直流电机模糊控制

XXXXX
智能控制理论概论结课作业
题目：直流电机模糊控制系统设计
姓名：XX
学号：XXX
专业：测控技术与仪器
班级：XX-X班
指导教师：XXXX
目录
第一章前言 (1)
第二章直流电机模糊控制系统设计 (2)
2.1 直流电机简介 (2)
2.2直流电机的PID控制 (2)
2.3 模糊控制概述 (2)
2.4 直流电机模糊控制系统的MATLAB仿真及其分析 (3)
第三章结论 (9)
参考文献 (10)
第一章前言
随着时代的发展，交流和直流调速不断冲击着，但是我国在这个直流调速领域中的研究不断深入，专家们研制出了全数字直流调速系统[1]。

这个调速系统有着较高的精度，而且很实用，使得直流调速系统成为工业过程中不可缺的一部分。

本文将MATLAB 中的模糊控制工具箱和 SIMULINK 有机结合起来，实现了直流电机模糊控制系统的建模与仿真。

[3]
模糊控制对被控对象的模型没有明确的要求，而且它的适应性强，通过和PID调节器的结合，组成模糊PID的控制方案能有效地克服常规数字直流电动机调速装置的缺点，进而设计出能在各种情况下，均可以使得直流电动机能达到稳定转速精度的要求。

第二章直流电机模糊控制系统设计
2.1直流电机简介
直流电动机在日常生活中的应用领域非常广，它有良好的启动和制动性能。

特别是在电力拖动的自动控制系统中，它的地位更是不可取代。

直流调速系统有稳速、调速和加减速这个三种控制要求。

在目前的控制过程中，对于调速和加减速已经得到了良好的实现，但是在生产过程中稳速的效果仍达不到预想中的的效果。

稳速需要的是电机在一定的精度以所规定的的转速稳定的运行，在某些干扰下，转速波动也不会有比较大的变化。

直流电动机双闭环调速系统在工业生产中的应用最为广泛，它采用的是内环为电流环，外环为转速环的结构，这样确保了最大允许的恒电流，使调速系统在最大的加速度的情况下达到稳定。

当达到稳定后，使电流转矩同负载转矩平衡。

最后，通过外转速环的反馈使得电动机的转速保持恒定。

[4]
2.2直流电机的PID控制概述[7]
在某些情况下，受控对象和负载参数的变化很快，使得PID调节器没办法及时适应，因此稳速的要求很难达到标准。

直流电动机本身是一个非线性的被控制对象，有许多的间隙性和弹性的扰动存在，如果有很多的变化量，PID调节器将无法顾及。

以致最终的设计结果不能达到设计时所需的要求，将会得到鲁棒性较差的控制系统。

在这样的系统中常规的PID常常不能有效地克服负载、非线性因素和模型参数的变化因而无法达到高精度和快响应的要求。

所以在生产过程中这种控制器很难满足生产要求。

而模糊控制对被控对象的模型没有明确的要求，而且它的适应性强，通过和PID调节器想结合，可使直流电动机能达到稳定转速精度的要求。

2.3模糊控制概述
模糊这个定义是美国著名控制论学者L.A.Zedeh在1965年发表在开创性论文中的，这是L.A.Zedeh第一次提出与传统数学和控制理论的模糊集合理论完全
不同的一种理论。

[2]
通过与传统控制的比较，模糊控制的优点有以下几个方面[6]：
(1) 在设计过程中对数学模型没有明确的要求。

(2) 模糊控制的适应性强。

(3) 模糊控制的鲁棒性强。

模糊控制采用连续多值的逻辑方式来适应参数的变化，从而实现稳定的控制要求。

(4) 参数整定方便。

在生产过程中，对控制系统进行定性的分析，就能很好的建立模糊规则和参数。

(5) 模糊控制的结构简单。

系统的软件和硬件都可简单实现。

2.4 直流电机模糊控制系统的MATLAB仿真及其分析[5]
在MATLAB的命令窗口键入fuzzy后并按回车，以此来激活模糊推理的工具箱。

这时在系统的界面系就跳出一个模糊逻辑编辑器。

在FILE菜单下有两种模糊控制器的模型，分别为Mamdani型还是Sugeon型。

在本次的设计中选用Mamdani型。

在EDIT下添加输入和输出，最后的结果为两个输入和一个输出，输入命名分别为误差e和误差变化率ec以及输出u。

如图2.1所示。

图2.1 输入输出量设置
对于误差e，论域是离散的，其论域取{-10，+10}，设置7个隶属度函数，
分别为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，即隶属函数有7条，隶属形状为三角形(trimf)。

如图2.2所示。

图2.2 e的隶属度函数编辑图
对于变化率ec，论域是离散的，其论域取{0，1}，设置5个隶属度函数，分别为NB、NS、O、PS、PB，即隶属函数有5条，隶属形状为三角形(trimf)。

如图2.3所示。

图2.3 ec的隶属度函数编辑图
对于输出u，论域是离散的，其论域均取{0，10}，设置7个隶属度函数，
分别为NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，即隶属函数有7条，隶属形状为三角形(trimf)。

如图2.4所示。

图2.4 u的隶属度函数编辑图
点击Edit菜单中的Rules选项打开模糊控制编辑器(Ruleedit)，将需要建立的模糊控制规则表添加到规则库中。

规则编辑结果如图2.5所示。

图2.5模糊规则输入界面
点击View菜单中的Rules选项可以打开模糊规则观察器如图2.6所示，观察模糊推理系统的输入，输出情况，为点击View菜单中的Surfview选项可以打开模
糊推理输入输出特性曲面，以图形形式显示模糊系统的输入，输出情况。

最后使用File 菜单中的Export 选项将做好的模糊推理系统保存到磁盘(disk)和工作区(to workspace)，取名为mhkz.fis 。

图2.6 模糊规则观察器图
建立上述模糊控制器之后，按照下图5.9建立模糊控制系统的仿真，本次设计系统采用的是二维的模糊控制器结构，在这个模糊控制器的设计过程中，还要合理的选择模糊控制器输入变量Ke 、Kc ，输出控制量的系数Ku 。

Ke 、Kc 、Ku 的计算方法如下： Ke =e
n x （2.1） n 为误差变量模糊子集的最大值，e x 为误差论域的幅值，通过计算得Ke=20。

Kc=
c m x （2.2） m 为误差变化率变量模糊子集的最大值，c x 为误差变化率论域的幅值，由于模糊论域的取值为非对称的，c x 在取值时为模糊控制的变化范围。

通过计算得Kc=0.001。

Ku=u b
（2.3） u 为控制量论域的幅值，b 为控制量模糊子集的最大值，由于模糊论域的取值为非对称的，b 在取值时为模糊控制的变化范围。

通过计算得Ku=2。

模糊控制系统仿真如图2.7所示。

图2.7 模糊控制系统仿真图
其中step1负载的参数设置，如图2.8所示。

图2.8 step的参数设置图
建成仿真模型之后双击Fuzzy Logic Controller选择Look Under Mask，输入mhkz建立联系。

当成功建立联系后，中间会显示FIS，如图2.9所示。

图2.9 FIS与Simulink的连接
运行仿真程序，得到的仿真曲线如图2.10所示。

图2.10直流电机模糊控制系统仿真曲线图
采用传统PID控制得到的输出波形在快速响应方面做得较好，能较快的达到稳态值，但超调量超出了很多。

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

[5]
第三章总结
随着科学技术的发展，智能控制技术日趋完善，在更多的领域广泛应用。

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

面对实际问题时应根据实际情况而分析。

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

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

模糊控制能有效地的控制超调，在控制超调方面有优越性。

参考文献
[1]钟麟，王峰.Matlab仿真技术与应用教程[M]. 北京：国防工业出版社, 2004.
[2]王立红，杨汇军. 基于Matlab的直流调速系统设计与仿真[J]. 辽宁工学院学报,2004,24(1)：8～9.
[3]肖文英, 李军红，阳武娇.基于MATLAB/SIMULINK 直流电机模糊控制系统的建模与仿真[J].电器技术,2006年03期.
[4]陈伯时,阮毅,陈维钧等,电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社，2003.7．
[5] 周小波,王群京,陈伟,周嗣理.基于MATLAB/SIMULINK的直流电机模糊控制的仿真[J].电机技术,2010年第1期.
[6]章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用[M]. 西北工业大学出版社.
[7]石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].清华大学出版社,北京交通大学出版社,2008.。