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。

从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环，转速环在外面，称为外环，形成了转速、电流1.2 双闭环调速系统的仿真转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型如图2，由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器和直流电机等组成。

给定转速为100r a d/s，电流反馈系数为0.15，速度反馈系数为1，平波电抗器的电感值为5m H。

转速调节器采用P I调节器，按照典型Ⅱ系统[2]设计，其参数为：K S P=12，K S I=1，输出限幅值为[40 -40]。

电流环作用是限制电流，因此一般将电流环校正为典型Ⅰ系统，电流调节器采用PI调节器，其参数为：K C P=20，K C I=1.5，输出限幅值为[130 -130]。

仿真结果如图3和图4。

图1 双闭环调速系统框图图2双闭环调速系统仿真8 2010年第1期 《电机技术》2010 年第 1 期 9《电机技术》理论与设计2 模糊控制系统简介2.1 模糊控制器的结构和模糊化模糊自整定PI控制器由参数可调整的PI控制器和模糊控制器组成，其控制原理框图如图5。

2.2 模糊控制规则及其语言描述参数模糊自调整P I D控制器就是找出在不同时刻P I的两个参数与e和e c间的模糊关系，在运行中不断检测e和e c，根据模糊控制原理对K P 和K I 在线修改。

由前人的经验得知被控过程对参数K P 、K I 的自整定要求如下[3]：（1）当偏差较大时，为加快系统的响应速度，应取较大的K P ，同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应限制积分作用，即取较小的K I 。

（2）当e和e c为中等大小时，为使系统响应有较小的超调，K P 应取小一些，K 1取值要适当。

（3）当e较小，接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加K P 和K 1的取值。

（4）e c的大小表明偏差变化的速率，e c值越大，K P 取值越小，K 1取值越大。

根据K P 、K I 对系统输出特性的影响，归纳出在不同的e和e c时，被控参数K p 、K I 的自整定要求，模糊控制规则见表1和表2。

表1 K P 的控制规则eec NBNM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZOPM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PMPS ZO NS NM NM NM NB PBZOZONMNMNMNBNB表2 K I 的控制规则eecNBNM NS ZO PS PM PB NBNB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NSNB NM NS NS ZO PS PS ZO NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PBZOZOPSPMPMPBPB根据模糊规则表，在M A T L A B的模糊编辑器中编写模糊控制规则的语言。

图3 双闭环仿真系统电流仿真波形20015010050000.511.522.53图4 双闭环仿真系统转速仿真波形20015010050000.511.522.53模糊控制器以偏差e和偏差变化率e c为输入量，通过模糊规则对P I参数进行在线修改以满足不同时刻e和e c对P I参数自调整的要求。

其中e和e c的论域为均定义为（-10 10），划分为七个等级，其模糊集子集为{N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B}，其含义依次为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。

同样，设定输出量K p、K I的模糊子集也为{N B，N M，N S，Z O，P S，P M，P B}，K P的论域为（05），K I的论域为（03）。

输入输出变量的隶属函数曲线如图6~图8。

图5 模糊PI控制结构框图reK pK Iy图6 输入e、ec隶属函数曲线10.5NBNMNSZOPSPMPB12345910678图7 输出KP隶属函数曲线10.5NB NMNSZOPSPMPB0.511.522.54.5533.54图8 输出KI隶属函数曲线10.500NB NMNSZOPSPMPB0.511.522.53理论与设计2.3 模糊控制器的MATLAB实现在M A T L A B命令窗口运行F u z z y函数进入模糊逻辑编辑器，并建立F I S文件，选择控制器M a m d a i n型，再输入e、e c、K P、K I的隶属函数和量化区间，可得隶属函数图形。

打开Ruler Editor 窗口，以If…then的形式输入模糊控制规则：与方式（And method）为min；或方式（Or method）为max；推理（Implieation）为min；合成（Aggregation）为max；去模糊（Defuzzification）为centroid，从而建立了FIS文件，取名为m hpi.fis。

点击file 菜单选择Export的to workspace，即完成了模糊工具箱与S I M U L I N K连接。

须注意每次运行S I M U L I N K仿真模型之前，应将m h p i.f i s导入workspace。

2.4 模糊双闭环仿真系统模糊双闭环仿真模型如图9，从图中可看出，电流环采用的是传统的P I调节器，转速环采用模糊PI控制器，因转速环是决定控制系统的根本因素。

图10为利用S I M U L I N K搭建的P I调节器模型，其输入即为模糊控制器的输出和偏差e。

转速环输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。

第二阶段，转速环饱和，相当于开路状态，系统表现为恒值电流给定下的电流调节系统，电流基本不变，系统恒加速，转速线性增长。

第三阶段，当转速达给定值后，转速调节器的给点值与反馈值相等，输入偏差等于零，但由于积分作用，其输出还是很大，出现超调，此时转速环输入端出现负偏电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定。

从图中可看出，与常规双闭环控制系统相比，采用模糊双闭环控制系统的电流和转速波形的超调量明显减小，过渡时间短。

20015010050000.51 1.52 2.53图11 模糊双闭环仿真系统电流仿真波形20015010050000.51 1.52 2.53图12 模糊双闭环仿真系统转速仿真波形图10 子系统PI调节器模型Product1++kp2in1out1Gain21Productki3仿真结果如图11和图12。

直流电机的启动过程可分为三个阶段，第一阶段是电流上升阶段，3 结束语通过S I M U L I N K建立直流电机的双闭环和模糊双闭环系统的仿真模型，通过仿真比较，可看出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，是常规PI控制难以实现的。

参 考 文 献1 李媛媛．模糊P I D控制方法在矿井水处理自动投药系统中的应用研究[J]．太原理工大学2008.5．2 陈伯时，阮 毅，陈维钧等．电力拖动自动控制系统[M]．第三版.北京：机械工业出版社，2003.7．3 王 果，朱大鹏．直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真[J]．电机技术，2005年第3期．4 赵永娟，孙华东．基于M A T L A B的模糊P I D控制器的设计和仿真[J]．微计算机信息，2009年第25期．（收稿日期：2009-11-09）图9 直流电机模糊双闭环控制系统仿真模型10 2010年第1期《电机技术》。