直流电动机调速系统模糊控制的仿真
基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统仿真研究
基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统仿真研究摘要直流电机广泛应用于工业自动化领域，在许多工业过程中扮演着重要的角色。
为了实现对直流电机的精确控制，双闭环调速系统被广泛采用。
本文提出了基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统，并通过仿真研究进行验证。
仿真结果表明，该算法能够有效地提高直流电机调速系统的动态性能和稳定性。
关键词：直流电机，双闭环调速系统，模糊PID算法，仿真研究1.引言直流电机具有结构简单、启动电流小、调速范围广等优点，在工业控制中得到了广泛的应用。
双闭环调速系统是一种常用的直流电机控制方法，通过两个闭环控制器实现对电流和转速的控制，提高了控制系统的精确性和稳定性。
然而，传统的双闭环调速系统存在一些问题，如参数调整困难、响应速度较慢等。
因此，本文提出了基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统。
2.双闭环直流调速系统结构双闭环直流调速系统包括了电流环和速度环两个控制环路。
电流环负责控制电机的电流，速度环负责控制电机的转速。
两个环路通过PI调节器连接，形成闭环控制系统。
3.基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统设计模糊PID算法是PID算法的一种改进方法，将模糊控制理论引入到PID控制中，通过模糊化输入和输出变量，建立模糊规则库，利用模糊推理机制完成控制。
本文将模糊PID算法应用于双闭环直流调速系统中。
4.仿真研究在Matlab/Simulink环境下进行双闭环直流调速系统的仿真研究。
首先，建立系统的数学模型，包括电机的电流方程和速度方程。
然后，根据数学模型，设计模糊PID控制器，并设置合适的控制参数。
最后，进行仿真实验，对比分析不同控制算法在系统动态响应、稳态误差等方面的性能差异。
5.仿真结果与分析通过仿真实验，得到了基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统的性能数据。
对比分析表明，采用模糊PID算法的控制器能够有效地提高系统的动态性能和稳定性，减小了调试的难度。
6.结论本文提出了基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统，并进行了仿真研究。
基于模糊PID的直流电机控制系统设计与仿真
第16期2023年8月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.16August,2023基金项目:山西大同大学研究生教育创新项目;项目编号:21CX20㊂2020年大同市科技计划项目;项目编号:2020021㊂2021年大同市农业农村局院校合作科研项目;项目编号:DT YXHZ 202104㊂作者简介:赵政宏(1998 ),男,山西忻州人,硕士研究生;研究方向:机器人设计㊂∗通信作者:乔栋(1981 ),男,山西灵丘人,硕士,教授;研究方向:智能机器人㊂基于模糊PID 的直流电机控制系统设计与仿真赵政宏1,乔㊀栋2∗,董志民1,朱守建1,赵㊀杰1,李博文1(1.山西大同大学煤炭工程学院,山西大同037009;2.山西大同大学建筑与测绘工程学院,山西大同037009)摘要:文章根据PID 调速系统的不足之处,并以此为基础设计了一种模糊双闭环调速系统㊂文章通过软件Simulink 进行仿真并验证了系统的可靠性,同时通过MATLAB 的模糊工具箱实现对模糊控制器的设计㊂通过对比分析PID 和模糊PID 调速的性能指标,模糊PID 调速系统在响应速度㊁超调大小以及应对干扰的能力方面均更胜一筹㊂关键词:模糊PID ;双闭环调速系统;MATLAB ;Simulink 中图分类号:TP273㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀直流电机在实际工作中,电机系统的数学模型不能很准确地表达出来,因此,传统的PID 对此实现控制的适应性很差㊂模糊控制具有鲁棒性强和适应性强的优点,并且抗干扰能力也优于传统PID 控制[1]㊂基于上述问题,本文利用模糊控制与传统控制相结合的方式,其中,模糊控制对参数的实时调整能较大程度地解决问题,提升品质的同时也能提高精度,并且更加稳定,能使直流电机工作响应速度加快,并且时间和超调也大大缩减㊂1㊀控制系统数学模型1.1㊀系统结构㊀㊀模糊控制器㊁电流反馈㊁电压反馈㊁驱动电路构成了模糊PID 直流电机控制系统,如图1所示㊂直流电动机的数学模型如下,其动态电压方程为:U d (t )=L di d (t )dt+Ri d (t )+E (1)其中,U d (t )表示电枢电压;i d (t )表示电枢电流;L ㊁E ㊁R 分别表示电枢电流㊁反电动势和回路电阻㊂T e (t )-T L (t )=GD 2375dndt(2)式中,T e (t )为电磁转矩;T L (t )设为负载转矩;GD 2设为飞轮惯量㊂因此:E =C e n (3)T e =C mi d (4)其中,C e 表示反电动势系数;C m 表示电磁转矩系数㊂图1㊀控制系统结构综上,直流电动机的电压方程和动力学方程可表示为:u d (t )-E =R i d(t )+T 1di d (t )dt éëêêùûúú(5)i d (t )-i dI (t )=T m R dEdt(6)T I =L R(7)T m =GD 2R 375C e C m(8)式中,i dI 为负载电流;T m ㊁T I 分别为电力拖动系统机电时间常数㊁电枢回路电磁时间常数㊂1.2㊀双闭环系统仿真㊀㊀反馈系统中,多环系统就是核心闭环数大于1的系统㊂本文介绍3种常见类型,其中,双闭环调速系统是最典型的代表㊂1.2.1㊀带电流变化率内环系统㊀㊀为了让电机在开关瞬间速度更快,且电流快速改变,此时需要增加电流变化率环进行调整,使之能保持最大变化率且电流变化率不会过高,这样能使电流波形更接近于理想状态,从而形成三环调速系统,即转速㊁电流和电流变化率的三者组合㊂1.2.2㊀带电压内环的三环调速系统㊀㊀与上文所述带电流变化率内环系统相同,带电压内环系统可以提高负载扰动与动态跟随性能,但是效果不好㊂而在抗电网电压扰动方面,电压环调节更快,电流环远不及电压环㊂双闭环调速系统动态结构如图2所示㊂图2㊀双闭环调速系统的动态结构1.2.3㊀双闭环调速系统㊀㊀若使用转速电流调整,则其动态跟随性能和抗扰性能都会大大改善㊂如果传递函数能在内环自动修改,则大大增加了外环的控制能力,提高系统各个方面的性能,并且可以抑制电网与电压产生的波动㊂2㊀模糊PID 控制器设计2.1㊀模糊控制原理㊀㊀模糊控制即模糊逻辑控制,主要是采用模糊理论和语言变量的方法,再通过逻辑推理来完成[2]㊂模糊控制器首先模糊化,其次进行模糊推理,最后将模糊信息变成精确量㊂模糊化主要指精确量的模糊化,将语言变量用模糊数来表示㊂模糊推理是指使用模糊规则来计算得到其中的模糊关系[3]㊂模糊控制原理如图3所示㊂图3㊀模糊控制原理㊀㊀模糊控制系统有以下特殊之处:(1)无需建立精确的数学模型,根据控制经验采用模糊语言控制规则去实现,所以在设计方面更加趋向简单化,应用方便㊂(2)现实应用中,对于控制规则的获取比较简单,即更容易对其实现语言控制㊂不仅如此,对于难以获取的动态数学模型依旧能得心应手㊂因而模糊控制系统在现代工业化生产过程当中具有很强的实用性㊂(3)独立性高,尤其在语言控制规则方面,能够利用控制规律中藕断丝连的关系设计出比普通方法更为优异的方案㊂㊀㊀(4)模糊控制主要是控制语言规则再加上实际的控制要求㊂这可以将控制过程变得更加精确化,同时提高系统的控制能力㊂(5)鲁棒性强,对于外在因素的影响,其内部波动更小,更加适合在非线性㊁时滞后系统中应用㊂2.2㊀模糊控制器的设计㊀㊀模糊控制器是直流电机调速模糊控制系统最重要的部分,也是本文的中心设计㊂控制模糊控制器的步骤为:首先模糊化输入的变量值,其次通过模糊决策,应用模糊规则推导出控制量,最后再通过解模糊将模糊量变为精确值应用到控制系统中㊂本文是双闭环控制系统,内流环使用传统PID控制器,外流环使用模糊PID实时调节,采用将转速偏差以及偏差的微分作为输入量,分别为E㊁EC㊂其中,最重要的就是模糊推理部分,主要分为3个步骤:模糊化㊁模糊的逻辑推理㊁精准结果㊂(1)模糊化㊂输入的数字变量变成模糊集后通过隶属度函数进行实现㊂对任意的输入量,大于0的隶属度函数模糊集不能少于1个,这样做的好处就是任何输入量都有唯一的模糊集㊂(2)模糊的逻辑推理㊂首先进行模糊判断,其次利用模糊语言规则,最终得到结果㊂(3)精准结果㊂通过精确化计算,利用模糊推理得到同类元素㊂但是在现实中,需要将得到的模糊输入量转换成精确值才能实现驱动㊂得到精确值的过程即为反模糊化㊂直流电机模糊控制调速系统的设计步骤如下:(1)依据现实需要,明确结构㊂(2)明确输入和输出变量的模糊集和论域及其隶属度㊂(3)明确控制的规则㊂(4)明确模糊的关系及矩阵㊂3 直流调速模糊控制系统仿真3.1㊀仿真模型的建立㊀㊀直流电机系统将电压U㊁电枢电流i及电机的转速ω作为状态变量,可以得知其状态空间方程为:I dd id t=-iR-Kbω+U(9) J dωdt=Kmi-K fω-T d(10)利用MATLAB中的Simulink模块建立直流电机模型,如图4所示㊂图4㊀直流电机模型㊀㊀直流电机模型参数为:K f=0.2kg㊃m2/s,L=0.5H, J=1.2kg㊃m2,K m=K b=0.2N㊃m/A,R=2.0Ω㊂3.2㊀模糊控制器的设计㊀㊀传统PID的控制精度主要取决于3个参数:比例㊁积分㊁微分㊂其中,比例控制为加快系统响应,但是如果比例系数过大会造成系统不稳定㊂积分控制为消除误差,使得系统趋于稳定㊂微分控制的作用为超前调节㊂模糊PID则是通过模糊规则得出这3个参数,利用传感器获取当前值与期望值的偏差e以及偏差变化率ec,并将其作为输入量,输入模糊控制系统,再根据实际情况对这3个参数进行修正,使得控制系统的各项性能得以提高㊂模糊控制器的结构如图5所示㊂将误差e及误差变化率ec作为输入变量,输入模糊控制器进行模糊化㊂然后系统根据误差及误差变化率实时动态地调整PID的3个控制参数,做到紧密控制,这与传统PID只有固定的3个参数有本质的不同㊂通过大量调试,本文得到如表1 3所示的3个模糊规则表㊂图5㊀模糊控制器的结构表1㊀ΔK p的模糊规则eec NB NM NS0PS PM PB NB PB PB PM PM PS00NM PB PB PM PM PS0NS NS PM PM PM PS0NS NS 0PM PM PS0NS NM NM PS PS PS0NS NS NM NMPM PS0NS NM NM NM NB PB00NM NM NM NB NB表2㊀ΔK i的模糊规则eec NB NM NS0PS PM PB NB NB NB NM NM NS00 NM NB NB NM NS NS00 NS NB NM NS NS0PS PS 0NM NM NS0PS PM PM PS NM NS0PS PS PM PB PM00PS PS PM PB PB PB00PS PM PM PB PB表3㊀ΔK d的模糊规则eec NB NM NS0PS PMPB NBPS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS0 NS0NS NM NM NS NS0 00NS NS NS NS NS0 PS0000Z0Z00 PM PB NS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB ㊀㊀利用MATLAB软件中的模糊工具箱进行编辑㊂如图6 7所示㊂利用Simulink模块建立模糊PID控制系统如图8所示㊂图6㊀确定输入输出变量图7㊀确定规则图8㊀模糊PID 控制系统3.3㊀仿真分析㊀㊀对于模糊PID 以及传统PID 建立仿真模型如图9所示,两者的比较如图10所示㊂经过对模糊PID 与传统PID 的对比可以得出,模糊PID 更具有优势,在响应时间方面,模糊PID 比传统PID 提前3s 左右;在超调量方面,通过对比模糊㊀㊀PID 和传统PID 的波峰,得出模糊PID 相较于传统PID 有着较小的超调量;在稳定性方面,由于模糊PID 的曲线达到稳态的时间小于传统PID,说明模糊PID 的稳定性更好㊂基于这些性能的对比,可知模糊PID 的调节性能在各方面强于传统PID㊂图9㊀传统PID 与模糊PID 的Simulink 仿真图10㊀传统PID与模糊PID的比较4㊀结语㊀㊀本文将模糊控制的基本原理与直流电机双闭环调速系统组合在一起㊂通过MATLAB的Simulink模块对调速系统进行仿真验证,并且与传统PI调速方法进行比较,得出模糊PID双闭环调速系统相较于传统方式有着更为优越的性能㊂参考文献[1]高宇轩.模糊PID气动仿人柔性手指位姿控制系统设计[D].哈尔滨:哈尔滨商业大学,2021.[2]乔林,刘颖,胡畔,等.基于遗传算法与模糊PID 复合控制的电机调速研究[J].微电机,2021(7): 92-98.[3]李亿发.血管介入手术机器人主从同步控制研究[D].北京:北京邮电大学,2021.[4]罗秋华,杨敏,马竹樵,等.小型直流电机建模及其模糊PID控制分析[J].现代工业经济和信息化, 2021(5):112-113,117.[5]闫鹏,周文,胡雪凯,等.基于模糊PI的电动汽车无刷直流电机控制系统研究[J].河北电力技术,2021 (6):5-9,30.[6]刘春华,谢宗安.模糊控制调速系统性能研究[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2002(3): 39-44.(编辑㊀王雪芬)Design and simulation of DC motor control system based on fuzzy PIDZhao Zhenghong1Qiao Dong2∗Dong Zhimin1Zhu Shoujian1Zhao Jie1Li Bowen11.College of Coal Engineering Shanxi Datong University Datong037009 China2.College of Architecture and Geomatics Engineering Shanxi Datong University Datong037009 ChinaAbstract According to the shortcomings of PID speed regulation system a fuzzy double closed-loop speed regulation system is designed.Simulink is used to simulate and verify the reliability.At the same time the fuzzy controller is designed through the fuzzy toolbox of MATLAB.Finally the performance indexes of PID and fuzzy PID speed regulation are compared and analyzed.It is concluded that the fuzzy PID speed regulation system is better in response speed overshoot and the ability to deal with interference.Key words fuzzy PID double closed loop speed regulation system MATLAB Simulink。
直流电动机调速系统模糊控制仿真
云南大学学报(自然科学版),2005,27(5A):299~303CN 53-1045/N I SSN 0258-7971Jour nal of Yunnan Univer sityX直流电动机调速系统模糊控制仿真李媛媛,赵俊杰(上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 200065)摘要:分别采用模糊控制和模糊-PI D 控制对直流电动机调速系统进行设计.软件平台采用MATLAB/Simulinik 仿真模块及模糊控制工具箱,通过对输出波形的比较,可以明显地看出模糊-P ID 控制在进行直流电动机调速时优于简单模糊控制和传统PI D 控制方法.关键词:直流电动机;模糊-PID 控制;仿真中图分类号:TP 273 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2005)5A-0299-05近年来,针对模糊控制的研究非常活跃.由于其最大的特点是不需要对象的数学模型,并且能适用于非线性、时变的复杂对象以及多变量系统,而且它在控制过程中能采用多个评价指标,控制原则的改变也比较容易,因而模糊控制在许多领域都能发挥其特长.本文针对直流电机调速系统的非线性和结构参数易变化等特点,设计了模糊控制器,建立了转速环为模糊控制器的双闭环调速系统.将MAT 2LAB 的Fuzzy Toolbox 中的模糊推理系统工具箱与Simulink 有机地结合起来,充分利用它们各自的优势,方便地实现了模糊控制系统(FCS)的计算机仿真.同时还采用模糊PID 控制策略进行直流电机的调速系统设计,它克服了简单模糊控制和传统PID 控制的一些缺点,从而得出模糊PID 对系统进行控制优于一般模糊控制器控制方法.2 S imulink 下直流调速系统仿真模型的实现直流电动机的动态结构图如图1所示.本文以某晶闸管供电的双闭环直流调速系统为被控对象,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下:直流电动:220V,136A,1460r/min,C e =0.132V #min/r;晶闸管装置放大系数:K s =40;电枢回路总电阻:R =0.58;时间常数:T l =0.03s,T m =0.18s;电流反馈系数:B =0.05V/A;转速反馈系数:A =0.007V #min/r;三相桥式电路的平均失控时间:T s =0.0017s.图1 双闭环调速系统的动态结构图F ig.1The dynamic str ucture of speed-controlling system收稿日期:2005-07-29基金项目:上海工程技术大学校青年基金资助项目(E542(2005Q05)).作者简介:李媛媛(1979- ),女,硕士,助教,主要从事汽车电子及其自动化方面的研究.电流环为典型I 型系统,选用PI 型,转速环为典型Ò型系统,也选用PI 调节器.在此按传统的工程设计方法设计出双闭环系统的电流环和转速环,得K i =1.013,S i =0.03s,K n =11.7,S n =0.087s,将其转化为PI 调节器参数,即为ACR 的K p =11013,K I =33.7,ASR 的K p =11.7,K I =134.5.因此,ACR 和ASR 可由Simulink 中的PID 模块来实现.按照工程设计方法所得到的值输入PID 调节器,我们可以得到如图2的波形.图2 工程设计法输出波形Fig.2The outputs for m engineering design method由此仿真结果反映出用工程设计方法得到的输出波形在快速响应方面做的较好,能很快地达到稳态值,稳态误差也几乎没有.只是从图中可看出超调较大,达到了200r/min 以上,从而可知工程设计法PI 控制的效果并不是十分优越.2 直流电动机的模糊控制2.1 模糊控制器的设计 根据经典的直流电动机双闭环调速系统的结构,考虑到外环转速环是决定控制系统的根本因素,而内环电流环主要起改变电机的运行特性以利于外环控制的作用,故现将转速环用模糊控制器来代替,内环仍采用传统的PI 调节器.转速环采用简单的二维模糊控制器,其基本结构如图3所示.输入量为直流电机给定电压与反馈电压的偏差E 以及偏差的变化率E c ,用E 的导数来表示.输出取为控制量U .(1)模糊集合的编辑和运算 在MATLAB 命令窗口键入fuzzy 来运行模糊推理工具箱,系统就弹出一个模糊逻辑编辑器,在FILE 菜单下选择是采用Mamdani 型还是Sugeon 型模糊控制器.在EDIT 下添加输入和输出,分别为偏差E 和偏差变化率E c 以及控制量U .在输入和输出图标上双击,可以对输入和输出的隶属函数进行编辑,如论域范围、隶属函数条数、隶属函数形状等.图3 模糊控制系统方框图F ig.3The fuzzy control system(2)模糊规则编辑 进行模糊逻辑推理首先要编辑逻辑控制规则.在逻辑编辑器的view 中ed 2it rule 选项可实现此功能.本设计选用专家经验法,用/if ,,then ,,0形式表达模糊控制规则:If(E is NB)and(E c is NB)then(U is NB)[1]If(E is NB)and(E c is NS)then(U is NM)[1],,以上模糊控制规则共计35条,这些规则如表1.(3)模糊决策采用 与(And)方法为min,或(Or)方法为max,推理(Implication)方法为max,合成(Aggregition)方法为max,解模糊化(Defuzzifica 2tion)方法为重心法(centroid).300云南大学学报(自然科学版) 第27卷表1 直流电机模糊控制规则Tab.1The fuzzy contr ol rules of DC motor E c ENB NM NS O PS PM PB NB NB NB NB NB NM O O NS NM NM NM NM O PS PS O NM NM NS O PS PM P M P S NS NS O PM PM PM P M PBOOPMP BPBPBPB(4)生成模糊控制器 做好上述工作后,就会生成一个后缀为.FIS 的文件,然后用readfis 命令来读入模糊控制器.可运行如下命令:b=readfis(.b.fis .);本设计选用Mamdani 型模糊控制器.输入变量E 的论域取为[-1010],词集为{NB NM NS O PS PB PM},E c 的论域取为[01],词集为{NB NS O PS PB},U 的论域取为[010],词集为{NB NM NS O PS PM PB}.语言值的隶属函数选用三角形隶属函数.2.2 建立模糊控制仿真模型 通过调节比例因子K e ,K e c 和K u 我们可以得到较好的输出波形.增大K u 可明显地增加输出响应的快速性,而K e ,K ec 的作用又相当于PID 调节器中的K p 和K D .本设计中取K e =20,K e c =0.001,K u =2.输入给定电压U *n =10.26V ,输出波形如图5所示.由图5可看出输出波形较完美.能达到快速响应,0.6s 左右即能进入稳态,超调很小,只有5r/min,进入稳态之后几乎没有波动.和之前转速环的PI 控制相比,模糊控制的动态性能要优于原系统,尤其在控制超调方面.3 模糊-PID 控制由图6可以明显地看出模糊控制在控制超调方面要优于PID 控制,但从输出波形图反映PID 控制在系统响应的快速性上也是极好的.基于这些考虑针对直流电动机采用FUZZY -PID 控制策略.系统结构图如图7所示.图4 双闭环调速系统模糊控制的仿真模型Fig.4T he simulative model for fuzzy control of speed-controllingsystem图5 模糊控制输出波形Fig.5The outputs form of fuzzy contr ol图6 传统直流电动机P I 控制与模糊控制的比较F ig.6Compar e P I control of DC motor with fuzzy control301第5A 期 李媛媛,等:直流电动机调速系统模糊控制仿真图7FUZZY-PID控制直流电动机仿真结构图F ig.7The simulative structure for FUZZY-PID control of DC motor系统同样使用之前的双闭环调速,内环电流环仍为PI调节,而转速环改为了FUZZY-PID共同作用,其中用了1个开关来控制.当电动机起动时,偏差e大于某一阀值时,采用PID控制,提高系统的响应速度,而当偏差减小到设定阀值以下时,系统切换,改为模糊控制,从而减小超调.在仿真中,转速环节的切换阀值的设定是关键.系统由PID模态向FUZZY模态切换的阀值要选得恰当.如果选得太大就会过早进入系统的FUZZY模态而影响系统的响应速度,但有利于减少超调.反之,如果选得太小,系统有可能出现振荡,甚至由于PID控制器的效果达不到阀值而无法转为模糊模态控制.实际仿真中,我们可以根据MAT LAB仿真的效果,不断地调整阀值的大小,得到合理的参数值.本试验最后调整的阀值定为0.5V.图8为FUZZY-PID控制直流电动机输出波形,由图9局部放大图可看出,系统在0.2s处即进入了稳态,超调几乎没有,反映了模糊PID控制是优于传统直流电机PI控制和一般模糊控制的更有优势的控制系统.图8FUZZY-P ID控制输出波形Fig.8T he outputs form for FUZZY-PID control图9FUZZY-P ID控制输出波形(局部放大)Fig.9The outputs for m for F UZZY-PI D control(enlarge part)5结束语本文虽然只是初步设计并使用模糊控制器对系统进行控制,但通过比较已明显表明,使用模糊方法来进行控制的系统,与使用传统的PID方法进行控制的系统相比,模糊控制要优于PID控制所取得的效果.此外,模糊PID控制器的设计比较简单,容易实现,控制效果也更出色.经过一定的发302云南大学学报(自然科学版)第27卷展,将模糊控制或模糊推理的思想,与其他相对成熟的控制理论或方法结合起来,发挥各自的长处,所获得的控制效果将更理想.参考文献:[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1992.[2] 张 晶,曾宪云.基于MATLAB/Simulink 直流电机调速系统模糊控制的建模与仿真[OL].中国工控网,2002.[3] 贾东耀,曾智刚.基于模糊控制的直流电机调速系统MATLAB 仿真[J].电机电器技术,2002,(5):2) 5.[4] 张 森,张正亮.MATLAB 仿真技术与实例应用教程[M].北京:机械工业出版社,2004.[5] 陈怀琛.MATLAB 及其在理工课程中的应用指南[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.Simulation for fuzzy control system of DC motorLI Yuan 2yuan,Z HAO Jun 2jie(Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 200065,China)Abstr act :It is introduced that using Fuzzy control and Fuzzy 2PID control to design the DC Motor Speed 2Controlling System,and by using Simulink and Fuzzy control toolbox in MATLAB.And through comparing the output waveforms,the result educes that Fuzzy 2PID control overcomes some defects of simply fuzzy control and traditional PI control.Key works :DC Motor;Fuzzy-PID control;simulation*********************************(上接第298页)参考文献:[1] Digital Display Working Group.DVI Specification R evision 110[Z].1999.[2] Texas I nstr uments.TI P anelBusTM,TF P101A Datasheet[Z].2000.[3] Texas I nstr uments.TI P anelBusTM User .s Guide[Z].2000.[4] George Diniz,Tim Stroud.Br inging the Displays into the Digital F uture[M].EDN,2001.[5] Design-in of RF circuits[M].WHITE PAP ER,Nordic VLSI ASA 12,2002.[6] Display Data Channel (DDC)Specification Version 3[Z].Video Electronics Stands Association,15,1997.Applying the Chip TFP101A to DVI 110LI Li 2jie 1,YOU Yang 2ming 1,LIU Jin 2ling2(11Physics and Electronics Information,Cangzho u Teachers .College,Cangzhou 061001,China;21Department of Computer ,Cangzhou Teachers .College,Cangzhou 061001,China)Abstr act :The market demand has brought the displays into the digital timing.Basic knowledge of digi 2tal visual interface,DV I,was introduced simply first in this paper.It is analyzed that how to apply the DVI complicated receiver chip TFP101A to digital panel displays,and also the operation rules of the chip.Some valuable application notes on the chip and the related VESA standards were also introduced.Key words :DVI;Mix-signal layout;VESA standards;4@Over-Sampling303第5A 期 李媛媛,等:直流电动机调速系统模糊控制仿真。
基于模糊控制的双闭环直流电机调速系统的设计仿真
Telecom Power Technology设计应用基于模糊控制的双闭环直流电机调速系统的设计仿真1，蒋丰庚2，张以全1，肖少华嘉兴供电公司，浙江嘉兴314000；2.国网浙江省电力有限公司双创中心，浙江直流电动机具有较好的机械特性和调速性能，在一些比较特殊的行业中能够体现出显著的优越性。
针对MATLAB/Simulink对传统的PID控制方法和该文提出的模糊控制方法分别进行仿真实验。
通过仿真对比，验证了该电流、转速双闭环控制系统在直流电机控制应用中的有效性和工程应用价值。
模糊控制；直流调速；MATLAB/Simulink仿真Design and Simulation of Double Close-Loop DC Motor Speed Control System Based onFuzzy Control, JIANG Fenggeng2, ZHANG Yiquan.State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Jiaxing Power Supply Company, Jiaxing.Entrepreneurship and Innovation Center of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd., Hangzhoubecause they have goodperformance, and they can show obvious advantages in some special industries. Based on the modeling of DC motor, 2021年12月25日第38卷第24期Telecom Power TechnologyＤｅｃ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．２４ 钟全辉，等：基于模糊控制的双闭环直流 电机调速系统的设计仿真开始，首先对其进行一定的等价变换和近似化的处理，并根据设计要求确定需要将其矫正成哪一类的典型系统，其次按照具体控制对象决定电流调节器的类型，最后依照动态性能指标要求确定各个环节调节器的参数。
基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统仿真研究
基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统仿真研究摘要：双闭环直流调速系统是一种常见的电机调速系统，模糊PID算法是一种在传统PID算法基础上加入模糊控制的方法。
本文针对双闭环直流调速系统，采用模糊PID算法进行仿真研究，通过对比传统PID算法与模糊PID算法在不同工况下的调速性能以及稳定性，验证模糊PID算法的优越性。
研究结果表明，模糊PID算法在双闭环直流调速系统中具有更好的性能和稳定性。
关键词：双闭环直流调速系统，模糊PID算法，仿真研究1.引言直流电机调速系统广泛应用于工业生产中，对调速系统的性能和稳定性有较高要求。
传统PID算法在调速系统中被广泛使用，但是对于非线性、时变等复杂系统，PID算法的性能存在一定的限制。
为了提高调速系统的性能和稳定性，研究人员提出了模糊PID算法。
2.双闭环直流调速系统模型双闭环直流调速系统包括速度环和电流环两个闭环系统，速度环通过对电机电压进行调节来控制电机的转速，电流环通过对电机电流进行调节来控制电机的负载。
双闭环直流调速系统模型的数学表达式为：速度环：\[u_1(s) = K_{p1}E(s) + K_{i1}\int E(s)ds +K_{d1}\frac{dE(s)}{ds}\]电流环：\[u_2(s) = K_{p2}I(s) + K_{i2}\int I(s)ds +K_{d2}\frac{dI(s)}{ds}\]其中，\(u_1(s)\)和\(u_2(s)\)分别为输出控制信号，\(E(s)\)和\(I(s)\)分别为速度误差和电流误差，\(K_{p1}\)，\(K_{p2}\)等为PID 控制器的参数。
3.模糊PID算法原理模糊PID算法是在传统PID算法的基础上加入模糊控制的方法，通过模糊化、规则库和解模糊化三个步骤实现模糊PID控制。
模糊化将输入和输出变量转换为模糊集合，规则库定义了不同输入与输出之间的关系，解模糊化将模糊集合转换为具体的输出值。
基于MATLAB_SIMULINK的直流电机模糊控制的仿真
理论与设计基于MATLAB/SIMULINK的直流电机模糊控制的仿真周小波 王群京 陈 伟 周嗣理安徽大学（230039）Fuzzy Control Simulation for Dc Motor Based on MATLAB/SIMULINKZhou Xiaobo Wang Qunjing Chen Wei Zhou SiliAnhui University双闭环调速系统[2]。
摘 要：介绍了直流电机的双闭环调速原理，并用M A T L A B构建了直流电机转速、电流双闭环调速系统的模型。
转速环采用模糊控制器，与传统的P I调节器进行比较，模糊控制器具有更好的控制性能。
关键词：双闭环 模糊控制 直流电机SIMULINKAbstract: The principle of double-closed-loop speedregulation system for dc motors was introduced and modelof it was established by means of MATLAB. The speed loop employed the fuzzy logical control. Compared with the traditional PI control, the fuzzy logical controller had better performance.Keywords:Dual-closed-loop Fussy logical controller DC motor由于直流电机系统本身的非线性，当被控对象特性发生变化时，P I调节器难以保持良好的控制性能。
因此本文设计了基于模糊自调节的P I控制器，根据专家的在线调整，以M A T L A B/ S I M U L I N K为工具箱，建立直流电机的常规控制和模糊控制的仿真模型。
1 双闭环调速系统1.1 双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中分别设置两个调节器以调节转速和电流。
基于模糊控制的直流电机调速系统研究
基于模糊控制的直流电机调速系统研究直流电机广泛应用在工程领域中，因其结构简单、容易传动，而且不需要高压力，能量损失小，控制方便等特点，特别是在自动化控制的领域中，被广泛应用。
直流电机控制的关键是调速控制。
在传统的调速系统中，常使用PID控制器。
但是PID控制器在实际应用中存在着参数难以调节和多变量控制问题，其调节参数和响应速度都比较缓慢，控制精度也不高。
因此，一种更先进的控制方法是模糊控制。
模糊控制作为一种新兴的控制方法，其基本思想是将自然语言中含有模糊性的描述通过量化的方式转换成一定的数学模型，然后利用模型对以前经验进行归纳和总结，来实现控制。
模糊控制将实际工程领域的控制对象和控制系统进行了有效的集成，能够有效地克服常规控制策略中的不足，并取得良好的控制效果。
本文的研究对象是基于模糊控制的直流电机调速系统。
文章分为以下几个章节：一、直流电机调速原理与方法在直流电机调速中，电源电压和电机负载通常是一个不确定的变量，所以我们需要一个能够自适应负载变化的控制器。
PID控制器是传统的调速控制器，但由于其参数难以调节和多变量控制问题，所以模糊控制逐渐被应用和发展。
二、模糊逻辑控制器设计模糊逻辑控制器的设计需要包括输入变量、输出变量、模糊化、规则库、推理机和解模糊等几个方面。
其中，输入变量有直流电机速度误差和误差变化率两个量；输出变量为直流电机控制信号。
将输入量通过模糊化变为隶属度函数，再针对性地选择规则库和隶属度函数，使用Min-Max合成或Mamdani合成等模糊推理方法，输出的模糊控制信号最终以解模糊过程得到实际控制信号。
三、模型运行仿真结果分析在模型仿真中，我们设置调速速度范围并进行仿真验证。
通过对仿真的结果进行分析，可以发现，模糊控制具有优秀的实时性和适应性，能够更快地控制电机转速，并且具有较高的控制精度和鲁棒性。
四、模型参数优化模糊逻辑控制器的优化需要对隶属函数、规则库、推理方法和解模糊方法等方面进行研究。
无刷直流电机的模糊控制系统仿真
摘要无刷直流电动机是电力电子技术、微电子技术和永磁材料技术相结合的一种新型电动机。
无刷直流电动机具有体积小、运行可靠、控制相对简单等特点。
目前，无刷直流电机正在快速发展。
尤其是在家用电器、精密仪器、电梯控制等领域，无刷直流电动机都获得了很多成功应用。
本文详细的介绍了无刷直流电机的组成、基本原理和数学模型。
介绍了简单模糊控制器的设计过程。
通过分析MATLAB中“ac7_example”模型，利用Simulink 工具箱搭建模糊控制器，采用模糊控制法对无刷直流电机进行调速。
实现了无刷直流电机的模糊控制系统的计算机仿真。
结果表明，该模糊控制器结构简单、易于实现，能够基本满足系统的性能要求。
关键词：无刷直流电机；模糊控制；Matlab；SimulinkABSTRACTBrushless DC motor is the electric power and electronic technology, microelectronic technology and permanent magnet material technology is combined with a novel motor. Brushless DC motor has the advantages of small volume, reliable operation, control of relatively simple features such as. At present, brushless DC motor are rapid development. Especially in household appliances, precision instruments, elevator control and other fields, brushless DC motors have gained a lot of successful application.This paper introduces the brushless DC motor of the composition, basic principle and mathematical model. Introduction of simple fuzzy controller design process. Through the analysis of the MATLAB "ac7_example" model, the use of Simulink toolbox to build the fuzzy controller, the fuzzy control method of Brushless DC motor speed control. Realization of Brushless DC motor fuzzy control system computer simulation. The results show that, the fuzzy controller has the advantages of simple structure, easy to implement, can basically meet the system performance requirements.Key words:Brushless DC motor；fuzzy control；Matlab；Simulink目录第一章绪论 (1)一、课题背景 (1)二、无刷直流电机的发展历程 (1)三、无刷直流电机的结构特点 (2)四、无刷直流电机的应用 (2)五、主要研究内容 (3)第二章无刷直流电机的基本原理 (4)第一节无刷直流电机的基本组成 (4)第二节无刷直流电机的工作原理 (6)第三节无刷直流电机的数学模型 (7)第三章模糊控制仿真设计 (10)第一节模糊控制 (10)第二节Matlab简介 (12)第三节Simulink组件介绍 (12)第四节典型模糊控制设计 (13)第五节无刷直流电机系统的稳定性分析 (17)第四章无刷直流电机的糊控制仿真 (19)第一节无刷直流电机调速系统模型 (19)第二节无刷直流电机的模糊控制设计 (22)结论 (28)参考文献 (29)致谢 (30)第一章绪论一、课题背景无刷直流电机是一种把控制装置和电机本体结合在一起的机电一体化设备，它具有高效率，高功率，高可靠性等优点。
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直流电动机调速系统模糊控制的仿真
摘要针对直流电动机调速系统的非线性和结构参数易变化等特点，本文设计了模糊控制器，建立了转速环为模糊控制的双闭环调速系统。
为了验证模糊控制器的控制效果，本文对直流电动机的参数变化、负载突变等不同情况进行了仿真研究，并将仿真结果与常规PID
控制进行比较。
结果表明，模糊控制器在电机参数变化或负载突变时具有较好的控制性能。
关键词直流电动机控制器仿真
1引言
直流电动机具有良好的起、制动性能，在电力拖动自动控制系统，如轧钢机及其辅助机械、矿井卷杨机等领域中得到了广泛应用。
然而传统直流电动机双闭环调速系统大多采用结构简单、性能稳定的常规PID控制技术，由于在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数(如转动惯量)并不如模型那样一成不变，在某些应用场合会随工况而变化；同时，电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素。
因此被控制对象的参数变化与非线性特性，使得线性的常参数的PID调节器常常顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规PID调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响［1］。
模糊控制是一种典型的智能控制方法，广泛地应用于自然科学和社会科学的许多领域［1］，其最大的特点是将专家的经验和知识表示为语言控制规则，并用这些控制规则去控制系统，这样它可以不依赖于被控制对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控制对象的参数具有较强的鲁棒性。
为了验证模糊控制器具有对被控制对象参数变化适应能力强的特点，本文以实际的直流电动机双闭环调速系统为例，设计了相应的模糊控制器，建立了直流电动机双闭环调速系统模糊控制的仿真模型，仿真结果表明，模糊控制器在负载突变或电机参数变化时具有较好的控制性能，充分体现了其适应于非线性时变、滞后
系统的控制以及鲁棒性强的特点。
2双闭环调速系统的模糊控制
2.1调速系统的模糊控制模型
根据经典的直流电动机双闭环调节系统的结构，考虑到外环转速环是决定控制系统的根本因素，而内环电流环主要起改变电机运行特性以利于外环控制的作用，本文在建立直流电动机双闭环调速系统的模糊控制模型中，转速环采用模糊控制器，而内环仍然采用传统的PI调节器。
考虑实际电动机的运行，在电流环PI
调节器的设计中积分作用项加上了内限幅环节，而电流调节器的输出则加上了外限幅环节(在仿真中内限幅值取±50，外限幅值取±500)。
在仿真软件MATLAB/S IMULINK环境下建立常规PI电流调节器模型如图1所示。
整个调速系统的模糊
控制模型如图2所示。
2.2转速环模糊控制器的设计
转速环采用简单的二维模糊控制器，其基本结构如图3所示，输入量为直流电动机转子角速度给定值和实际值的偏差e以及偏差的变化量de，其输出为电流的给定值，进一步作为电流调节器的输入。
为了方便起见，在模糊控制器的设计中，其输入输出的语言变量值取相同，其相应的隶属度函数如表1所示。
考虑输入设定值的大小将影响到模糊控制器论域的设定，假定输入给定值(转子角速度给定)的范围为［0,80］，而模糊控制器的输入、输出变量的论域分别取为：e=［-150,150］，de=［-30,30］，u=［-100,100］。
根据表1的隶属度函数以及直流电动机双闭环调速系统的控制经验，得到如表2所示的模糊控制规则表。
根据设计的模糊控制器，考虑到实际控制系统的非线性，同样在转速环设计
中增加了相应的限幅环节，建立其转速环的模糊控制器模型如图4所示。
3仿真结果分析
本文以一台实际的他励直流电动机为被控制对象，直流电动机主要参数为：额定功率PN=5hp，额定电压UN=240V，额定电枢电流IN=16.2A，额定转速nr=1220r /min，电枢电阻Ra=0.6Ω，电感La=0.012H，励磁电阻Rf=240Ω，励磁电感Lf =120H，互感Laf=1.8H。
为了验证转速环模糊控制器的准确性，本文对角速度的阶跃响应特性进行了仿真；为了比较模糊控制器在电机参数变化或负载突变时的控制效果，本文分别对转速的稳态调节、电枢电阻变化以及负载突变时的响应特性进行了仿真研究，并
将仿真结果与转速环采用常规PID控制器的情况进行了比较。
3.1角速度的阶跃响应特性
给定系统的阶跃输入角速度80rad/s，通过调节比例因子(Ke=10，Kec=0.1,Ku=1 00)，得到相应的转速阶跃响应曲线如图5所示，此时的电枢电流响应曲线如图6所示。
从仿真曲线中可以看出，双闭环调速系统的模糊控制效果令人满意。
3.2转速的稳态调节特性
图7和图8为转子角速度给定值从40rad/s变化到80rad/s的转速响应曲线和电枢电流响应曲线，其中标识1、标识2分别表示转速环采用常规PID控制和模糊
控制时的仿真曲线(以下标识的含义相同)。
3.3电枢电阻变化时响应特性
图9和图10为电枢电阻增加10时的转速响应曲线和电枢电流响应曲线。
从仿真曲线可以看出，模糊控制器对电枢电阻增加时的控制效果影响不大，而采用常规
PID控制时，动态控制效果差，过渡时间长。
3.4负载突变时的响应特性
图11和图12是负载阶跃为30N·m时的转速响应曲线和电枢电流响应曲线。
从仿真曲线可以看出，模糊控制器对负载突变具有良好的适应能力，电枢电流的过渡过程时间短，并最终达到给定值；而采用常规PID控制时，当负载突变后电枢
电流开始失调，导致输出转速很难跟随给定值。
4结论
针对直流电动机调速系统的非线性和结构参数易变化等特点，本文设计了相应的模糊控制器，同时建立转速环为模糊控制的双闭环调速系统。
通过仿真分析并与常规PID控制比较表明，当输入阶跃变化、电机参数突变、负载突变等情况下，模糊控制器能起到良好的控制性能；而常规的PID控制器尽管能达到一定的效果，但是当电机参数变化、负载突变时，基本上不具备参数变化的适应能力。
另外，仿真研究进一步验证了模糊控制可以不依赖于被控制对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，可以将模糊控制器进一步应用于交、直流电力拖动系统的控制中。
参考文献
1周炼，谢运祥. 模糊控制器在交流调速中的应用现状及前景. 微电机，2000(2). 2李士勇. 模糊控制神经控制和智能控制论. 哈尔滨工业大学出版社，1998. 3楼顺天，施阳. 基于MATLAB的系统分析与设计. 西安电子科技大学出版社，2 000.
4Riad B, Chedid, Chadi EL Chamali. Adaptive Fuzzy Control for Wind Diesel Weak Power Systems. IEEE Trans. Vol.15, March 2000, 1996, 1
6(5)：346～348.。