直流电机模糊控制系统的MATLAB-Simulink仿真

在工业现代化的发展当中，直流电机的使用非常广泛。对直流电机的控制也越来越重要，在现代的工业生产当中，对生产的过程控制要求比较严格，对生产出来的产品质量的要求也相当严格，这就要求在现代工业生产过程当中，对控制的要求控制精度准确、易于调速、运行稳定。在工业生产过程中为提高产品的质量和产品的产量，控制过程从人工手动控制慢慢向半自动控制发展，半自动控制慢慢向全自动控制发展，使得生产工艺实现全自动化生产，在全自动化生产的过程当中，离不开传动系统的调速电机对生产设备的控制，按驱动电动机的类型可分为直流传动系统和交流传动系统二大类。本文中主要研究直流传动系统。直流电动机具有很多优良的调速特性，如：调速平滑、简单易控、过载能力大、正反转能快速切换、并可实现频繁地无级快速起动和制动。能够满足在现代化工业的生产过程当中不同环境下的的特殊运行要求，如：在生产机械设备的切削机床、生产用纸的纸机设备、全自动生产电子产品的生产线、水泥厂等对控制性能要求非常高的工业生产当中被广泛应用，使得直流电机在现代工业生产当中仍然充当着重要角色。

1.2国内外发展历程及发展现状

1.2.1直流调速系统的发展历程

在运动控制系统的发展过程当中，交流电气传动和直流电气传动并存于工业生产的各个领域，在历史上最早出现的是直流电动机，在没有出现交流电动机之前，直流电气传动是惟一的电气传动方式，随着工业生产技术的向前发展，对电气传动在启动、制动、正转、反转、调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求在工业生产当中大量的使用直流传动调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能非常好，从20世纪30年代起。直流调速系统开始应用于工业的各个领域。最早的控制系统是由旋转变流机组控制来实现的，而后慢慢发展成为由放大机和磁放大器控制系统来实现控制的，经过放大机和磁放大器控制的时代的发展，基于它们的闭环连续控制系统得到广泛应用，在改进控制的性能方面，取得了良好的效果，到后面晶闸管变流装置和模拟控制器的出现，使得控制真正实现了直流调速，一直到后面可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路的出现，才得以实现了使用数字化对直流的调速。而直流调速在工业应用方面具有快速、可靠、经济、稳定、方便等特性，使得直流调整系统在工业应用方面非常广泛。

在直流电气传动系统中，有如下几种常用的可控直流电源：(1)使用恒定的直流电压直接向直流电动机电枢供电，改变阻值的大小来实现对电枢回路的调速。这种通过改变电阻的大小，从而改变电压值的大小来调速的方法简单，便于操作，工业生产方面也简单，而且成本低。这种方法也有着不少缺点，比如：这种调速转化率低，机械性能差，调速易于波动，不能进行平滑调速。由于这些缺点的存在，便得这种方法在工业生产当中使用率很低。(2)30年代末，发电机-电动机（也称为旋转变流组）的问世，增加了调速领域的灵活性、广泛性等，同时存在的闸流管、电机扩大机、及磁放大器等控制器件共同组成的调速系统，提高了调速的各方面的性能，如：提高了调速平滑变化、调速转速精度、及加宽了调速范围、提高效率等。特别发电机-电动机的使用，很容易就实现了将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，不仅提高了效率，减少了能量损耗，而且能够很好的实现平滑制动。但是这样的调速系统还是存在着不少缺点，如因此增加的辅助设备（旋转电机和励磁设备等），造成占地面积大、转化率低、维修难度大、不易维修、成本高等。(3)直到汞弧变流器出现以后，汞弧变流器开始慢慢取代了发电机-电动机调速控制系统，进一步提高了调速控制系统的性能。(4)世界上第一只晶闸管的问世是在1957年，晶闸管的问世，让整个直流调速系统发生了极大的变化，因为晶闸管具有可靠性高、反应灵敏、所占空间小、简便耐用等优良性能，使得晶闸管提到了广泛的应用，不仅提高了直流调速系统的可靠性和经济效益，而且在工业生产使用中相对其他直流控制的性能上也具有很大的优势，晶闸管变流装置比机组和汞弧变流器的放大倍数分别高1000倍和10倍，自身的放大倍数在10000以上，而机组和汞弧变流器的放大倍数分别是10倍和1000倍。因在响应速度上，晶闸管是以毫秒级来计数，而机组是以秒级计数的，所以除部分设备使用晶闸管励磁系统和机组供电以外、其他基本上已经采用了晶闸管相控整流供电。

1.2.2直流调速控制系统的发展现状

我国第一只硅晶闸管是在60年代初研制成功的，晶闸管直流调速系统迅速应用于我国现代化工业的生产当中，并得到了快速的发展。低功率如0.4KW至200KW的晶闸管直流调速装置已经实现了系统化标准化批量生产，大功率2000KW系列产品也已经在工业生产设备中试用，在我国现代工业生产过程当中，晶闸管供电的直流调速系统已经得到了广泛的应用，直接影响着我国现代工业化的生产。

随着科学技术的发展，各种新型控制元器件也相序问世，直流电动机晶闸管调速系统的发展出现了二个分支，一个是向大功率发展，另一个是向小功率发展，在向小功率发展的过程中，正在实现一体化发展，实现电动机和控制设备的一体化，实现控制单元高度集成，并慢慢发展到数字直流调速装置，目前已经有数家国内外厂商已经推出了各自的产品，使得直流调速系统的理论有效的和实践结合在了一起，同时也推动了直流调速系统的发展。

国外的直流调速系统比我国发展的早，相比国内的发展也更加成熟，无论是从技术上还是从性能上都远远的超过了我国直流调速系统的发展，尤其是国外的数字直流调速系统，能实现从调节器参数设定、给定信号、触发脉冲等都能实现数字化，并通过公用平台及软硬件的控制和调控，能够控制电流的大小和一定范围功率的直流电机。使用软件通过公用平台就很容易实现对直流电机的控制，强大的可控性、以及极高的抗干扰能力使得它能和PLC等其他系统组成一个完整的工业控制系统。并且具有调试方法灵活、稳定可靠、高度集成、及完善的自我保护功能，弥补了模拟直流调速控制系统的缺点，而且数字控制系统还有能快速查找故障、维护简单、调速精度高等特点，使其能在工业生产方面能得到广泛的应用。而国内生产的数字直流调速装置，存在功能不完善、精度不高、且保护功能不齐全等缺点。和国外还是有一定的差距的。

模糊控制指的是在控制方法上，采用模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理来进行控制。模糊只是概念上的模糊，通过模糊语言描述模糊控制算法，来控制完成确定的工作。

设计模糊控制器，就能实现模糊控制。模糊控制器包括：精确量的模糊化、模糊控制算法的设计和输出信息的模糊判决三个方面。其中精确量的模糊化是指语言变量转化为论域上的模糊子集，模糊控制算法的设计是指通过模糊控制规则计算出模糊关系，输出信息的模糊判决是指把模糊量转化为精确量。

模糊数学理论和模糊语言是模糊控制的理论基础。是基于模糊规则之下的控制系统，模糊控制规则是通过总结、归纳和优化得到的一种控制方式。而模糊数学以隶属函数讨论问题。建立精确的数学模型系统，实质是应用数学处理方法，在测量数据中，找出输入和输出的存在关系，并通过数学方程表示出来。这也是建立模糊系统模型的基础理论，把精确量数据进行模糊化处理转化成模糊量，通过精确数学模型转化为条件语句，使用条件语句输入语言变量模糊子集IF、输出语言变量模糊子集THEN来表达的模糊关系，就叫做模糊系统模型。

模糊控制系统具有以下5个特点：

(1)  模糊控制系统基于对模糊规则的控制，直接使用模糊语言控制规则来实现的，依据控制经验或相关理论知识，不需要建立精确的数学模型，因而模糊控制系统设计简单，应用方便。

(2)  根据现代工业化的实际生产要求，很容易就能得到控制规则要求，根据控制规则要求建立语言控制。这对于某些难以获取数学模型，不易掌握动态特性的对象非常实用，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。

(3)  基于模糊控制系统模型的控制算法设计方法，由于对性能要求不一样，控制算法的设计方法会产生较大差异。但模糊控制系统的语言控制规则具有良好的独立性，利用模糊控制系统的模糊控制规律之间存在的关联，会找到控制效果要好于一般控制器的方法。

(4)  模糊控制是由控制要求及控制语言规则来设计的。这有利于对控制过程进行精确控制，以提高控制系统的控制能力，使其能有较好控制水平。

(5)  模糊控制系统的稳定性比较强，外界的干扰和参数的变化对模糊控制系统的控制效果影响减小，非常适合在非线性、时滞后系统中的应该。

对于一个很难建立数学模型的控制对象来说，很难应该现有的控制水平来进行控制，但模糊控制系统能对复杂现象进行分析和判断，通过人工对控制系统的控制，能总结出控制规则，再应用模糊控制理论中模糊集合理论，把控制规则转换成模糊条件语句，建立起一个模糊模型，通过模糊模型来进行模糊控制器的设计。

4.2  模糊控制器的一般设计步骤

模糊控制器是直流电机调速模糊控制系统的核心。本论文的重点是模糊控制器的设计。

模糊控制器的主要工作步骤为：将模糊控制器输入量转化为模糊量的输入量转化为模糊量，应用到模糊逻辑决策系统中，在模糊逻辑决策器模块中，根据模糊控制规则确定模糊关系R，应用模糊逻辑推理算法，计算出控制器的输出模糊控制量，再把模糊控制量精确化计算后得到精确的控制量，应用到控制系统中。

在模糊逻辑推理的过程中：模糊化、模糊逻辑推理、精确化计算是模糊逻辑推理的三个主要过程。

(1)  模糊化：把测量所得到的输入变量值，使用数字形式表现出来，转化为模糊控制系统的模糊子集。通过模糊控制系统的隶属度函数实现。对任一的输入量，隶属度函数大于0的模糊子集至少有一个，这就使得每个输入量都有一个确定的模糊子集与之对应。

(2)  模糊逻辑推理：模糊逻辑推理是模糊控制系统的核心，以模糊判断为基础，使用模糊语言规则，得到模糊判断结论的方法。根据模糊条件语句来确定模糊控制规则，应用模糊数学理论，对确定的模糊控制规则进行推理计算，就能计算得出模糊输出量。模糊推理主要有三种，分别是Zadeh法，Mamdani法和强度转移法。

(3)  精确化计算：通过模糊推理，得到模糊集合。但在模糊控制系统的实际应用中。只有确定的值才能实现控制或驱动，这就需要将得到的模糊输入量转换成精确值，也称此过程为反模糊化。常用的三种精确化方法是：最大隶属度函数法、重心法和加权平均法。采用不同方法所得到的结果是不一样的。

模糊控制器的设计主要分为以下六步：

1. 确定模糊控制器的输入变量和输出变量。
2. 确定输入变量和输出变量的模糊子集和论域及其隶属度。
3. 设计模糊控制器的模糊控制规则。
4. 模糊化和去模糊化。
5. 编制控制器算法的应用程序。
6. 选择合理的模糊控制算法采样时间。

直流电机模糊控制调速系统的主要设计步骤有以下四点：

(1)  根据实际情况，确定模糊控制器的结构。

(2)  确定输入变量和输出变量的模糊子集和论域及其隶属度。

(3)  确定模糊控制器的控制规则。

(4)  确定模糊关系和模糊矩阵。

 

打开MATLAB软件，在MATLAB软件的命令窗口输入simulink并回车，就可进入simulink的设计窗口，或者在MATLAB软件的工具栏上点击图标，可快速进入simulink的设计窗口，然后从新建立一个模型文件，在新建的模型文件中建立直流电机模型，如图21所示。

 

图21  直流电机模型

直流电机模型参数为：Kf=0.2kg∙m2/s,L=0.5H,J=1.2kg∙m2,Km=Kb=0.2N∙m/A,R=2.0Ω.

 

应用MATLAB软件中的模糊推理系统工具箱，对模糊控制器进行编辑，模糊控制器的编辑方法如下：

（1）对模糊集合进行编辑和运算，在MATLAB软件的命令窗口在输入fuzzy并回车，打开模糊逻辑编辑器，在模糊逻辑编辑器的菜单栏中选择File→New FIS→Mamdani新建立Mamdani型模糊控制器，在菜单Edit下添加偏差E和偏差变化率DE及控制增量△U的输入量和输出量，如图22所示。

 

如22  模糊控制器的编辑

 

 

双击输入和输出图标，就能对输入和输出的函数进行编辑。如模糊子集个数、论域范围、函数形状等参数都可以进行编辑。

 

（2）  选择菜单Edit-Rules进入模糊规则编辑窗口，如图23所示。

图23  模糊规则的编辑

在模糊控制编辑器中，通过模糊控制规则来选择E、DE和△U的值，点击模糊规则编辑窗口的的Add rule按扭，编辑生成格式为“IF e is A and de is B THEN △u is C”的语句。此次直流电机系统的模糊控制规则如表1所示。

表1模糊控制规则

 

dee          NBNSZE   PS    PB
NB        NBNB     NSNSZE NS            NB            NS            NS            ZE            PS ZE            NS            NS            ZE            PS            PS PS            NS            ZE            PS            PS            PB PB            ZE            PS            PSPB           PB