基于模糊控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究(完整資料)

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基于模糊控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究基于模糊控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究(完整資料）(可以直接使用，可編輯優(yōu)秀版資料，歡迎下載）摘要：模糊控制技術(shù)是當(dāng)今世界最先進(jìn)的控制技術(shù)之一，它是將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于控制領(lǐng)域,更真切地模擬人腦思維和判斷，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行選擇和控制，從而發(fā)展了智能化的新技術(shù)。本文簡要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀和模糊控制的概念及它的優(yōu)缺點(diǎn),并對模糊控制的原理作了說明，還介紹了以模糊控制理論為基礎(chǔ)的直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)。通過把人們用自然語言描述的控制直流電機(jī)調(diào)速經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成模糊控制規(guī)則,利用這些規(guī)則經(jīng)過模糊推理和模糊決策得到控制量。本文最后論述了一種基于MATLAB語言的直流電機(jī)模糊控制仿真系統(tǒng),通過MATＬAＢ語言中SIMULIＮＫ模塊和模糊控制工具箱的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的建模與仿真.關(guān)鍵詞：ＳＩＭＵLINK電機(jī)調(diào)速模糊控制MATLＡB直流電機(jī)畢業(yè)設(shè)計外文摘要Titｌｅ：ＦuzｚｙcoｎｔrolｏｆDCmotｏrspeｅｄconｔrolsystemＡbstｒａct：ｔｈｅｔecｈnｏｌｏgyoffuzzyｃontroliｓthｅmｏｓtadvancedｉｎtｈｅｗｏｒlｄtoapplｙfuzｚｙmatｈemａt(yī)icaltｈeoｒyｔotheｃｏｎｔrolｆｉeｌd.Ｉtｃａnimiｔatethetｈｏｕghtandｔheｊudgementofthｅｂrain,selectａndconｔｒoｌtheｐrocessofpｒoduction，anddeveｌopｉｎｇａnewｉnteｌligeｎttｅchnoｌogy。Inthｉsartｉｃle，itｉｎｔrｏdｕcesthedｅveloｐｍentofｔｈｅgoverｎingsystemoftｈedｉrecｔｃurrentｍotor,conceptｏfthefuzzｙcontｒolsｙsｔemａndtｈｅadvantageandtheｄｉsａｄvantａge。ＡlsoIｔintｒoducｅtｈefuｚzycoｎtrolsｙｓtemｏfdirecｔcurｒentｍotorｗhichｉsbaｓeｄonthｅfｕzｚｙcｏｎtrolsyｓtｅm.thougｈtｔｕrｎingtheeｘperｉeｎceofdirｅcｔｃurrｅntmotoｒｗhichcａｎbeｄiｓcribeｄinnaturａllanguageｉｎtotherｕlesoftｈefuｚzyｃonｔrｏｌ．Byｕsｉngｔhｉsｒulesandregｕlatｉonswecangetacｏｎｔrolledquanｔitythｒoughthefuzzyinfｅｒenceandfｕｚzydeciｓｉon.Inｔhelasｔｏfthisarticle，IｔdiscｕssasimｕｌatiｏｎsｙsｔemoffuzzyｃｏnｔrolinaｄirectｃurreｎtｍｏtorwhichisbasｅdontheｌaｎｇuａgeｏfMATLAB.Webrｉｎgabouttheｍoｄelbuildiｎgandｅmulａｔiｏnofthecｏntｒｏlsyｓｔemoftｈedｉreｃtcurreｎｔmｏtoｒ，tｈroughｔhｅSｉｍulinｋmｏdｕlelｉnkｊudiｃｉouslywｉｔｈwoｒkｂoｘoｆfuzｚycontroｌoflanguａgｅtothｅMAＴLAB.Ｋeｙwｏrds:ＳIＭＵLIＮＫ;MoｔoｒＳpeed;AｄjuｓｔFｕｚｚｙCoｎtｒｏl;MATLAB;DirｅｃｔCurrentＭoｔｏr目次1緒論1本課題研究的背景和意義……………１1.１１．２2模糊控制和直流電機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢…………………２1。2．1模糊控制理論概況以及它的優(yōu)缺點(diǎn)………31．２.2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀……………41。2.3直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及模糊控制的發(fā)展方向…………………1。３論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排………………2模糊控制及直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型……………………２.１模糊控制及其工作原理……………2.1。1確定量的模糊化………………….2．1。２模糊控制知識庫的生成……………2。1.３模糊控制算法………………………2．１.4模糊量的清晰化……………………2。2模糊控制的應(yīng)用………………………3直流電機(jī)的建模與仿真…………………3。1應(yīng)用ＳIMＵLINK建立直流電機(jī)模型……………………3.2應(yīng)用模糊控制工具箱設(shè)計模糊控制器………………3.３模糊系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析……………總結(jié)…………………………參考文獻(xiàn)……………………致謝…………………………１緒論1。1引言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中,幾乎無處不使用電力傳動裝置,生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的傳動系統(tǒng),可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便,易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁地?zé)o級快速起制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，至今在金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用于自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門,是截止到目前為止調(diào)速系統(tǒng)的主要形式1．2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展:1。２。1直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史直流電氣傳動系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種：第一,最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速,所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)——電動機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件,可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍（十比一至數(shù)十比一）、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等.特別是當(dāng)電動機(jī)減速時，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性;另一方面又可減少能量的損耗,提高效率。但發(fā)電機(jī)-—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積設(shè)備較多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需有地基、運(yùn)行有噪聲、維修困難等。第三,自出現(xiàn)汞弧變流器后,利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)——電動機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)—-電動機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn)：維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會造成一定的危害等.第四，１957年,世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力.由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高,而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在100０0以上，比機(jī)組(放大倍數(shù)1０)高10００倍，比汞弧變流器(１000)高10倍；在快速響應(yīng)性上,機(jī)組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級.因此,目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)備而且供電電路容量較小的情況下，仍有采用機(jī)組供電、晶閘管勵磁系統(tǒng)以外，絕大部分都己改用晶閘管相控整流供電了。1。2.2直流調(diào)速控制裝置的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國從六十年代初試制成功第一只硅晶閘管以來,晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，用于中、小功率的0.4—200KW晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標(biāo)準(zhǔn)化、系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)；用于大功率的2000KＷ系列產(chǎn)品也開始在某些大型軋機(jī)上試用。晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。隨著各種新型控制器件的發(fā)展，直流電動機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)除向大功率（單機(jī)容量己達(dá)數(shù)千千瓦，輸出電壓達(dá)1200Ｖ)發(fā)展以外，正在實(shí)現(xiàn)控制一單元標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、小型化、結(jié)構(gòu)積木式組合化。對某些中小功率裝置，正在做到使電動機(jī)和控制設(shè)備組合一體化。尤其是近年來，國外各廠家竟相推出全數(shù)字直流調(diào)速裝置,使得直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐方面都邁出了一個新臺階。國外數(shù)字直流調(diào)速裝置從技術(shù)上能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機(jī)，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進(jìn)行控制,強(qiáng)大的通訊功能使它易和PLC等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng),而且具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些諸多優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡單，使其具備了廣闊的應(yīng)用前景。與國外全數(shù)字直流調(diào)速控制裝置相比，目前國內(nèi)還沒有生產(chǎn)出功能完善、控制精度高且可靠、保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字直流控制器。１．３論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排除了本章緒論外，論文共可分為五章，下面對各章內(nèi)容進(jìn)行一一介紹。第二章對電磁調(diào)速異步電動機(jī)的基本原理、組成及其特性進(jìn)行分析，對電磁調(diào)速異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差離合器的基本特性就行研究，為了解決電磁調(diào)速機(jī)械特性較軟的特缺點(diǎn),引入速度負(fù)反饋，從而使電磁調(diào)速異步電動機(jī)的機(jī)械特性變硬。以及電磁調(diào)速異步電動機(jī)勵磁方式的實(shí)現(xiàn)。第三章對電磁調(diào)速異步電動機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，與分析.對各部分的作用進(jìn)行介紹。簡述各個部分的工作狀況。２PIＤ和模糊控制的發(fā)展２。.1經(jīng)典的PID控制:PＩD控制是工業(yè)控制過程中應(yīng)用最多的一種控制方式，其原因是:第一，由于ＰID控制器具有簡單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性；第二，給設(shè)計人員提供了一種簡單而直接的調(diào)節(jié)方式。三種不同形式的控制作用組合用來跟蹤被控對象的不同變化速度,使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)誤差更小。對于一些非線性復(fù)雜對象，盡管ＰIＤ大多數(shù)采用了近似描述和線性化原理，但其最終的模型表示形式應(yīng)該是確定的，而且利用它能夠容易地得到精確定量解。PID具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)物理意義明確，動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著優(yōu)點(diǎn),在各種新控制理論不斷出現(xiàn)的今天，在工業(yè)過程中仍占據(jù)主要位置.在PID控制算法中，存在比例、積分、微分3種控制作用。比例控制作用對系統(tǒng)誤差及時響應(yīng)，使PID控制的對象朝誤差減小的方向變化，缺點(diǎn)是對于具有自平衡能力（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對象存在靜差，加大比例作用可以減小靜差，但會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大,使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞.積分控制能對誤差進(jìn)行記憶并積分,有利于消除系統(tǒng)的靜差,不足之處在于積分作用具有滯后特點(diǎn)，積分作用太強(qiáng)會使被控對象的動態(tài)品質(zhì)變壞，以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。微分控制作用能感覺出誤差的變化趨勢,增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng),使超調(diào)量減小，缺點(diǎn)是對于干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。在工業(yè)過程中，被控對象數(shù)學(xué)模型己知的情況下,應(yīng)用PＩD的3種控制作用的控制效果正確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。因?yàn)槠渌惴ê唵?參數(shù)調(diào)整方便,并具有一定的控制精度,并在實(shí)際中取得良好的效果,因此它已成為當(dāng)前最為普遍采用的控制算法。但由于控制對象變化的隨機(jī)性和復(fù)雜性,既要獲得足夠的精度又便于系統(tǒng)分析設(shè)計的合適的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的,同時，由于控制參數(shù)多，多個參數(shù)之間的相互影響，難以取得好的效果。雖然可以采用一些近似的工程整定方法來選擇PID參數(shù),PIＤ算法本身也有它的局限性和不足，ＰID參數(shù)的整定值是具有一定局域性的優(yōu)化值,而不是全局性的最優(yōu)值，因此ＰID控制作用無法從根本上解決動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾。另外,PIＤ控制器的主要局限性在于它對被控對象的依賴性,一般需要預(yù)先知道被控對象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計，而且ＰID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時變的情況下才能獲得理想的效果，當(dāng)一個調(diào)好參數(shù)的PID控制器應(yīng)用到模型參數(shù)時變系統(tǒng)時,系統(tǒng)的性能會變差,甚至不穩(wěn)定。在工程上，直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不難得到,這使得經(jīng)典控制在已知被控對象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計的前提得到滿足，大部分?jǐn)?shù)字直流調(diào)速控制器就是建立在此基礎(chǔ)上。然而,在實(shí)際的傳動系統(tǒng)中，電機(jī)本身的參數(shù)和拖動負(fù)載的參數(shù)（轉(zhuǎn)動慣量)并不如模型那樣一成不變，在某些應(yīng)用場合隨工況而變化。同時，直流電機(jī)本身是一個非線性的被控對象,許多拖動負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素，因此，被控對象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性常參數(shù)PＩD調(diào)節(jié)器顧此失彼,不能使系統(tǒng)在各種工況下都能保持設(shè)計時的性能指標(biāo)，往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差,特別是對于模型參數(shù)大范圍變化且具有較強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng),常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求,常常不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響。上述因素的影響,即一個調(diào)好參數(shù)的PID控制器對于在另外一個環(huán)境下對具有同樣銘牌數(shù)據(jù)的直流電機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)的性能可能會變差，有時甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,工業(yè)現(xiàn)場的調(diào)試人員不得不重新調(diào)節(jié)PID各參數(shù)，這給工程現(xiàn)場調(diào)試人員帶來很大的不方便。2。２模糊控制2。2。１模糊控制原理所謂模糊控制，是指在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理來模擬人的模糊思維方法，用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。其中“模糊”是指知識、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過模糊語言描述的,但它所完成的卻是一項完全確定的工作。為實(shí)現(xiàn)模糊控制,需要設(shè)計模糊控制器，以實(shí)現(xiàn)語言控制.模糊控制器結(jié)構(gòu)包括以下３個方面:(1）精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集；(2）模糊控制算法的設(shè)計，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系；（３）輸出信息的模糊判決，并完成模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換。模糊控制以模糊數(shù)學(xué)理論、模糊語言形式為理論基礎(chǔ)，是一種基于模糊規(guī)則的控制系統(tǒng),這些模糊控制規(guī)則是直接從專家經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場操作者的經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行歸納、優(yōu)化得出來的，是一種蘊(yùn)涵著人類智能、推理和決策的控制方式.經(jīng)典數(shù)學(xué)以特征函數(shù)討論問題，而模糊數(shù)學(xué)以隸屬函數(shù)討論問題.系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的建立，其實(shí)質(zhì)是應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)處理手段，基于待辨識系統(tǒng)的大量測量數(shù)據(jù)，找出體現(xiàn)系統(tǒng)輸入與輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，并通過一定的數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述。建立系統(tǒng)模糊模型的基本思想也是這樣，只是將采集到的精確量量測數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,轉(zhuǎn)化成通過隸屬度和模糊子集表達(dá)的模糊量，也就是說，將原通過精確量數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)輸入輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系(精確數(shù)學(xué)模型)，轉(zhuǎn)化成一種相應(yīng)的由條件語句IF(輸入語言變量模糊子集）、ＴHEＮ（輸出語言變量模糊子集)表達(dá)的模糊關(guān)系，這便是系統(tǒng)的模糊模型。模糊控制具有以下特點(diǎn)：（1）模糊控制是一種基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制,它直接采用語言控制規(guī)則,依據(jù)現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受和理解,設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。（２）由于從工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用.（３）基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)不同，容易導(dǎo)致較大差異。但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接,容易找到折中的選擇,使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器；(4）模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平;（5）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對控制效果影響大大減弱，尤其適合于非線性、時滯后系統(tǒng)的控制。一個缺乏精確數(shù)學(xué)模型的被控對象，很難用現(xiàn)有的控制理論來處理,但是人工智能對復(fù)雜現(xiàn)象的分析和判斷能力是很強(qiáng)的，特別是有經(jīng)驗(yàn)的操作人員,通過對系統(tǒng)的操作、控制，總是可以總結(jié)一套控制規(guī)則,應(yīng)用模糊集合理論,把這些控制規(guī)則寫成一串模糊條件語句，構(gòu)成一個模糊模型,利用這個模型可以設(shè)計出比較理想的控制器.模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識表示為語言控制規(guī)則，并應(yīng)用這些語言控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣它可不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對被控對象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。它不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),就可對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制。模糊控制器的特點(diǎn)(5）中闡述模糊控制對干擾和參數(shù)變化不敏感和模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，使得模糊控制對在不同環(huán)境下的同一直流電機(jī)對象（在不同環(huán)境下，同一對象的參數(shù)或許己經(jīng)發(fā)生了不小的變化）進(jìn)行控制，或是己經(jīng)調(diào)好的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于參數(shù)稍有變化的控制對象時，系統(tǒng)性能沒有多大變化，使得現(xiàn)場調(diào)試人員不必為同一控制對象設(shè)置不同的調(diào)試參數(shù).2.2。2模糊控制理論的發(fā)展模糊數(shù)學(xué)是１９６5年由美國加利福尼亞大學(xué)著名的控制論專家Ｌ．A.Ｚadeh所創(chuàng)。他在深入探索和研究“大系統(tǒng)”、“模糊性"、“計算機(jī)"和“人腦思維”間的關(guān)系中,從數(shù)學(xué)與人腦思維的分離處入手，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ｃｏntoｒ所創(chuàng)的集合論實(shí)質(zhì)上是剔除了模糊性而抽象出來的數(shù)學(xué)概念，是把思維過程絕對化,從而達(dá)到精確和嚴(yán)格的目的。為此，他將模糊性和數(shù)學(xué)統(tǒng)一起來，并且不是讓數(shù)學(xué)放棄其嚴(yán)格性去遷就模糊性，而是讓數(shù)學(xué)回過頭來吸取人腦對于模糊現(xiàn)象認(rèn)識和推理中的優(yōu)點(diǎn)，于是在1９６5年發(fā)表了第一篇開創(chuàng)性經(jīng)典論文“FuzｚyＳetｓ”，這就標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的正式誕生。模糊數(shù)學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)控制中的實(shí)際應(yīng)用要晚近十年,突破性工作當(dāng)首推英國劍橋的E。H.Mａmdａni,他于19７4年首次應(yīng)用模糊控制器實(shí)現(xiàn)了對蒸汽機(jī)的控制,并獲得了比傳統(tǒng)ＤDC控制更好的效果。進(jìn)入8０年代，曾掀起一股模糊控制的研究熱潮.模糊控制技術(shù)開辟了自動控制的一條新途徑。模糊控制器理論的早期應(yīng)用是在一些特定的專用控制系統(tǒng)中.現(xiàn)在，模糊控制器的發(fā)展異常迅速,通用模糊控制器和軟件的研究更引人注目。國外很多廠家已紛紛推出商品化的通用模糊控制器和通用軟件，模糊控制器開發(fā)支持工具等。1987年日本出現(xiàn)了利用模糊推理芯片制作的模糊計算機(jī)。緊接著,1９88年又成功研制了世界上第一個模糊計算機(jī)微處理器。隨后不久,美國制成了具有模糊化、模糊推理和反模糊化命令句的第三代模糊微處理器。這意味著模糊控制技術(shù)己開始深入到硬件技術(shù)之中,而硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將會帶來模糊控制系統(tǒng)的更新飛躍。多年來,模糊邏輯的應(yīng)用日益廣泛。據(jù)文獻(xiàn)資料報導(dǎo)，從金融系統(tǒng)到地震預(yù)報工程等各個領(lǐng)域,均有不少應(yīng)用實(shí)例。并且,許多應(yīng)用實(shí)例都證明基于模糊邏輯控制器(FLC)的系統(tǒng)，具有比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)更優(yōu)良的性能.模糊控制在工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著效果的有:熱交換過程控制,交通管理，水泥窯,模型小車?？亢娃D(zhuǎn)向，機(jī)器人，汽車傳動與速度控制，以及水凈化,電梯,電力系統(tǒng)及原子核反應(yīng)控制等.模糊控制理論除了在大型工業(yè)設(shè)備和過程控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用以外，至今在計算機(jī)制造、故障診斷、圖象識別、天氣預(yù)報以及家電產(chǎn)品等各個領(lǐng)域中,也得到越來越普遍的應(yīng)用.模糊控制的發(fā)展可大致劃分為以下三個階段：第一階段:（1965-1９74）萌芽階段。主要是模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展和成形時期。第二階段：（19７４—１9７9)簡單模糊控制器階段。這種控制器的模糊控制表通過離線運(yùn)算，在線調(diào)試完成后一直保持不變，因此其自適應(yīng)能力和魯棒性有限，穩(wěn)態(tài)精度也不是很理想。第三階段：(１979-）高性能模糊控制器階段。人們在使用過程中針對簡單模糊控制器的不足，提出了很多高性能模糊控制策略。特別是1979年由T．７．Ｐrockｙ和E。H．Mamdanｉ共同提出了給模糊控制器增加學(xué)習(xí)功能，使之能在控制過程中不斷獲取新的信息，并對控制量作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,系統(tǒng)性能大為改善.近些年來,模糊控制發(fā)展迅速,這主要是由于模糊控制器可以應(yīng)用專家的控制經(jīng)驗(yàn)，對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜過程實(shí)現(xiàn)自動控制。這是因?yàn)檫^程操作人員的控制方法是建立在直觀的和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,他們憑借實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn),采取適當(dāng)?shù)膶Σ咄瓿煽刂迫蝿?wù)，于是，人們把操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)歸納成定性描述的一組條件語句，然后運(yùn)用模糊集合理論將其定量化,使控制器得以接受人的經(jīng)驗(yàn)，模仿人的操作策略,這樣就產(chǎn)生了以模糊集合理論為基礎(chǔ)的模糊控制器。模糊控制理論的提出是控制思想的一次深刻的變革，它標(biāo)志著人工智能發(fā)展到了一個新的階段。模糊技術(shù)作為一門引人注目的應(yīng)用科學(xué)，越來越受到全世界人們的關(guān)注,專家們認(rèn)為它有可能成為21世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的一項基礎(chǔ)技術(shù)。為了確保21世紀(jì)的科技競爭力，各國爭先恐后地發(fā)展模糊技術(shù)。在日本，模糊控制得到了廣泛應(yīng)用。許多公司成立了模糊系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)專門從事模糊系統(tǒng)的研究，并取得了很好的進(jìn)展.表現(xiàn)在模糊控制在洗衣機(jī)、吸塵器、冶金、制造等自動控制行業(yè)中的應(yīng)用。除此外，模糊邏輯芯片和模糊計算機(jī)的研制也取得了進(jìn)展。模糊集合理論是模糊控制器的基礎(chǔ)，模擬人的知識表達(dá)、知識推理方法是模糊理論的表達(dá)方法，其基本內(nèi)容包括:模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊推理和精確化。模糊控制是一種類人智能控制,可以實(shí)現(xiàn)非線性控制，可以得到比常規(guī)控制更優(yōu)良的控制效果,能實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜過程的控制。然而，模糊控制要有較好的發(fā)展,必須具有較完善的控制規(guī)則。對于某些復(fù)雜的工業(yè)過程,有時難以總結(jié)出較完整的經(jīng)驗(yàn)，并且當(dāng)對象動態(tài)特性發(fā)生變化，或者受到隨機(jī)干擾的影響時模糊控制的效果為了促進(jìn)模糊控制的深人發(fā)展。至今為止，國際上召開了五屆ＩFSA全世界學(xué)術(shù)大會,眾多學(xué)者也進(jìn)行了卓有成效的工作，對常規(guī)模糊控制進(jìn)行了改進(jìn)。我國在模糊控制技術(shù)的理論和實(shí)踐兩方面也有了長足的發(fā)展,國家經(jīng)貿(mào)于199４年所立的國家重大技術(shù)項目“模糊控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用”中特別包含了一個子項目—-模糊控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化.這個項目，由國家技術(shù)監(jiān)督局標(biāo)準(zhǔn)化司直接承擔(dān)并負(fù)責(zé)組織實(shí)施，迄今已有兩年時間，取得了重大進(jìn)展。這個子項目的實(shí)施必將對我國模糊控制技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。可以說，模糊控制無所不在，且與人們的生活息息相關(guān)。專家認(rèn)為模糊控制技術(shù)高深莫測，它還有很大潛力可挖，未來的某一天，它將會以更使人出乎意料的面目出現(xiàn)在世人的面前.目前，在模糊控制理論方面應(yīng)加強(qiáng)研究的主要課題為：①尋找適合于解決工程普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性的評價方法和可控性的評價方法。②模糊控制規(guī)則設(shè)計方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)的評定方法,關(guān)于量化水平,采樣周期的最優(yōu)選擇，最小實(shí)現(xiàn)以及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)的自動生成等問題。③模糊控制器參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整理論的確定及修正推力規(guī)則學(xué)習(xí)方式。④模糊動態(tài)模型的辨識方法。⑤模糊預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計方法和提高計算速度的方法。模糊控制向三個方面發(fā)展：①如前所述，模糊控制是控制難控被控對象的先進(jìn)算法，能夠顯著提高難控被控對象的控制品質(zhì)。目前發(fā)達(dá)國家正在全面推廣現(xiàn)有的模糊控制技術(shù),企圖將難控被控對象都換成模糊控制改善控制性能.②完善模糊控制智能研制自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)、帶積分的模糊控制器完善智能。③研制廉價模糊控制技術(shù)。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，ＰID控制之中最關(guān)鍵的是PID參數(shù)整定,傳統(tǒng)方法是在獲取對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來確定參數(shù).但在實(shí)際應(yīng)用中，許多被控對象具有機(jī)理復(fù)雜，高非線性，時變不確定性和滯后性等特征。對于大滯后、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，常規(guī)ＰＩＤ控制很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)。模糊控制不需要控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，它是一種基于規(guī)則的控制,依據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)和專家的知識，通過查表就可以得到控制量，實(shí)現(xiàn)簡單,控制效果好,因而模糊控制的控制性能比傳統(tǒng)的PＩD控制有明顯的優(yōu)勢。模糊控制和PID控制性能各有特點(diǎn)，針對模糊控制和PＩD控制對被控對象參數(shù)變化的自適應(yīng)能力方面進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的PＩD控制盡管能達(dá)到一定的效果,但基本上對電機(jī)參數(shù)變化基本上沒有適應(yīng)能力，模糊控制器較PＩＤ調(diào)節(jié)控制不僅對被控對象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變的情況下,也能獲得較好的控制效果。模糊控制有許多傳統(tǒng)控制無法比擬的優(yōu)點(diǎn),例如：１.使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學(xué)模型；2．采用模糊控制,過程的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)ＰＩＤ控制，并對過程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；３.對于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、而非控制專業(yè)的工作者控制方法易于掌握；4.工作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系,這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。今后控制理論面臨的突出問題是既要繼續(xù)發(fā)展身理論,又要在應(yīng)用方面留下實(shí)實(shí)在在的成果.最近，新技術(shù)發(fā)展日新月異,通常使機(jī)電設(shè)備性能更加完善與提高，但往往不能很好地發(fā)揮。這是因?yàn)闄C(jī)電性能越提高、越完善，對用戶知識和熟練技術(shù)的要求也越高,要百分之百地發(fā)揮機(jī)器性能就越難,特別是與計算機(jī)相關(guān)聯(lián)的技術(shù)中，這種傾向的感受更為激烈.因此,從機(jī)器（系統(tǒng)）方面來說,應(yīng)該具有迎合使用者的能力，這就要求構(gòu)成一種“人機(jī)友好系統(tǒng)”.這就要求這種系統(tǒng)一方面對于人具有高度的“友好性”；另一方面要求對“誰"都是易于使用的。作為人類真正友好系統(tǒng),必須像人們彼此間相互討論、相互交流那樣具有理解自然語言的能力。人類彼此間之所以能進(jìn)行美好的對話,是因?yàn)橛泄餐恼Z言、知識和思維方法，且具有模糊性，容易推敲對方意圖與問題關(guān)鍵，而模糊理論是目前能用來表示現(xiàn)代水平自然語言的模糊意識的唯一理論?，F(xiàn)代控制理論和經(jīng)典控制理論，都需要建立系統(tǒng)的精確模型，往往由于某種原因?qū)ο髤?shù)發(fā)生變化,使數(shù)學(xué)模型不能準(zhǔn)確地反應(yīng)被控對象特性,現(xiàn)代控制和經(jīng)典控制無法達(dá)到期望的指標(biāo).模糊控制把人類具有的比較單純的宏知識移植到被控對象上來，這將比現(xiàn)有的自動化機(jī)械具有更好的功能，而且是以現(xiàn)場操作人員的豐富經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，這將使得操作變得容易,一個生手就可以即興操作。由于模糊控制對被控對象數(shù)學(xué)模型的依賴性不強(qiáng)，因此,對于那些因過程本身的不確定性、不精確性及噪聲而難于建立數(shù)學(xué)模型或模型粗糙負(fù)載(如非線性、具有大時滯、時變十分嚴(yán)重等）的系統(tǒng),用模糊控制更具有優(yōu)越性，即對被控對象的時滯、非線性和時變性具有一定的自適應(yīng)能力,同時對噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力，即魯棒性較好,具有實(shí)時性好、超調(diào)量小、響應(yīng)時間短、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)誤差小、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，它集經(jīng)典控制與經(jīng)驗(yàn)控制于一體，尤其對于經(jīng)典手段難以控制的對象或只能靠有經(jīng)驗(yàn)的操作人員才能控制的對象更為適用。隨著控制技術(shù)向前發(fā)展，研制出一種基于控制理論的智能調(diào)節(jié)器，即采用模糊控制原理設(shè)計一套調(diào)節(jié)器控制規(guī)則，不需要用戶調(diào)節(jié)參數(shù)，只需在調(diào)節(jié)器中接入模糊控制器即可.基于模糊控制較PIＤ控制對被控對象模型參數(shù)變化自適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),提出控制核心部分采用模糊控制算法來改變這一現(xiàn)狀,因此本系統(tǒng)設(shè)計中的調(diào)速系統(tǒng)擬采用模糊控制.3。２。1模糊控制器的一般設(shè)計步驟直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器,所以本論文的重點(diǎn)就是模糊控制器的設(shè)計。模糊控制器的工作過程可以描述為:首先將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量，供模糊邏輯決策系統(tǒng)使用,模糊邏輯決策器根據(jù)控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系R，應(yīng)用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出控制量.最后經(jīng)精確化計算得到精確的控制值去控制被控對象.因此，模糊邏輯推理的過程主要有三個步驟：模糊化過程，模糊邏輯推理，精確化計算.(1)模糊化過程：即測量輸入變量的值,將數(shù)字表現(xiàn)形式的輸入量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊子集，通過隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)。對于任一個實(shí)際輸入量,至少有一個模糊子集的隸屬度函數(shù)大于0，所以每個實(shí)際輸入量都必有一個模糊子集與之相對應(yīng)。（2)模糊推理：是模糊控制的核心，以模糊判斷為前提,運(yùn)用模糊語言規(guī)則，推出一個新的近似的模糊判斷結(jié)論的方法。根據(jù)事先已制訂好的一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則,用模糊數(shù)學(xué)理論對模糊控制規(guī)則進(jìn)行計算推理,得到模糊輸出量。模糊推理有Zadeh法，Mamdani法以及強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法。（3）精確化計算:通過模糊推理得到的是一個模糊集合，但實(shí)際應(yīng)用中,特別是在模糊控制中,必須要有一個確定的值才能去控制或驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個能最佳代表這個模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過程就是精確化過程,也成為反模糊化.可采用很多不同的方法，用不同的方法所得到的結(jié)果也是不同的.常用的精確化方法有以下幾種：最大隸屬度函數(shù)法、重心法、加權(quán)平均法。模糊控制器的設(shè)計可以分為以下幾個步驟: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)計模糊控制器的控制規(guī)則。４。模糊化和去模糊化(又稱清晰化）的方法。5.編制模糊控制器算法的應(yīng)用程序。６．合理選擇模糊控制算法的采樣時間。直流調(diào)速系統(tǒng)中模糊控制器設(shè)計按照一般步驟對模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計：(1)在設(shè)計模糊控制器時，首先根據(jù)被控對象的具體情況來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）確定模糊控制規(guī)則(4）模糊關(guān)系和模糊矩陣模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程是：給定一個轉(zhuǎn)速值，根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)速值,計算轉(zhuǎn)速偏差。由于此時的轉(zhuǎn)速偏差ｅ是精確值，需要經(jīng)過模糊化處理，得到模糊量。模糊控制器根據(jù)輸入變量（模糊量)，按照模糊控制推理規(guī)則，計算得到控制量（模糊量）。最后,把模糊控制量去模糊處理變成精確量。通過第三章分析已知，本仿真中所用模糊控制器為一維模糊控制器。直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，所以本論文的重點(diǎn)就是模糊控制器的設(shè)計。采用MＡＴLAB中模糊推理系統(tǒng)工具箱來編輯模糊控制器,下面簡述編輯過程：(1）模糊集合的編輯和運(yùn)算（２）確定個輸入出變化量的變化范圍及量化因子:（3)模糊規(guī)則編輯（４）模糊推理（5）輸出預(yù)覽模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程是：給定一個轉(zhuǎn)速值，根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)速值，計算轉(zhuǎn)速偏差.由于此時的轉(zhuǎn)速偏差e是精確值，需要經(jīng)過模糊化處理,得到模糊量。模糊控制器根據(jù)輸入變量(模糊量)，按照模糊控制推理規(guī)則，計算得到控制量(模糊量).最后，把模糊控制量去模糊處理變成精確量.通過第三章分析已知，本仿真中所用模糊控制器為一維模糊控制器.直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，所以本論文的重點(diǎn)就是模糊控制器的設(shè)計。Fuzｚy

Ｌogiｃ工具箱是進(jìn)行模糊推理和模糊控制器仿真的工具包,它集成了FIS編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、規(guī)則觀察器和曲面觀察器等可視化工具，使用戶快速開發(fā)設(shè)計模糊控制器成為可能.這些GUI工具之間是動態(tài)鏈接的，使用他們中的任意一個對FIS的修改將影響任何其他已打開的ＧUI中的顯示結(jié)果.FIS編輯器為系統(tǒng)處理高層屬性:多少輸入和輸出變量？它們的名字是什么？模糊邏輯工具箱不限制輸入的數(shù)量,但是輸入數(shù)量受到所用計算機(jī)可用內(nèi)存的限制.如果輸入數(shù)量太大或隸屬度函數(shù)的數(shù)量太大，那么很難使用其它GUI工具分析FIS。隸屬度函數(shù)編輯器用于定義對應(yīng)于每個變量的隸屬度函數(shù)的形狀，本論文定義的隸屬度函數(shù)的形狀均為三角形.規(guī)則觀察器和曲面觀察器是不同于編輯器的用于察看ＦIS的工具。規(guī)則觀察器是一個基于ＭＡTLAB的用于顯示模糊推理方框圖的工具。可以用作一個診斷工具，例如它可以:顯示哪一條規(guī)則正在使用，或者單獨(dú)的隸屬度函數(shù)的形狀是如何影響結(jié)果的。曲面觀察器用于顯示一個輸出與一個或兩個輸入之間的依賴情況，即它為系統(tǒng)生成和繪制輸出曲面映射.５個基本GＵI可以相互作用并交換信息。編輯器可同時打開任意數(shù)量的不同的FIS系統(tǒng)。FIS編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器都可以讀和修改ＦIS數(shù)據(jù)，但是規(guī)則觀察器和曲面觀察器無法修改ＦIS數(shù)據(jù)。采用ＭＡTLAＢ中模糊推理系統(tǒng)工具箱來編輯模糊控制器，下面簡述編輯過程：1。模糊集合的編輯和運(yùn)算在ＭATLAB命令窗口鍵入ｆuｚzｙ來運(yùn)行模糊推理工具箱,系統(tǒng)就彈出一個模糊邏輯編輯器,在FILE菜單下選擇是采用Maｍdaｎｉ型還是Sugeon型模糊控制器.本設(shè)計選用Ｍamdaｎｉ型.在EＤＩT下添加輸入和輸出，選一個輸入和一個輸出,輸入命名分別為偏差E以及控制量Ｃ。對于偏差E，論域是離散的，有七個模糊子集ＮB、NM、NＳ、ZO、PS、PM、PB，即隸屬函數(shù)有7條，隸屬形狀為三角形（ｔrimf）。如4－1圖對于控制器的輸出量Ｃ隸屬函數(shù),三角形，建立隸屬度函數(shù)圖形見圖4-2:4—1輸入量E的隸屬度函數(shù)4—2控制量C的隸屬度函數(shù)（２）確定個輸入出變化量的變化范圍及量化因子:（3）模糊規(guī)則編輯:(４）模糊推理由于選用了Mamdａnｉ型模糊控制器，模糊推理采用Mａmdani推理（5）輸出預(yù)覽選擇主菜單中的Viｅwrulｅs…子菜單，可以針對模糊控制器的輸入輸出進(jìn)行仿真檢驗(yàn),規(guī)則觀察器顯示了特定的隸屬度函數(shù)的形式是如何影響整個模糊推理結(jié)果的。當(dāng)規(guī)則輸人無誤后，選擇FIS編輯器等窗體主菜單中的Ｖiｅwsurｆace…，可以看到經(jīng)模糊決策矩陣運(yùn)算并解模糊化后得到的二維坐標(biāo)圖.每個坐標(biāo)軸代表一個模糊變量，坐標(biāo)范圍就是該模糊變量的論域,不同的變量可以任意選用不同軸.ｘ軸分別表示輸入模糊變量，z軸表示輸出模糊變量.（６）生成模糊控制器（7)當(dāng)模糊規(guī)則編輯完以后,便可以將已設(shè)計好的模糊控制器模型存盤,文件名后綴為。fis。用戶可以隨時調(diào)用該文件以修改模型.用戶也可以選擇Fiｌe主菜單下的“ｓaｖｅto

workspaｃｅ"，子菜單將計算結(jié)果以矩陣變量的形式存入內(nèi)存緩沖區(qū),從而可以在Siｍulink仿真平臺上將該矩陣變量作為參數(shù)賦給一個封裝的ｆuzzy模塊，使設(shè)計好的模糊控制器作為模糊控制系統(tǒng)中的一個組成部分參與仿真過程。在本節(jié)中存為fｕzzy。fis.打開MATＬＡＢ6.5軟件，命令窗口中執(zhí)行Simuliｎk或用其他方式打開Sｉmulink模塊庫瀏覽器,從中選取需要的模塊,并按照一定的順序用連線將模塊連接成完整的系統(tǒng)模型。(1)創(chuàng)建直流電機(jī)模型,如圖4－３4-３直流電機(jī)模型（2）建立速度控制器模型，如圖4-４４-4速度控制器模型速度控制器的作用主要是通過調(diào)節(jié)占空比，控制速度的開環(huán)系統(tǒng)(3）建立開環(huán)控制模型，如圖4—5４-5開環(huán)控制模型2）閉環(huán)，即模糊控制時仿真

圖４－6為模糊控制時，即閉環(huán)時仿真模型,給定轉(zhuǎn)速為１20rａd/sec。4-６閉環(huán)控制模型模型中運(yùn)用一個比較模塊，此模塊輸入是一個正弦波和一個常數(shù)C,Ｃ與幅值為1的正弦波相比較,可以輸出方波。改變C，也就相當(dāng)于間接改變了占空比.本論文中模糊控制器的輸出為由0到1的數(shù)C，隨C的變化，可得到不同的方波,將變化的方波輸入開關(guān)元件GTＯ,則從GTＯ輸出的電壓值變化,由此達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)輸入電壓的效果.（1）空載時，模糊控制與PＩD控制性能比較空載時，模糊控制與PID控制性能比較.圖4-7及圖４-8分別是PＩD控制和模糊控制時直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速的變化過程：圖４-７ＰＩD控制圖4—８模糊控制（2）增加負(fù)載對ＰＩD控制和模糊控制的影響將ＰＩＤ控制電機(jī)模型所加負(fù)載增為１0N·Ｍ，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖4－9所示，將模糊控制電機(jī)的模型所加負(fù)載增加為1０Ｎ·M,電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖4-１0所示:首先,閉環(huán)和開環(huán)時相比較.開環(huán)時,增加負(fù)載后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會下降;閉環(huán)時，增加負(fù)載后，無論是PID控制還是模糊控制,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后都基本能達(dá)到給定值，不會下降.閉環(huán)能達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的,這是相對于開環(huán)的一個顯著優(yōu)勢。通過圖４－９和圖4—10的比較可以看出，模糊控制下電機(jī)的啟動速度明顯比PID控制時要快。由于參數(shù)選擇問題,模糊控制增加負(fù)載后轉(zhuǎn)速曲線不是十分理想,轉(zhuǎn)速上升的加速度太大,引起超調(diào)量過大，但并不影響說明問題。4-94-１0通過空載和帶負(fù)載兩種情況下ＰID控制和模糊控制性能的比較可以看出，相對于PID控制而言，模糊控制器有著更快的響應(yīng)速度,這也是模糊控制相對于PID控制的一個優(yōu)勢，但是在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,PID控制可以實(shí)現(xiàn)無靜差,這是模糊控制不能達(dá)到的。如果系統(tǒng)只是采用模糊控制技術(shù)，很多PID調(diào)節(jié)所具有的優(yōu)點(diǎn)也就無法兼而有之,所以有待于研究一種模糊PＩD控制器,使系統(tǒng)兼有模糊控制和PIＤ控制二者的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)論本文針對直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),用MATLＡＢ\SIMULIＮK進(jìn)行建模與仿真.分開環(huán)和閉環(huán)兩種情況分析。開環(huán)時討論了占空比變化及負(fù)載變化對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，占空比增大,轉(zhuǎn)速也隨之增大;負(fù)載增加，會引起轉(zhuǎn)速下降.閉環(huán)控制下，設(shè)計了模糊控制器,進(jìn)行仿真后,與PＩD控制下的轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行了比較，在空載和帶負(fù)載兩種情況下說明了模糊控制比PID控制有更快的響應(yīng)速度。相對于ＰIＤ控制而言,模糊控制有著更快的響應(yīng)速度，這是模糊控制相對于ＰID控制的一個優(yōu)勢，但是在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，PID控制可以實(shí)現(xiàn)無靜差,這是模糊控制不能達(dá)到的。如果系統(tǒng)只是采用模糊控制技術(shù),很多PID調(diào)節(jié)所具有的優(yōu)點(diǎn)也就無法兼而有之,所以有待于研究一種模糊PＩD控制器，使系統(tǒng)兼有模糊控制和PIＤ控制二者的優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1］ZadehLA.FuzzyＳeｔs[Ｊ］.Inforｍａt(yī)Coｎｔroｌ。1９65，（８)：3３８－３53。［2]MaｍdaniＥＨ。Appｌｉcａt(yī)ｉonsofＦuｚzyＡlgorithmｓｆorContｒｏloｆSimpleDｙnamicpｌａnt［J］.Ｐrｏc。IEE.197４，1２1（12)：1585-１588。［3］屠宇,梁惠冰．一種基于比例、量化因子在線自調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器[J］.廣東自動化與信息工程，19９9，(2）：1—4．[4］李士勇.模糊控制神經(jīng)理論和智能控制論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，１996.２８3-294。［5］孫慶，吳宏鑫。自適應(yīng)模糊控制的仿真研究［J]．計算機(jī)仿真，１9９7,14(3）:47。[6]潘維民，沈理。模糊系統(tǒng)和前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合［J］。計算機(jī)科學(xué),19９9,27（1）:5４-57。[7]路兆梅，匡文生。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)習(xí)方法的改進(jìn)[J］.電氣自動化，2000，（１)：26-28.［8］MaｕrícioFigueirｅdo，F(xiàn)erｎａnｄoGomｉde。DeｓiｇｎｏｆFuｚzySｙstemsUsinｇＮeｕro－fuｚzyNetｗorkｓ［J］．IＥＥEＴransacｔionsｏnＮｅuｒalNeｔworks，１99９，１0（4）:８15—82７.［9］葉其革，吳捷。一種自組織模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器［Ｊ］．控制與決策,１9９9，１3（６):694-69８.［10］YAOMin.AKindｏfＡdaｐtiveＦuzzyＳｙstem[J］?？刂评碚撆c應(yīng)用，19９8，15(３）：365—３71.[11]ShｉqianＷu(yù),MenｇＪｏｏEr，JｕnLｉａo．ANovelLearｎingAlgoｒithmfoｒDynamｉcFuzzyNeuraｌＮｅtwoｒk[J]．ProcｅedinｇofthｅAｍｅricaｎCoｎ2trolＣonfeｒeｎce,1999。２310—23１4．[12]Ｃhia2FeｎｇJuaｎｇ，Chin2TｅnｇLｉｎ。AＲecurrentSelf2OrgａnizinｇNeuralFuzｚyInferenｃeNetwｏrk[J］.ieeｅｔrａnsactionsｏnneuraｌnｅtｗｏｒks,1９９9，1０(４):８28－8４4.［13］吳介一.提高模糊控制精度的研究[J].控制理論及應(yīng)用，1996，１3(2)[1４]胡家耀，吳植翹，宋壽山．參數(shù)自調(diào)整Fuzｚｙ—ＰI調(diào)節(jié)器［J]。信息與控制，1987，（6）[１5]鄭維敏.用模糊集理論設(shè)計模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)[J]．信息與控制,1９82，(3)[1６]王永初，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)工程設(shè)計，機(jī)械工業(yè)出版社[１7］王永初、任秀珍，化工自動化及儀表，(1980）［１8］ShiｎskeyF．G.,ＣontrolEng。,（Ｆｅb。1０7４)[１９]ＳlｉiｎkeｙF．G。,ProeessＣonｔrolＳyｓtems，MeＧraw一Hlll，（1979)［20]SooｄM.，HｕddｌeｓtｏｎH.Ｔ．，InstrｕmentTeehｎolｏgｙ，(Ｆeｂ.1972）［２1]GibsonＪ。E.,ＮｏnliｎeａrAｕtoｍatiｅControl,MeGｒaｗ一Hiｌｌ，（１９６3）［22]張深．直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用［M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社,１996。[23]陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社,２001．2。[24]劉和平等。TMS３2０LF240xDＳＰ結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用．北京:航空航天大學(xué)出版社,20０2。4。［25]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2０00.6［２６］樓順天，胡昌華,張偉?；冢虯ＴLＡB的系統(tǒng)分析與設(shè)計─模糊系統(tǒng)［Ｍ］。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20０１．５[27]劉金琨。先進(jìn)PID控制及其MATＬＡB仿真[M］.北京:電子工業(yè)出版社，２003.[28］李友善，李軍.模糊控制理論及其在過程中的應(yīng)用［M].武漢：國防工業(yè)出版社，2０02．[２９］陶永華，尹恰欣，葛蘆生。新型PIＤ控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.［30］周凱汀,鄭力新．基于Ｍａｔlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真及參數(shù)進(jìn)化設(shè)計［J］。計算技術(shù)與自動化，2001,20（２）：１０—１４.[31］周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與Matlab仿真［Ｍ］。北京:中國電力出版社,20０3.[32］雷英杰。Mａt(yī)lａｂ遺傳算法工具箱及應(yīng)用[Ｍ］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，２005.[3３］鐘麟，王峰。Ｍａt(yī)lａｂ仿真技術(shù)與應(yīng)用教程［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2004．［３4］王立紅,楊匯軍.基于Maｔlab的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真［J］．遼寧工學(xué)院學(xué)報，2004，２4(1）：8-9,13．［35］徐月華,汪仁煌.Matｌab在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］。微計算機(jī)信息，2003，19(８）:3２-3３，2７。[３6］馬志源。電力拖動控制系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社，２004．［３7］王兆安，黃俊。電力電子技術(shù)[M]．4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000。[3８］龍瑜.論單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)［J］．電機(jī)電器技術(shù)，20０４（1):39－４2.[38］顏南明,李長兵.基于Matlab下的BLＤＣM調(diào)速系統(tǒng)仿真研究[J］。系統(tǒng)仿真學(xué)報，2０02，１4（4):４62－466.基于單片機(jī)控制的交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計思想是用轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行控制。通過改變程序來達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。由于設(shè)計中電動機(jī)功率不大，所以整流器采用不可控電路，電容器濾波；逆變器采用電力晶體管三相逆變器.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主回路，驅(qū)動電路，光電隔離電路，SA8282大規(guī)模集成電路，保護(hù)電路，AT89Ｃ51單片機(jī)，8255可編程接口芯片，I／O接口芯片，測速發(fā)電機(jī)等組成.回路中有了檢測保護(hù)電路就可以使整個系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性有了保障。關(guān)鍵詞:AＴ89C５1單片機(jī)；SＡ８282；轉(zhuǎn)差頻率;交流調(diào)速；三相異步電動機(jī)目錄TOC\o”1－3"\h＼z\ｕHYＰERLＩＮＫ\l"＿Toｃ2６４1９5８１7”前言1HYＰERLINK\l＂_Toｃ26４195818"第1章交流調(diào)速系統(tǒng)的概述41．1交流調(diào)速的基本原理4HYPEＲLIＮＫ\l"_Ｔoc26４195825”1。2交流調(diào)速的特點(diǎn)５第２章交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計72.１轉(zhuǎn)差頻率控制原理：7HYPERLINK\l＂_Toc26４1958２8＂2。2系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)７ＨＹPERLINK\l”_Ｔoc2641９5８29"2．3用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計７2.３。1調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計7HYＰERLＩＮＫ\l"_Ｔｏｃ2６419５831"2．3．２元器件的選用9HＹPERＬINK\l"_Tｏc26419５８３2"2。3.３系統(tǒng)主回路的設(shè)計以及參數(shù)計算122.3。4ＳPWM控制信號的產(chǎn)生152。3.５光電隔離及驅(qū)動電路設(shè)計17HYＰERLINK\l”_Tｏc264１９5８35”２。３。６故障檢測及保護(hù)電路設(shè)計18２．3．７模擬量輸入通道的設(shè)計１8ＨYPＥRLＩNK\l”_Ｔoc２6４1958３7＂第3章系統(tǒng)軟件的設(shè)計1９HＹPERLINK\l"_Toｃ26４1９583８"3.1主程序的設(shè)計19HYPERLINＫ\l＂_Ｔoc264195839"3。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序19ＨＹＰＥRLＩＮK\l＂_Toｃ2641958４0”3。３增量式PＩ運(yùn)算子程序２０３。4故障處理程序２13．5部分子程序２２HYPERLIＮK\l”＿Tｏｃ２６419５843”3.5．1AD0８0９的編程２２HYＰERLIＮK\l”＿Tｏc２６4１958４4”3．５。2８25５的編程２3ＨYPＥRLINK\l"_Tｏc264195845"結(jié)論23HYPERLINＫ\l＂_Tｏc２６41９5847”參考文獻(xiàn)２3前言自上個世紀(jì)90年代以來,近代交流調(diào)速步入了以變頻調(diào)速為主導(dǎo)的發(fā)展階段.其間，由于各種新型電力電子器件的支持,使變頻調(diào)速在低壓（3８0V）、中小容量（2０0kW以下）方面取得了較大的進(jìn)展。但是面對高壓（６~１0kV）中大容量領(lǐng)域,由于電力電子器件自身規(guī)律的限制,變頻調(diào)速在技術(shù)上遇到了很大困難,無論是“高－低"“、高—低－高”以及“多電平串聯(lián)"等方案,都在實(shí)踐中暴露出技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴、效率降低、可靠性較差等缺點(diǎn)。從理論上看，高壓變頻所面臨的問題是違反電力電子器件客觀規(guī)律的結(jié)果，因?yàn)槟壳皫缀跛械碾娏﹄娮悠骷?其材料、工藝機(jī)理都決定了其屬性是低壓大電流的。盡管如此,高壓變頻的勢頭仍有增無減，除了客觀市場需求的拉動以外(諸如高壓中大容量的風(fēng)機(jī)泵類節(jié)能)，主要是“變頻調(diào)速是唯一的最佳交流調(diào)速”理論導(dǎo)向的結(jié)果。根據(jù)近代交流調(diào)速理論，交流調(diào)速被劃分為變頻、變極和變轉(zhuǎn)差率三種方案，在缺乏科學(xué)分析的條件下，認(rèn)定變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是低效率的，而變極調(diào)速又屬于有級調(diào)速，因此惟有變頻調(diào)速最佳。而變頻調(diào)速方法與變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法有本質(zhì)不同,從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率,因而變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。可以認(rèn)為，變頻調(diào)速是交流電動機(jī)的一種比較合理和理想的調(diào)速方法?！彪S著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)也有了日新月異的變化.可調(diào)速的高性能交流電力拖動系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣。進(jìn)入21世紀(jì)交流調(diào)速技術(shù)也進(jìn)入了現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)時代，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)也成為人類社會的重大技術(shù)進(jìn)步之一.其發(fā)展速度之快、應(yīng)用覆蓋范圍之廣都是前所未有的。而且應(yīng)用實(shí)踐表明,采用現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)極大的提高了傳動系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量,同時，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。第１章交流調(diào)速系統(tǒng)的概述1。1交流調(diào)速的基本原理本文以地毯背涂機(jī)為例敘述在地毯制造業(yè)上的應(yīng)用.圖1—1三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖１—機(jī)座;2-定子鐵心；３—定子繞組；4—轉(zhuǎn)子鐵心；5—轉(zhuǎn)子繞組；變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的.常用三相交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)為圖1所示。定子由鐵心及繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子繞組做成籠型（見圖1—２）,俗稱鼠籠型電動機(jī)。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運(yùn)動，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢,出現(xiàn)感應(yīng)電流,此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)轉(zhuǎn)動起來。電機(jī)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速,用n1表示(１－1)式中:f-—三相交流電源頻率,一般為50Hｚ.p——磁極對數(shù).當(dāng)p=1時,＝3００0r/min;p＝２時,=1500r/ｍin。可見磁極對數(shù)p越多,轉(zhuǎn)速越慢.轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n1要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電機(jī)，這個差別用轉(zhuǎn)差率s表示：(1－2）當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間,n=０，這時ｓ=1;起動后的極端情況n=，則s＝0，即s在0~1之間變化。一般異步電機(jī)在額定負(fù)載下的s＝(1～6）%.綜合式（１—1）和式（１—２）可以得出（1-3)由式(1—3）可以看出，對于成品電機(jī)，其磁極對數(shù)ｐ已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比,因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。１。2交流調(diào)速的特點(diǎn)對于可調(diào)速的電力拖動系統(tǒng),工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類。這主要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動機(jī)來進(jìn)行電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換而劃分的,所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動機(jī)作為電能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速.交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，具有如下特點(diǎn)：1．容量大這是電動機(jī)本身的容量所決定的。直流電動機(jī)的單機(jī)容量能達(dá)到１2—14MW，而交流電動機(jī)的容量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高與此數(shù)值。2。轉(zhuǎn)速高,而且耐壓直流電動機(jī)受到換向器的限制，最高電壓只能達(dá)到10０0多伏,而交流電動機(jī)容量可達(dá)到6—10ＫV,甚至更高。一般直流電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到3000轉(zhuǎn)/ｍｉn左右，而交流電動機(jī)則可以高達(dá)每分鐘幾萬轉(zhuǎn)。這使得交流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)具有耐高壓，轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)。3.交流電動機(jī)本身的體積，重量，價格比同等容量的直流電動機(jī)要小，且交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,堅固耐用,經(jīng)濟(jì)可靠，慣性小成了交流調(diào)速系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。４．交流電動機(jī)的調(diào)速裝置環(huán)境適應(yīng)性廣。直流電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向器工作要求高,使用中受到很多限制，如工廠里的酸洗車間，由于腐蝕嚴(yán)重,使用直流電動機(jī)每周都要檢查碳刷，維修起來比較困難，而交流電動機(jī)卻可以用在十分惡劣的環(huán)境下不至于損壞.５．由于高性能，高精度，新型調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流拖動系統(tǒng)已達(dá)到同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo),越來越廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個生產(chǎn)領(lǐng)域。６.交流調(diào)速裝置能顯著的節(jié)能。工業(yè)上大量使用的風(fēng)機(jī)，水泵,壓縮機(jī)類負(fù)載都是靠交流電動機(jī)拖動的,這類裝置的用電量占工業(yè)用電量的50%,以往都不對電動機(jī)調(diào)速，而僅采用擋板，節(jié)流閥來控制風(fēng)量或流量。大量的電能被白白的浪費(fèi)掉，如果采用交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來改變風(fēng)量或流量的話，效率就會大大的提高,從各方面來看，改造恒速交流電動機(jī)為交流調(diào)速電動機(jī)，有著可觀的能源效益。交流電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價格低廉，維修方便,故而應(yīng)用面很廣,幾乎所有的調(diào)速傳動都采用交流電動機(jī)。盡管從１9３0年開始,人們就致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，然而主要局限于利用開關(guān)設(shè)備來切換主回路達(dá)到控制電動機(jī)啟動，制動和有級調(diào)速的目的。變極對調(diào)速，電抗或自藕降壓啟動以及繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的有級調(diào)速都還處于開發(fā)的階段。交流調(diào)速緩慢的主要原因是決定電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要因素的交流電源頻率的改變和電動機(jī)的轉(zhuǎn)距控制都是非常困難的,使交流調(diào)速的穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性以及效率均不能滿足生產(chǎn)要求。后來發(fā)展起來的調(diào)壓，調(diào)頻控制只控制了電動機(jī)的氣隙磁通,而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)差頻率控制在一定程度上能控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)距。第2章交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計2．1轉(zhuǎn)差頻率控制原理：當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時。異步電機(jī)的機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式為：（2—1）當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)差QUOTE＼＊MERGＥFORMAT額定空載轉(zhuǎn)速ＱUOＴE\＊ＭＥRＧＥFORMＡＴ相比很小時（）QUOTＥ,,可以從式中約去，這樣式（２－１)可以簡化為:其中（2—2）從式(2-２)中可得，當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率較小且磁通恒定時,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與QUOTE成正比。這時只要控制轉(zhuǎn)差頻率就能控制轉(zhuǎn)矩T，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。若要使轉(zhuǎn)差頻率ＱUＯＴE較小,只要有提供異步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋即可實(shí)現(xiàn)。若要保持ＱUOTＥ為恒值,即保持勵磁電流恒定，而勵磁電流與定子電流有如下關(guān)系，（2-３)因此若,按照上述規(guī)律變化，則恒定，即恒定。轉(zhuǎn)差頻率控制策略是:利用測速環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速給定、比較，限制輸出頻率QUOＴE\＊ＭERＧＥＦORＭAT，使轉(zhuǎn)差率（即)不太大;控制定子電流QUOTE，使得勵磁電流保持恒定；這時控制實(shí)現(xiàn)調(diào)速。系統(tǒng)原理圖如圖２—ｌ所示。圖2－l轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖從圖２—1可知．系統(tǒng)由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、函數(shù)發(fā)生器、加法器，整流與逆變電路,PWM控制電路，異步電動機(jī)及測量電路等組成,其中異步電動機(jī)由SPＷM控制逆變器供電。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASＲ的輸出是轉(zhuǎn)差頻率給定值,表轉(zhuǎn)矩給定。函數(shù)發(fā)生器輸入轉(zhuǎn)差頻率產(chǎn)生。信號,并控制定子電流。以保持為恒值；加法器對轉(zhuǎn)差頻率和轉(zhuǎn)速信號求和得到變頻器的輸出頻率。從而實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)變頻調(diào)速。2。2系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)對一臺三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。異步電動機(jī)的參數(shù)：,，,接法，采用轉(zhuǎn)差頻率控制方法,由單片機(jī)組成核心。調(diào)速范圍（2.2-５1ＨZ），無級調(diào)速，靜差率。根據(jù)對象參數(shù)，完成各功能單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計,參數(shù)計算.2。3用單片機(jī)控制的電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計２.３1調(diào)速系統(tǒng)總體方案設(shè)計轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比的調(diào)速系統(tǒng),雖然結(jié)構(gòu)簡單，異步電動機(jī)在不同頻率小都能獲得較硬的機(jī)械特性但不能保證必要的調(diào)速精度，而且在動態(tài)過程中由于不能保持所需的轉(zhuǎn)速，動態(tài)性能也很差，它只能用于對調(diào)速系統(tǒng)的靜，動態(tài)性能要求不高的場合。如果異步電動機(jī)能象直流電動機(jī)一樣，用控制電樞電流的方法來控制轉(zhuǎn)矩，那么就可能得到和直流電動機(jī)一樣的較為理想的靜，動態(tài)特性。轉(zhuǎn)差頻率控制是一種解決異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制問題的方法，采用這種控制方案的調(diào)速系統(tǒng)，可以獲得與直流電動機(jī)恒磁通調(diào)速系統(tǒng)相似的性能。調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖２-2所示。圖2—2調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2－2所示，系統(tǒng)主電路由二極管整流電路、SPＷM逆變器和中間直流電路等組成，都是電壓源型的,采用大電容C1濾波,同時兼具無功功率交換大的作用。為了避免大電容在合上電源開關(guān)后通電的瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入電抗，剛通上電源時，由L1限制充電電流，然后經(jīng)過一段時間延時,L失去限流作用,使電路正常供電。２。32元器件的選用1.8255的資料82５5是可編程的并行I/O接口芯片，它具有3個８位的并行Ｉ/O口,三種工作方式,可通過編程改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。８255的引腳圖如圖2—3所示.由圖可知，8255共有40個引腳，各引腳功能如下：圖2—38２55引腳圖2。ADC０80９的資料ADC080９是一種逐次逼近式8路模擬輸入,8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器.其引腳如圖2－４所示.由引腳可見,ＡDC080９共有2８個引腳,采用雙插直列示封裝圖2—４ＡDＣ０809引腳圖3.SＡ８28２的資料SＡ82８2是MITEL公司推出的一種用于三相SＰWM波發(fā)生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，內(nèi)置波形ＲOＭ及相應(yīng)的控制邏輯，設(shè)置完成后可以獨(dú)立產(chǎn)生三相PWM波形,只有當(dāng)輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預(yù),微處理器只用很少的時間控制它,因而有能力進(jìn)行整個系統(tǒng)的檢測、保護(hù)和控制等.基于SA8282和89C51的變頻器具有電路簡單、功能齊全、性能價格比高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。圖2-5SA８282的引腳排列圖４．ＡT89C5１的資料ＡＴ89Ｃ51是一種帶４K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FｌaｓhＰｒograｍｍabｌｅaｎdErａｓabｌeRｅａdＯnｌｙMemory）的低電壓,高性能CMＯS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。AT89C20５1是一種帶２Ｋ字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī).單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1０0次。該器件采用AＴMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MＣＳ-51指令集和輸出管腳相兼容.由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT8９Ｃ５1是一種高效微控制器，AT89Ｃ２0５１是它的一種精簡版本.AT8９Ｃ51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖2-６所示圖2—６AT89C51的管腳排列圖２。3３系統(tǒng)主回路的設(shè)計以及參數(shù)計算1。主回路的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主回路是交—直-交電壓型變頻電路，其圖2-7如下所示：圖2－7系統(tǒng)主回路電路圖整流采用三相橋式不可控整流器，L、C1、C2組成濾波電路，Rb用來吸收制動能量。整流逆變電路采用的是ＧRT三相橋式PWM逆變器。2.參數(shù)計算和元件選擇(1）大功率開關(guān)管SPWM正弦脈寬調(diào)制方法的直流利用率為0．866，即。為了使逆變器輸出380V的線電壓,要求直流側(cè)的電源電壓：，考慮到大功率的晶體管的管壓降等，取,則大功率晶體管的參數(shù)為,。選擇晶體管模塊QCＡ50A-1００A三塊，作為大功率開關(guān)管。QCA50A-100A為兩單元組件,c-e極帶反向續(xù)流二極管，絕緣式結(jié)構(gòu),其極限參數(shù)為：，，,它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖２-8所示。圖2—8QCＡ50Ａ—100模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)（2）三相整流橋整流橋輸入側(cè)電壓為：,直流側(cè)功率可估算如下：取電動機(jī)的效率為0。82，則電動機(jī)的輸入功率為。取逆變器的效率為0.9３，則直流側(cè)的功率為：，故直流側(cè)電流:。整流二極管最高反壓:。基于以上數(shù)據(jù),選用MDS型三相整流橋模塊，其最大輸出電流為40Ａ，最高耐壓為100０V.(3）LC濾波器取,其最大耐壓。選擇兩只２２00uＦ,耐壓在5０0Ｖ以上的電容器并聯(lián)使用。濾波電感在這里主要用來限制電流脈動(PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)不存在電流不連續(xù)問題）和短路電流上升率，按照晶體管三相橋式整流電路限制電流脈動的電感量算式估計如下(取）考慮到電動機(jī)和整流變壓器存在一定的電感量,取實(shí)際的電感為100mH。選擇一臺電感量為100mH,額定電流不小于６。４A的電抗器L.3.調(diào)節(jié)器的設(shè)計本系統(tǒng)采用增量式轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)方式,轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器設(shè)計為帶有死區(qū)的調(diào)節(jié)器,即:(2－4）因,所以與之和反映了頻率，即為頻率指令信號。控制結(jié)構(gòu)框圖和控制曲線如下圖2—９所示.為死區(qū),它是為了避免因量化誤差，舍入誤差引起系統(tǒng)運(yùn)行不平衡而引起的。為線性調(diào)節(jié)區(qū),當(dāng)時，輸出限幅，用以現(xiàn)在轉(zhuǎn)差頻率的最大增量,亦即限制的最大增量，亦即限制的最大增量，防止系統(tǒng)過沖，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。決定系統(tǒng)的積分系數(shù),它由電位器給定，通過Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入。當(dāng)確定后，通過調(diào)節(jié)電位器，就能改變積分系數(shù),整定方便。的值根據(jù)靜態(tài)精度要求和實(shí)際系統(tǒng)工作時的最低轉(zhuǎn)速來確定，，通過實(shí)驗(yàn)確定。a）控制結(jié)構(gòu)框圖b）控制曲線圖2-9控制結(jié)構(gòu)框圖和曲線圖2。３4SPWＭ控制信號的產(chǎn)生在本系統(tǒng)中，控制信號用SＡ82８2大規(guī)模集成塊來產(chǎn)生。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過調(diào)頻,調(diào)壓實(shí)現(xiàn)的.以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波(Caｒrierwaｖe），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Mｏdｕｌａt(yī)iｏｎwave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。如圖2－１1為其調(diào)制原理圖。按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等,因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效.正弦調(diào)制波在半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SＰWＭ波也在正負(fù)之間變化，也稱為雙極性控制方式.將三相電壓和幅值為頻率為的三角載波分別送到三個獨(dú)立的比較器，比較器的輸出一方面接到相應(yīng)的上橋臂開關(guān)作為驅(qū)動信號，另一方面經(jīng)過反相后接到相應(yīng)的下橋臂開關(guān)作為驅(qū)動信號，在系統(tǒng)主回路電路圖圖2—10中參考波是U相，則其直接輸出將驅(qū)動Ｖ1開關(guān)，反相輸出驅(qū)動V4開關(guān).將三相參考波和載波放在同一個坐標(biāo)系上，則如圖2-１1所示,以為例，當(dāng)時，為高電平，則驅(qū)動V１導(dǎo)通,V4截止，圖圖2-10SPWM調(diào)制原理圖圖2-1１SPWＭ逆變器電壓波圖形；當(dāng)時,為低電平,Ｖ1截止，V4導(dǎo)通，,輸出都波形為雙極性。更為實(shí)際的是SPWM逆變器往往加上調(diào)節(jié)器，加上調(diào)節(jié)器后，實(shí)際的是輸出電壓與參考電壓或指令電壓比較后作為調(diào)節(jié)器的輸入,其輸出形成相應(yīng)的,,，這樣輸出總是跟隨者指令電壓變化。在模擬電子電路中，采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實(shí)現(xiàn)ＳPWM的雙極性控制;改成數(shù)字控制后,開始時只是把同樣的方法數(shù)字化，稱做“自然采樣法"而在工程上，采用的是簡化后的“規(guī)則采樣法”。在本設(shè)計中,SＡ828２控制脈沖波的輸出采用數(shù)字方法，數(shù)字方法是按照不同的數(shù)字模型用計算機(jī)算出各切換點(diǎn)并將其存入內(nèi)存然后通過查表及必要的計算生成PＷＭ波，從而實(shí)現(xiàn)以軟件方式控制的,在ＳA8282的ROM中儲存有脈沖表，ＳA8282可通過查表得知應(yīng)該輸出的脈沖的頻率與幅值，從而可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩。ＡＴ8９Ｃ5１則通過檢測電路檢測的圖2-12AＴ８9C5１與SA8282連接電路圖數(shù)據(jù)通過P0口向SＡ8２82的ＡD口傳送數(shù)據(jù),使SＡ８２82輸出相應(yīng)的脈沖波，從而達(dá)到轉(zhuǎn)差頻率控制電動機(jī)的交流調(diào)速。2。35光電隔離及驅(qū)動電路設(shè)計SA８２82輸出的PWM控制信號功率很小,無法直接驅(qū)動ＧTR，要經(jīng)過脈沖功率放大才能驅(qū)動GTR，脈沖功率放大電路選用模塊EX359。該模塊是一圖2—13EＸ35９驅(qū)動模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)個帶有光隔離的功率放大電路,其電源電壓為12V,輸入信號５V，輸出電壓(對應(yīng)ＧＴR導(dǎo)通)和－２V(對應(yīng)GＴR關(guān)斷)，工作頻率為2．5，可驅(qū)動50A以下的逆變器，其內(nèi)部電路如圖２－13所示。2.36故障檢測及保護(hù)電路設(shè)計故障檢測及保護(hù)電路如圖2—14所示，該電路采用電阻取樣的電壓、電流保護(hù)電路，通過調(diào)節(jié)電位器ＲP１、ＲP２來設(shè)定最大的允許電壓、電流值。電路中C１、C2接８２55的Ｃ口中的PC2、ＰC3，O端接SA8２８2的CLK。圖2－14過電流，過電壓保護(hù)電路控制端這樣保護(hù)電路可通過門1輸出控制信號的封鎖SＡ８282輸出的ＰWＭ控制信號，斷開主回路電源.Ａ1、A2接8２55的C口中的PC4、PC5，通過PC4、PC5輸入故障信號，用以檢測故障類型.2.37模擬量輸入通道的設(shè)計由于本次設(shè)計中選用的ＡT８9C51單片機(jī)沒有模數(shù)轉(zhuǎn)換器所以需要在外部電路中加上模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)過考慮選用的是ＡDC0８09芯片.它能完成８路模擬量的轉(zhuǎn)換，為了削弱反饋信號中的交流分量，在需在反饋信號輸入前加一RC濾波電路，取,對應(yīng)的時間常數(shù)為.系統(tǒng)軟件的設(shè)計3．1主程序的設(shè)計主程序框圖如圖３—1所示。先進(jìn)行芯片初始化,然后，清系統(tǒng)工作區(qū)，開放８9C５1外部中斷，啟動軟件定時器１0ｍs（采樣周期）。所以，系統(tǒng)初始化完畢，進(jìn)入控制循環(huán)：測速→中斷服務(wù)(,和，運(yùn)算，查表求出)→可逆切換程序→輸出控制量→測速.圖3－１系統(tǒng)主程序框圖3。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序即為軟件定時器O的中斷服務(wù)程序,其程序框圖如圖3-2所示。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程序中，完成