(jī)械特性，需要增加反饋調(diào)節(jié)。這樣

29、才能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用要求。2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析2.2.1 單閉環(huán)直流系統(tǒng)的動態(tài)分析(1) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過建立系統(tǒng)的動態(tài)模型，能更加直觀的定量分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能。建立模型的一般步驟為：例微分方程，進(jìn)行拉氏變換得到傳遞函數(shù)，畫出動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。電壓方程式為：Ud0-E=IdR+LdIddt=RId+LRdIddt (3)晶閘管整流器的動態(tài)傳遞函數(shù)為:Ud0(s)Uct(s)Ks1+Tss (4)若不考慮放大器輸入端的濾波，則其模型為Uctt=KpUn(t),則其傳遞函數(shù)為:Uct(s)Un(s)=Kp (5)不考慮反饋的濾波電路，則其模

30、型為Unt=an(t),其傳遞函數(shù)為根據(jù)系統(tǒng)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，得到的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5 轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(2) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正，設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的過程中，穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性指標(biāo)常會發(fā)生矛盾，這就需要增加動態(tài)校正裝置來校準(zhǔn)系統(tǒng)，讓他能同時滿足各項性能指標(biāo)的要求。對于一個系統(tǒng)，動態(tài)校正方法有很多種，在電力自動控制系統(tǒng)中，串聯(lián)校正和并聯(lián)校正是最常用的校正方法，相對并聯(lián)校正，串聯(lián)校正相對簡單，易實現(xiàn)等特點。對于傳遞函數(shù)階次較低的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使用PI調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方法，就能實現(xiàn)動態(tài)校正的任務(wù)。調(diào)節(jié)器分為三類，分別是PI比例積分、PD比例微分、PID比例積分微分。這三種類型中

31、各有各的優(yōu)點，也有不足之處。其中PI調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的是滯后調(diào)節(jié)，穩(wěn)定性好，但調(diào)節(jié)反應(yīng)慢。PD調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的是超前校正，調(diào)節(jié)反應(yīng)快，但穩(wěn)定性差。PID 調(diào)節(jié)器能實現(xiàn)對PI調(diào)節(jié)器和PD調(diào)節(jié)器性能的綜合，即反應(yīng)速度快，又能使系統(tǒng)穩(wěn)定，全面提升系統(tǒng)的控制性。但PID調(diào)節(jié)器要比PI和PD調(diào)節(jié)器要復(fù)雜的多，在現(xiàn)代工業(yè)化的實際生產(chǎn)當(dāng)中，一般對穩(wěn)定性的要求要高于對快速性的要求，則一般采用PI調(diào)節(jié)器。當(dāng)對快速性要求高于穩(wěn)定性的要求時，則一般采用PD或PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.2.2 多環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析在反饋系統(tǒng)中，核心閉環(huán)數(shù)多于一個就稱之為多環(huán)系統(tǒng)。常見的多環(huán)系統(tǒng)有以下三類：分別是帶電流變化率內(nèi)環(huán)系統(tǒng)、帶

32、電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。最典型的就是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)了。帶電流變化率內(nèi)環(huán)系統(tǒng)，為提高雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的快速性，在啟動或關(guān)閉電動機(jī)的時候，期望電流能迅速變化。這就需要在電流環(huán)內(nèi)增設(shè)電流變化率環(huán)，通過它的調(diào)節(jié)，使之能保持最大變化率而又能保持電流變化率不會過高，這保證了電流波形和理想的動態(tài)波形更加的接近。這就使得轉(zhuǎn)速、電流和電流變化率共同組成了三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，帶電壓內(nèi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)同樣能提高系統(tǒng)的對負(fù)載擾動的抗擾性能和動態(tài)跟隨性能，但其效果沒有帶電流變化率內(nèi)環(huán)系統(tǒng)。在抗電網(wǎng)電壓擾動方面，電流環(huán)不如電壓環(huán)，電壓環(huán)的調(diào)節(jié)比電流環(huán)的調(diào)節(jié)更加及時。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動

33、態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。若雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速電流控制，則其動態(tài)跟隨性能和動態(tài)抗擾性能都能得到有效的提高，若雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)能改變環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù)，使它有利于對外環(huán)的控制，這樣也能提高系統(tǒng)的各種性能。并且有內(nèi)環(huán)的存在，內(nèi)環(huán)能抑制環(huán)內(nèi)的電網(wǎng)電壓波動。圖6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)概述直流調(diào)壓調(diào)速是現(xiàn)代工業(yè)實際生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一種調(diào)速方法，利用電力電子元器件的可控性，再使用脈寬調(diào)制技術(shù)加以調(diào)制，就構(gòu)成了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。電氣原理結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中存在有：給定環(huán)節(jié)、限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器ASR、PWM信號

34、發(fā)生器等控制電路。3 直流電機(jī)3.1 直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1 直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要由定子部分和轉(zhuǎn)子部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙是用來儲存磁能的。直流電機(jī)的定子主要組成部件有主磁極、端蓋、機(jī)座和無刷裝置等。轉(zhuǎn)子是電樞，轉(zhuǎn)子的主要組成部件有磁極、電樞和換向器等。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8 直流電動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)(1) 主磁極。主磁極是電動機(jī)產(chǎn)生主磁場的裝置,如圖9所示。圖9中1是極心、2是極掌、3是勵磁繞組、4是機(jī)座。磁極由極心1和極掌2兩部分組成。在極心1上放置勵磁繞組3，極掌2是調(diào)整電動機(jī)空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并擋住勵磁繞組。鋼片疊成的磁極，固定在電機(jī)外殼上。電機(jī)外殼

35、也是磁路中的一部分。圖9 直流電動機(jī)的磁極及磁路(2) 電樞。在電動機(jī)中，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分稱為電樞。電樞是旋轉(zhuǎn)的，由硅鋼片疊成的電樞呈圓柱狀，表面槽中放置電樞繞組，如圖10所示。 圖10 直流電動機(jī)的電樞(3) 換向器，也稱作整流子。在直流電動機(jī)中，換向器是一種特殊裝置。如圖11所示。換向器由多個換向片組成，相鄰換向片之間使用絕緣片隔開。在換向器的表面，裝有電刷，在電動機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中，能使電樞繞組和外電路聯(lián)接。圖11 換向器 3.1.2 直流電動機(jī)的工作原理電動機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)和電磁力的基礎(chǔ)之上。把復(fù)雜的問題簡單化，能夠更好的理解電動機(jī)的工作原理。直流發(fā)電機(jī)的工作原理是當(dāng)一根導(dǎo)

36、體在磁場中進(jìn)行運動時，導(dǎo)體所感應(yīng)出的電動勢 e ，則有公式：e=Blv (6)式(6)中，B表示磁通密度、l表示導(dǎo)體的長度、v表示導(dǎo)體相對于磁場的速度。正方向：可以使用右手定則來進(jìn)行判斷。如圖12所示。電勢e的正方向所表示的是電位升高。與U相反。在同一元件上，若e和U的方向相反，則有e=-U。圖12 右手判斷方法電磁感應(yīng)原理，磁通的變化也能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。對電動機(jī)的工作過程進(jìn)行分析：要進(jìn)一步了解電動機(jī)的工作原理。電動機(jī)主要是由磁場、勵磁繞組、換向器、電樞等組成。通過對其工作特性的分析，進(jìn)一步了解其工作原理。磁場：在圖13中， S和N是一對靜止的磁極，在電動機(jī)運行過程中產(chǎn)生磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為正弦

37、分布在圓的四周。勵磁繞組：發(fā)電機(jī)中，一般容量較小的發(fā)電機(jī)磁極，都是采用永久磁鐵。容量較大的發(fā)電機(jī)磁場，都是采用直流電流的鐵心繞組所產(chǎn)生的磁場。勵磁繞組是用來形成N極和S極的繞組，稱勵磁繞組中的電流為勵磁電流，用If表示。電樞繞組： N和 S極之間，在圓柱形鐵心上繞著的線圈稱為電樞繞組。并稱電樞繞組中的電流為電樞電流，用Ia表示。換向器：換向器是由電樞繞組兩端接在換向片上所組成的。換向器外面裝有電刷。圖13 換向器電樞：電樞是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由鐵心、電樞繞組和換向器組成 當(dāng)發(fā)電機(jī)電樞電流增加時，電磁轉(zhuǎn)矩和輸出功率也隨著電流的增加而增加，這時原動機(jī)的輸入機(jī)械功率也增大，這樣能使轉(zhuǎn)矩和功率之間保持

38、平衡。由此分析得到，當(dāng)發(fā)電機(jī)對外輸出電功率時，原動機(jī)將需要輸出機(jī)械功率給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并輸出給負(fù)載。直流電動機(jī)的工作原理:電磁力定律，在磁場中的載流導(dǎo)體將會受到磁場力的作用，當(dāng)載流導(dǎo)體和磁場之為垂直關(guān)系時，則導(dǎo)體所受的電磁力的大小如公式(7)所示。f=BlI (7)可以通過左手定則來確定力的方向，左手定則方法如圖14所示。圖14 左手定則3.2 直流電動機(jī)的運行特性直流電動機(jī)主要分為并勵電動機(jī)和串勵電動機(jī)，以下對并勵電動機(jī)和串勵電動機(jī)做一個簡單的介紹。并勵電動機(jī)的運行特性，在電動機(jī)運行時，電樞電壓為額定電壓UN,當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生變化時，電動機(jī)的電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和輸出

39、功率，這四個變量的關(guān)系，構(gòu)成了電動機(jī)的工作特性和機(jī)械特性。并勵電動機(jī)的接線圖如圖15所示。工作特性是指電動機(jī)的端電壓U=UN和勵磁電流If=IfN時,則其工作特性可以表示為n、Te、=f(P2)。n表示的是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，Te表示的是電磁轉(zhuǎn)矩、=f(P2)表示的是效率和輸出功率P2的關(guān)系。其曲線變化規(guī)律如圖16所示。圖15 并勵電動機(jī)的接線圖機(jī)械特性是指U=UN,Rf為常值時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速，和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，關(guān)系為n=f(Te)。機(jī)械特性規(guī)律如圖17所示。圖16 并勵電動機(jī)的工作特性串勵電動機(jī)的運行特性，接線圖如圖X所示，其工作特性是指U=UN時，n、Te、=f(P2)或者n、Te、=f(Ia)。

40、其工作特性曲線如圖X所示，機(jī)械特性曲線如圖18所示。圖17 并勵電動機(jī)的機(jī)械特性圖18 并勵電動機(jī)的工作特性3.3 直流電動機(jī)的起動、調(diào)速和制動3.3.1 直流電動機(jī)的起動直流電動機(jī)的啟動，有三個基本要求，分別是：起動轉(zhuǎn)矩要大，起動電流要小，起動設(shè)備要求操作簡單、穩(wěn)定可靠、安全經(jīng)濟(jì)。常用的三種方法有：直接啟動，接入變阻器啟動，降壓啟動。直接啟動方法操作簡單，在起動時沖擊電流大，此方法不適用大型電動機(jī)的啟動，只適用于小型電動機(jī)的啟動。接入變阻器啟動可以減小啟動電流，待轉(zhuǎn)速慢慢上升起來之后再慢慢將變阻器阻值變小直到切除。啟動變阻器在啟動時需要消耗更多的電能，而且設(shè)備相對笨重。3.3.2 直流電動機(jī)

41、的調(diào)速直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=U-IaRaCe (8)由式(8)可知，調(diào)整方有電樞控制和磁場控制兩種調(diào)速方法，電樞控制就是調(diào)節(jié)電樞電壓或在電路中接入調(diào)速電阻來實現(xiàn)調(diào)速的。磁場控制就是通過調(diào)節(jié)勵磁電流來實現(xiàn)調(diào)速的。3.3.3 直流電動機(jī)的制動在電動機(jī)運行過程當(dāng)中，有時需要電動機(jī)能夠快速停止，或者由快速運行轉(zhuǎn)入低速運行，這都需要對電動機(jī)進(jìn)行制動。常用的制動方式有以下三種：能耗制動、反接制動、回饋制動。能耗制動接線如圖19所示。圖19 并勵電動機(jī)能耗制動時的接線圖能耗制動過程中，將大部分轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)換成了電能，并消耗在制動的電阻上面，其操作簡單方便，但在電動機(jī)低速運行時，在制動時的轉(zhuǎn)矩很小，為了使

42、電動機(jī)能快速停下來，通常再加上機(jī)械制動閘來配合制動。反接制動接線如圖20所示。圖20 并勵電動機(jī)反接制動時的接線圖反接制動過程中，能使運行機(jī)組快速停轉(zhuǎn)，并在轉(zhuǎn)速為0時要及時切斷電源，這就不會造成機(jī)組進(jìn)行反轉(zhuǎn)，因在反接時電樞電流會變大，所以要在反接時接入一個電阻，把電樞電流控制在允許的范圍之內(nèi)?；仞佒苿邮侵府?dāng)轉(zhuǎn)速受外在因素或其他自然條件的影響會繼續(xù)加快轉(zhuǎn)速且達(dá)到某一固定數(shù)值的情況下，限制電動機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升變大，這種方法是因把增加轉(zhuǎn)速的能量轉(zhuǎn)換成電能又送回電網(wǎng)，因此稱之為回饋制動。4 模糊控制4.1 模糊控制原理模糊控制指的是在控制方法上，采用模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理來進(jìn)行控制。模糊

43、只是概念上的模糊，通過模糊語言描述模糊控制算法，來控制完成確定的工作。設(shè)計模糊控制器，就能實現(xiàn)模糊控制。模糊控制器包括：精確量的模糊化、模糊控制算法的設(shè)計和輸出信息的模糊判決三個方面。其中精確量的模糊化是指語言變量轉(zhuǎn)化為論域上的模糊子集，模糊控制算法的設(shè)計是指通過模糊控制規(guī)則計算出模糊關(guān)系，輸出信息的模糊判決是指把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。模糊數(shù)學(xué)理論和模糊語言是模糊控制的理論基礎(chǔ)。是基于模糊規(guī)則之下的控制系統(tǒng)，模糊控制規(guī)則是通過總結(jié)、歸納和優(yōu)化得到的一種控制方式。而模糊數(shù)學(xué)以隸屬函數(shù)討論問題。建立精確的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，實質(zhì)是應(yīng)用數(shù)學(xué)處理方法，在測量數(shù)據(jù)中，找出輸入和輸出的存在關(guān)系，并通過數(shù)學(xué)方程表示

44、出來。這也是建立模糊系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)理論，把精確量數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理轉(zhuǎn)化成模糊量，通過精確數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為條件語句，使用條件語句輸入語言變量模糊子集IF、輸出語言變量模糊子集THEN來表達(dá)的模糊關(guān)系，就叫做模糊系統(tǒng)模型。模糊控制系統(tǒng)具有以下5個特點：(1) 模糊控制系統(tǒng)基于對模糊規(guī)則的控制，直接使用模糊語言控制規(guī)則來實現(xiàn)的，依據(jù)控制經(jīng)驗或相關(guān)理論知識，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，因而模糊控制系統(tǒng)設(shè)計簡單，應(yīng)用方便。(2) 根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)化的實際生產(chǎn)要求，很容易就能得到控制規(guī)則要求，根據(jù)控制規(guī)則要求建立語言控制。這對于某些難以獲取數(shù)學(xué)模型，不易掌握動態(tài)特性的對象非常實用，因而模糊控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)

45、過程當(dāng)中具有很強(qiáng)的實用性。(3) 基于模糊控制系統(tǒng)模型的控制算法設(shè)計方法，由于對性能要求不一樣，控制算法的設(shè)計方法會產(chǎn)生較大差異。但模糊控制系統(tǒng)的語言控制規(guī)則具有良好的獨立性，利用模糊控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)律之間存在的關(guān)聯(lián)，會找到控制效果要好于一般控制器的方法。(4) 模糊控制是由控制要求及控制語言規(guī)則來設(shè)計的。這有利于對控制過程進(jìn)行精確控制，以提高控制系統(tǒng)的控制能力，使其能有較好控制水平。(5) 模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較強(qiáng)，外界的干擾和參數(shù)的變化對模糊控制系統(tǒng)的控制效果影響減小，非常適合在非線性、時滯后系統(tǒng)中的應(yīng)該。對于一個很難建立數(shù)學(xué)模型的控制對象來說，很難應(yīng)該現(xiàn)有的控制水平來進(jìn)行控制，但模

46、糊控制系統(tǒng)能對復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行分析和判斷，通過人工對控制系統(tǒng)的控制，能總結(jié)出控制規(guī)則，再應(yīng)用模糊控制理論中模糊集合理論，把控制規(guī)則轉(zhuǎn)換成模糊條件語句，建立起一個模糊模型，通過模糊模型來進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計。4.2 模糊控制器的一般設(shè)計步驟模糊控制器是直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的核心。本論文的重點是模糊控制器的設(shè)計。模糊控制器的主要工作步驟為：將模糊控制器輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量，應(yīng)用到模糊邏輯決策系統(tǒng)中，在模糊邏輯決策器模塊中，根據(jù)模糊控制規(guī)則確定模糊關(guān)系R，應(yīng)用模糊邏輯推理算法，計算出控制器的輸出模糊控制量，再把模糊控制量精確化計算后得到精確的控制量，應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。在模糊邏輯推理

47、的過程中：模糊化、模糊邏輯推理、精確化計算是模糊邏輯推理的三個主要過程。(1) 模糊化：把測量所得到的輸入變量值，使用數(shù)字形式表現(xiàn)出來，轉(zhuǎn)化為模糊控制系統(tǒng)的模糊子集。通過模糊控制系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)實現(xiàn)。對任一的輸入量，隸屬度函數(shù)大于0的模糊子集至少有一個，這就使得每個輸入量都有一個確定的模糊子集與之對應(yīng)。(2) 模糊邏輯推理：模糊邏輯推理是模糊控制系統(tǒng)的核心，以模糊判斷為基礎(chǔ)，使用模糊語言規(guī)則，得到模糊判斷結(jié)論的方法。根據(jù)模糊條件語句來確定模糊控制規(guī)則，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，對確定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理計算，就能計算得出模糊輸出量。模糊推理主要有三種，分別是Zadeh法，Mamdani法和強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法

48、。(3) 精確化計算：通過模糊推理，得到模糊集合。但在模糊控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中。只有確定的值才能實現(xiàn)控制或驅(qū)動，這就需要將得到的模糊輸入量轉(zhuǎn)換成精確值，也稱此過程為反模糊化。常用的三種精確化方法是：最大隸屬度函數(shù)法、重心法和加權(quán)平均法。采用不同方法所得到的結(jié)果是不一樣的。模糊控制器的設(shè)計主要分為以下六步：(1) 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。(2) 確定輸入變量和輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度。(3) 設(shè)計模糊控制器的模糊控制規(guī)則。(4) 模糊化和去模糊化。 (5) 編制控制器算法的應(yīng)用程序。 (6) 選擇合理的模糊控制算法采樣時間。 直流電機(jī)模糊控制調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)計步驟有以下四點

49、：(1) 根據(jù)實際情況，確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。 (2) 確定輸入變量和輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度。(3) 確定模糊控制器的控制規(guī)則。(4) 確定模糊關(guān)系和模糊矩陣。5 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的MATLAB/Simulink的仿真5.1 建立直流電機(jī)的仿真模型直流電機(jī)系統(tǒng)是二階系統(tǒng)，以電樞電壓U為控制輸入，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電樞電流i作為狀態(tài)變量，得到的直流電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為:Iddidt=-iR-Kb+uJddt=Kmi-Kf-Td (9)打開MATLAB軟件，在MATLAB軟件的命令窗口輸入simulink并回車，就可進(jìn)入simulink的設(shè)計窗口，或者在MATLAB軟件的工具欄上點

50、擊圖標(biāo)，可快速進(jìn)入simulink的設(shè)計窗口，然后從新建立一個模型文件，在新建的模型文件中建立直流電機(jī)模型，如圖21所示。圖21 直流電機(jī)模型直流電機(jī)模型參數(shù)為：Kf=0.2kgm2/s,L=0.5H,J=1.2kgm2,Km=Kb=0.2Nm/A,R=2.0.5.2 模糊控制器的設(shè)計應(yīng)用MATLAB軟件中的模糊推理系統(tǒng)工具箱，對模糊控制器進(jìn)行編輯，模糊控制器的編輯方法如下：（1） 對模糊集合進(jìn)行編輯和運算，在MATLAB軟件的命令窗口在輸入fuzzy并回車，打開模糊邏輯編輯器，在模糊邏輯編輯器的菜單欄中選擇FileNew FISMamdani新建立Mamdani型模糊控制器，在菜單Edit下

51、添加偏差E和偏差變化率DE及控制增量U的輸入量和輸出量，如圖22所示。如22 模糊控制器的編輯雙擊輸入和輸出圖標(biāo)，就能對輸入和輸出的函數(shù)進(jìn)行編輯。如模糊子集個數(shù)、論域范圍、函數(shù)形狀等參數(shù)都可以進(jìn)行編輯。（2） 選擇菜單Edit-Rules進(jìn)入模糊規(guī)則編輯窗口，如圖23所示。圖23 模糊規(guī)則的編輯 在模糊控制編輯器中，通過模糊控制規(guī)則來選擇E、DE和U的值，點擊模糊規(guī)則編輯窗口的的Add rule按扭，編輯生成格式為“IF e is A and de is B THEN u is C”的語句。此次直流電機(jī)系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則如表1所示。表1 模糊控制規(guī)則dee NB NS ZE PS PBNB N

52、B NB NS NS ZENS NB NS NS ZE PS ZE NS NS ZE PS PSPS NS ZE PS PS PBPB ZE PS PS PB PB（3） 模糊推理的選擇。因選擇了Mamdani型號的模糊控制器，則采用Mamdani推理方法進(jìn)行模糊推理，采用的去模糊化方法是缺省值：centroid（重心法)。如圖24所示。圖24 去模糊化的選擇（4） 模糊關(guān)系矩陣的生成，做完（1）、（2）、（3）三步后，生成一個格式為fis的文件，保存地址為d:matlab7workmfkzq.fis(軟件默認(rèn)保存文件地址為“c:matlab7workUntitled.fis”，其中c為文件安

53、裝目錄，文件名mfkzq由自己確定)。使用函數(shù)readfis( )形成模糊關(guān)系矩陣，在MATLAB軟件中，在命令窗口中輸入命令hjr001=readfis(mfkzq.fis)并回車，以調(diào)用模糊關(guān)系矩陣。5.3 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的建立與仿真在本設(shè)計中，直流電機(jī)采用的是增量控制方法，控制量U=U0+U,其中U由模糊控制器產(chǎn)生，在MATLAB軟件的simulink設(shè)計窗口建立直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖25所示。圖25 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在使用直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)之前，需要將模糊器mfkzq.fis加載到MATLAB的工作空間，在MATLAB指令界面輸入的指令 hjr001=readfis('mfkzq.fis')并回車，就創(chuàng)建了一個名為hj