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1、模糊控制在直流调速系统中的应用 摘 要： 本论文将控制和模糊控制相结合，解决了直流调速系统中转速响应速度慢的问题。在论文中主要针对了电压对传统控制时双闭环直流调速系统性能下降的问题, 提出了模糊控制的方法。这种控制方法主要是根据根据调速系统的偏差和偏差变化率, 经过模糊逻辑推理,然后对直流电机系统进行调节控制后，系统的动态特性有明显的提高。论文主要针对双闭环直流调速系统进行了仿真分析。为了对直流电机的控制选择出更好的控制方法，本设计中对转速环进行控制，由于在直流调速系统中转速环起主导作用，电流环只是调节电流，所以在设计中将转速环中的调节器用模糊控制器代替，在这两种情况下进行仿真实验。虽然传统控
2、制结构简单，但是转速环控制的情况下，系统达到稳定状态的时间较长而在转速环模糊控制的情况下, 能使系统更快恢复到平衡状态, 且具有更小的转速降。因此,本控制方法能够保证系统具有较好的动态性能。关键词 直流调速, 控制,模糊控制,双闭环 ABSTRACT This paper combines PID control and fuzzy control,to solved DC speed-regulating system for speed in slow response problem. Thesis when main voltage to the traditional control
3、 in double closed-loop DC speed system performance issues, proposed fuzzy control method. This control method is based mainly on according to the deviation and deviation of rate of change of speed regulating system, through fuzzy logic inference, then adjust the DC motor systems control, dynamic cha
4、racteristics of the systems has significantly improved. Thesis focused on double closed-loop DC speed-regulating system for the simulation. In order to select better control for DC motor control method, designed to control the speed ring, because of the speed loop in DC speed regulating system play
5、a leading role, current loop is regulating current, so design your speed controller using a fuzzy controller in place of the ring, in both cases conducted simulation experiments. While traditional control structure is simple, the speed control of cases, however, the system reaches a steady state for
6、 a long time, and in the case of speed-loop fuzzy control, can make your system faster return to equilibrium, and has a smaller rpm drop. Therefore, the control method to ensure the system has good dynamic performance.Key words：DC speed governing Double closed loop PID control Fuzzy PID control目录1绪论
7、11.1选题背景及目的11.2直流调速系统的发展过程11.3模糊控制的发展概况21.4本设计的主要内容42 模糊控制的基本理论42.1模糊控制理论42.2模糊控制的核心部分模糊控制器5将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值72.3 模糊化的具体步骤72.4 精确化的过程82.5逻辑推理92.6语言变量值的选取103双闭环直流调速系统的仿真103.1直流电机系统采用控制的主要原因103.2系统采用控制主要解决的问题113.3 电机参数的选取和计算123.4 搭建模型123.5双环的设计123.6 双闭环直流调速系统的仿真结果164模糊在直流调速系统中的仿真204.1 模糊控制器的设计20
8、4.2 模糊规则表的建立214.3 仿真模型的建立224.4 仿真结果244.5 小结255总结与展望25参考文献27致 谢281绪论1.1选题背景及目的直流电机是直流电能和机械能相互转换的旋转电机。它的主要特点是调速范围广，易于平滑调速；起动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等优点。因此，近几年来在各个领域中得到了广泛的应用。随着当今社会科学技术的迅猛发展与提高，它的产品质量、性能、精度、功能以及功耗、自动化程度等广泛受到世界的关注。直流电机在结构方面的特点主要是结构简单，线路容易检查，而且在设备出现问题是维护方便，运行可靠。现在直流电机已经被广泛应用于各种调速驱动场合。但是最主要是应
9、用在工作环境较差（温度较低或者比较潮湿的工作环境下）、对控制器的价格、性能比要求较高的场合。在工程实践中，正是由于直流电动机具有稳定的工作性能和良好的调速性，所以在当今的工业生产中得到了认可和广泛的应用，由于被广泛应用，所以才会出现较多的问题，进而使直流电动机的控制成为了很多专家学者研究的重点问题。直流电动机的控制主要采用控制技术。其中智能控制器和仪表已经非常多，这些产品已经在工程实际设计中得到了很广泛的应用，市场上已经有了各种各样的控制器产品，其中控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。1.2直流调速系统的发展过程 直流调速系统从开环发展到闭环，从有静差发展到无静差，
10、其中的关键是由运算放大器等电子模拟电路所组成的调节器所起的作用。它把转速定量和反馈量进行比较后对误差进行控制，使电动机的转速保持在某一恒定值上；直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的一门技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，电力电子技术和控制理论相结合结合促进了电力传动控制技术研究和应用发展。尽管目前交流调速发展很迅速，交流调速技术越来越成熟，交流电动机也有经济性和易维护等优点，使交流调速广泛被应用。但是直流电动机调速系统一直利用其良好的调速性能占领着主市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基本原理。在科技日益发展成熟的今天直流调速装置和交流调速装置都
11、是数字化的，它们各自使用的芯片和软件都有其特殊的优点，但基本控制原理有其共性，本论文主要通过MATLAB仿真研究证明直流调速的基本工作原理和调速性能。1.3模糊控制的发展概况1.3.1模糊控制理论的产生及发展概况在21世纪随着科学技术的迅速发展，越来越多的工业发展对自动控制系统的精度以及系统的稳定性、系统的自适应能力的要求也越来越高，在工业发展的过程中，所研究的系统也变得更加的复杂。然而在很多情况下被控对象的模型是很难建立，但是就算被控对象的模型能建立出来，也是高阶系统，处理起来更加麻烦，对象性能的分析更是不容易。还有工业系统中的模型相互之间有复杂多变的交叉耦合关系，使其模型变得更加复杂、难于
12、求解和分析它的主要性能。在科技变得复杂，工业对象也变得复杂的时代，需要自动控制的设备和对象越来越多，传统的自适应控制有一定的局限性，因为它只能解决被控对象的数学模型确定的以及一些简单模型方面的问题，对于被控对象的数学模型无法建立的对象无法进行控制。因为人脑可以对模糊事物进行正确的识别与判断，然后对问题作出分析与解决，虽然这样的识别与判断的模糊手段看着似乎非常不确切，但是它就是可以达到精确控制的目的。而自适应控制技术不一定能达到这样的控制效果。操作人员是在通过不断的尝试之后，积累大量的经验，然后应用这些经验以及理论知识来确定对被控对象的策略及性能指标的判据。而这些操作人员的经验都是以自然语言的形
13、式表达出来的，自然语言是人们在传递信息的过程中最常用到的符号系统，尽管其中包含了不确定性和模糊性，利用清晰的经典逻辑很难解释，但它蕴含信息的能力是最强的。由于种种控制问题的出现和发展迫切需要一种更先进的控制方法的出现。1965年首先提出来模糊集合的概念，1973年又提出了一种把逻辑规则的语言转换成相关控制量的思想处，为理客观世界中存在的一类模糊性问题提供了有力的工具。1.3.2模糊控制的概念及特点模糊控制是指模糊理论在控制技术上的应用。它用语言变量代替数学变量或他们两者结合应用；模糊控制的函数关系是用模糊条件语句的形式表达出来的，模糊控制是和人类学习有相似的地方和具有自适应能力的控制系统。模糊
14、控制的优点是： 无需预先知道被控对象的精确数学模型容易学习和掌握模糊逻辑控制方法（规则由人的经验总结出来）有利于系统知识的处理模糊控制系统中的控制逻辑更加接近于人类得思维。所以操作人员通过不断的尝试积累下的经验可以直接应用到控制系统中。与常规的控制系统相比较，很多复杂系统中的问题都可以依靠模糊控制来解决，并可以达到更好的控制效果。1.4本设计的主要内容本设计主要是转速环和电流环的设计。利用MATLAB中原有的Power System 模块搭建双闭环直流调速系统的模型，在转速环和电流环的设计中都使用调节器，再进行参数设置，通过不断的调试，得出仿真结果。然后根据制定的模糊规则设计出合适的模糊控制器
15、，将原先搭建的模型中的转速环里的环节用模糊控制器代替，然后进行调试。最后将以上两种调试结果进行对比分析，得出对于直流电机的最优控制方法。2 模糊控制的基本理论2.1模糊控制理论模糊控制理论是是建立在模糊集合论、模糊语言以及模糊逻辑基础之上的一种计算机数字控制先进控制理论方法。模糊控制将该领域专家知识转化为某种数值运算，是处理控制系统中不精确性和不确定性的一种有效的手段。在这种控制方法中首先将技术人员的实践经验或专家的理论知识转换为模糊规则，然后把实时信号进行模糊化，将模糊化的结果作为模糊规则的输入，完成模糊推理，最后再将推理后得到的输出量加到执行器上。其结构图如图2.1 图2.1 模糊控制过程图 2.2模糊控制的核心部分模糊控制器2.2.1模糊控制器的介绍在模糊控制中最重要的是模糊控制器的设计，人们根据大量的不精确的信息进行模糊逻辑推理，将多次的控制经验进行总结后得出更加有利于控制的结论和控制规则。模糊控制系统的应用对那些测量数据不精确、需要处理的数据量过大以至于无法判断他们的兼容性、一些复杂、可变的被控对象的场合时有利的，利用模糊逼近去表示他们是非常合适的。一般来说，优化模糊规则便可以对模糊控制的性能进行改善。模糊控制器有如下特点:1) 设计简单。模糊控制主要是一种依靠模糊规则的控
