直流电机模糊控制系统设计

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1、1 绪论直流电动机经常被当做控制元件来使用，离生活越来越近。PID控制法是控制直 流电机常用的方法。在有些情况下，控制器都是在对象有精确数学模型的基础上建立 起来的。但是，还有其他在许多情况下，由于各方面的原因，生产过程或者被控对象 的精确数学模型无法建立。在构建模型的过程中，一些参数需要估计，而且在解决这 些参数的过程中，往往会因为对整个控制过程和它的系统特性没有做到全面的了解， 从而导致了精简后的数学模型在说明原来的系统上存在较大的偏差，使得设计的系统 变得没有实用价值；还有一些由于在生产环境中，没有合适的测量方法，或者由于空 间因素，整个测量过程中没办法安装测量装置最后导致了数学模型无法

2、建立 13。目 前，随着科技的不断进步，如今研究的控制系统中将会经常涉及到多变量、非线性、 时变的系统，在这种情况下，要建立数学模型也是非常困难的，或者在这个情况下根 本不能建立模型。在这种背景下，传统的控制理论和技术迎来了新的要求和挑战。一种可以处理语言信息能力的模糊控制理论的提出克服了上面所出现的问题。 在模糊控制理论的基础上设计出了模糊控制器，而且它能够模仿操作员工的手动控 制。这种模糊控制器对已知受控对象的数学模型无明确的要求，但是，需要注意：模 糊控制器对已知被控对象的数学模型无明确的要求，并不是在对受控对象无了解的情 况下提出的46。恰恰相反，它仍然需要对受控对象有一定的了解，只不

3、过它们是以 知识的模型的形式而并不是用数学模型表达的。所以，在直流电动机中应用模糊控制 对现代生活有着重大的意义，也是一个新的里程碑。1.1 本课题研究的背景和意义随着时代的发展，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7。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。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不是很理 想，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

4、运行，在某些干扰下，转速波动也不会有比较大的变化。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。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，

5、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。1.2 研究的方法和内容本次设计是在直流电动机的调速系统中引入了模糊控制，通过直流电机的pid控 制与直流电动机的模糊控制相比较。此次论文的主要内容有：通过阅读国内国外大量 文献，了解下时代背景和发展趋势，并且了解下模糊控制的由来和发展。在对这些知 识的了解下，初步的了解模糊控制的应用、特点以及发展趋势。接着进一步深入的研 究模糊控制系统以及模糊控制器的相关知识，并且建立直流电机的pid控制的仿真和 模糊控制的仿真运行并分析。通过将两种控制方式仿真出

6、的结果相比较，更好的了解 了模糊控制的相关知识。1.3 本章小结本章简单的描述了下直流电机的发展以及本课题的研究背景和意义，并且讲述了 本课题需要做的工作。2模糊控制概述模糊控制有着悠久的发展历史，由许多知识人士不断地研究，最后他们的研究成 果留了下来，使我们对模糊控制可以有更深入的了解。2.1 模糊控制的起源随着科学技术的不断发展和生产工业要求的不断提高，使得现代控制理论不断完 善。现代控制理论得到了成功的应用，并且成功的解决了多输入与多输出、线性或非 线性、定常系统的控制问题。可是在某些情况下需要得到被控对象的精确模型，但是 由于各种因素被控对象的精确模型无法得到，所以对于这种情况和现象我

7、们就很难进 行自动控制。与此相反，在生产过程中有经验的操作人员通过不断地学习、积累操作经验之后， 使用手动控制却可以使得一些上面难以自动控制的生产过程得到良好的控制。这些经 验是操作人员长时间接触被控对象后对被控对象的了解；平时在生产过程中，遇到突 发情况时采用的控制方法；还有一些性能指标判据。上面这些具有模糊性的信息是通 过语言的形式定性的表达出来的。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。他提出来的模糊集合理论，是通过将自然语言转化为计算机所能接受和

8、理解 的算法语言，这是通过语言控制计算机来完成这些控制规则，在这里面，计算机则起 到了控制器的作用，它的核心是通过对复杂的系统或生产过程建立一种可以用语言分 析的数学模式8。在日常生活中，人的自然语言具有模糊性，基于这种原因这个自然 语言恰恰能解决传统的自动控制无法处理模糊性的这个问题。所以，这种语言控制被 人们称为模糊语言控制，简单的说就是模糊控制。随着模糊集合和模糊逻辑的出现， 成功的地解决了如何描述控制规则的条件语句，形成了现在所认可的模糊控制器，在 这种情况下，模糊控制理论便出现了，它成为了模糊数学的一个十分重要的应用。2.2 模糊控制的发展及其应用模糊控制有三段发展历程： 第一阶段（

9、19651974）为模糊控制的萌芽阶段，主要是讲的是模糊数学的发展 和慢慢成形的时期。第二阶段（1974-1979 年）是普通的的模糊控制器阶段，这种模糊控制器是针对 某一生产过程或者控制过程，通过总结实践经验，从而自己总结出一张模糊控制的规 则表，这种模糊控制器的核心是利用实践经验形成一定的模糊控制规则表，这张控制 表具有一定的针对性，一旦形成，就不方便再进行改动，无法适应变化的需求，从而 不具有自组织、自学习能力，对于稳态的精度也不是很理想。第三阶段：（1979 年至今）高性能的模糊控制器阶段，人们为了克服在生产过 程中普通模糊控制器的不足，引入了很多模糊控制策略，这些策略都是高性能的，值

10、 得注意的是在 1979 年提出给模糊控制器增加学习功能。这个理论是由 T.J.Procky 和 E.H.Mamdani 共同提出的，这个理论的提出使得模糊控制器在生产过程中能够不断地 取得新的信息。通过了解新的信息，在根据新的新的信息对控制量做出相应的调整， 从而使得系统的性能大大改善9。在十九世纪七十年代，模糊控制就开始应用了。它用在了蒸汽机和锅炉的控制过 程中，而且控制效果比常规 PID 调节器好很多。模糊控制器是由英国伦敦大学教授 E.H.Mamdani 利用模糊控制语句编辑成的。其控制的方法是通过把操纵人员的经验转 化为计算机所能理解的控制策略，为不知道精确模型的生产过程提供了较为简

11、单的模 式。这个项目的研究开启了模糊控制在生产国程中成功应用的先例。在随后的几年中， 美国、荷兰、日本和丹麦等通过模糊控制方法在温度、十字路口交通枢纽指挥、汽车 速度等其他领域得到了成功的应用。在 1979 年，一种名叫自组织的模糊控制器当生 了。它是由英国的 I.J.Procyk 和 E.H.Mamdani 两位学者提出的。这个模糊控制器能根 据系统的需要在生产过程中不断调整，使得系统保持恒定。自组织的模糊控制器提出 以后，让模糊控制器有了新的发展方向，迈入了“智能化”的发展阶段。在十九世纪八十年代初，“模糊推理决策系统”推了出来。八十年代后期，由于 模糊控制技术的兴起，在日本爆发了一次革命

12、。这次革命在高科技领域取得了骄人的 成果。这些成果已经被广泛的应用于各个领域。此时其他国家的研究在火热的进行中， 特别是美国在这个方面投入了很多，来支持专家人员研究模糊控制的理论和应用。在国外着手研究的同时，国内的研究也取得了良好的效果，在20 世纪 70 年代末， 模糊数学传入了我国，在 1980 年，中国模糊数学与模糊系统学会在我国成立了。之 后，我国开始研究模糊理论，在研究理论的同时进行模糊控制技术的研制和开发。1988 年，“模糊推理机分离元件样机”诞生了。我国最早在地震和气象预报中应用了模糊 控制的理论，这是我国在模糊技术控制领域的一个较大的跨越，而且世界上第二台模 糊推理机在 19

13、88 年被我国研制出来了10。2.3模糊控制的特点模糊控制语言在模糊控制中很重要，它可以极其有效地表现出人类的思考方式以 及对复杂事物的控制方法。在某些控制问题中，传统的 PID 控制方法不能解决和实施。 但是采用了模糊控制的技术，这些问题就可以很好地解决了。通过与传统控制的比较， 模糊控制的优点有以下几个方面：(1) 在设计过程中对数学模型没有明确的要求。模糊控制系统通过把操作人员多 年形成的控制经验和专业人员的知识相结合成控制规则来控制。它是一种相似于推理 的控制，其中体现了人类思维的特点，并且能够在不需要精确的数学模型情况下，根 据人们所了解的模糊知识和模糊数学推理出符合实际逻辑关系的相

14、关结论。所以，模 糊控制适合于系统复杂，难于或者无法建立精确模型系统的控制。(2) 模糊控制的适应性强。在模糊控制中，模糊规则和推理是根据专业人员的知 识或操作人员的成熟经验的总结而成的，通过这些知识的不断更新，使得控制系统的 适应能力不断增强，满足生产过程的需要。(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。系统的软件和硬件实现都比较方便。2.4 模糊控制的展望模糊控制由于适应面广泛以及易于普及，而且它还是能够体现人

15、类智慧的一种智 能控制方法，这些条件使得它在智能控制的领域有了突出的表现，在智能控制的领域 成为了最实用、最重要和最活跃的一个分支。模糊控制它经常被当做传统控制的补充 和改进方法同时又与传统控制相结合，并且用在各种复杂的自动化控制系统中。现今， 在工业控制领域还有其他领域，例如在化工、炼钢、经济系统和医学心理系统中，特 别是在日常生活的家电中模糊控制解决了许多传统控制无法解决或者难以实现的实 际问题，取得了骄人的成果。这些成果引发了其他的控制理论研究人员以及相关领域 的工程技术人员对这个领域产生了很大的兴趣。目前，经典的模糊控制理论在生产过 程中已经有了许多成功的应用，但是还存在一些问题。还有

16、以下几个方面要改善，例 如：(1) 建立一套较为完整的模糊控制理论。(2) 继续研究模糊集成控制系统，对其设计和方法进行深一步的研究。随着生产 过程的复杂程度不断加深，一种控制策略已经无法满足要求，往往需要采用两种或者 多种控制策略的结合，并且在生产过程中采用动态特性上的互补来取得很好地控制。三个理论相互渗透，形成模糊集成控制系统。(3) 使智能化控制得到实现。(4) 使控制系统的性能得到改善。(5) 将钻研出的结论用到控制过程中，促进工程的生产，同时加快模糊集成芯片 和模糊控制装置的发展，把这些芯片和装置向简单实用的方向发展。总之，模糊控制在生产过程中发展很快。随着研究的深入，以后的应用前景将会 十分广阔。2.5 本章小结本章节主要描述了模糊控制的由来和发展，并且对模糊控制的应用作了些概述。简单的介绍了模糊控制的特点和将来的发展方向。3模糊控制系统概述随着科学技术的不断发展，