基于模糊控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、學(xué)號(hào)07118010226編號(hào)2011180226研究類型應(yīng)用研究分類號(hào)tp273hubei normal university學(xué)士學(xué)位論文bachelors thesis論文題目基于模糊控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者姓名張 祥指導(dǎo)教師楊青勝所在院系機(jī)電與控制工程學(xué)院專業(yè)名稱電氣工程及其自動(dòng)化完成時(shí)間2011-5-17湖北師范學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）誠信承諾書中文題目：基于模糊控制的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)外文題目：based on fuzzy control dc motor control system design學(xué)生姓名張 祥學(xué) 號(hào)26院系專業(yè)機(jī)電與控制工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化 專業(yè)班

2、級(jí)0702班學(xué) 生 承 諾我承諾在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）活動(dòng)中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，本人畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）內(nèi)容除特別注明和引用外，均為本人觀點(diǎn)，不存在剽竊、抄襲他人學(xué)術(shù)成果，偽造、篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況。如有違規(guī)行為，我愿承擔(dān)一切責(zé)任，接受學(xué)校的處理。學(xué)生（簽名）：年 月 日指導(dǎo)教師承諾我承諾在指導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）活動(dòng)中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，經(jīng)過本人核查，該生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）內(nèi)容除特別注明和引用外，均為該生本人觀點(diǎn)，不存在剽竊、抄襲他人學(xué)術(shù)成果，偽造、篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日基于模糊控制的直流電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)張 祥（湖北師范學(xué)院控制科學(xué)與工程系，湖北 黃石 4

3、35002）摘要: 本文設(shè)計(jì)要求是建立一個(gè)模糊控制器控制直流電機(jī)的模型。其內(nèi)容包括直流電動(dòng)機(jī)工作原理的分析，模糊控制器的設(shè)計(jì)以及simulink工具箱的使用，分別建立直流電動(dòng)機(jī)和模糊控制器的仿真圖，以及級(jí)聯(lián)模糊控制器和直流電機(jī)的仿真模型進(jìn)行結(jié)論分析。使用的方法是通過simulink軟件分別建立直流電機(jī)和模糊控制器系統(tǒng)的模型，設(shè)置各部分參數(shù)，得到仿真波形，然后將直流電機(jī)和模糊控制器級(jí)聯(lián)保持原先參數(shù)不變，查看輸出波形與無模糊控制器的直流電機(jī)波形對(duì)比，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞: simulink 直流電機(jī) 模糊控制 級(jí)聯(lián)中圖分類號(hào):tp273 dc motor based on fuzzy control

4、system designzhangxiang(department of control science and engineering, hubei normal university, huangshi 435002, china)abstract : this design requirement is to build a fuzzy model of the dc motor controller. it includes the analysis of dc motor works, the fuzzy controller design and the use of simul

5、ink toolbox, were established and the fuzzy controller dc motor simulation map and cascade fuzzy controller and dc motor conclusions of the simulation model. methods used were established by the software simulink fuzzy controller dc motor and system model, setting parameters of each part, by simulat

6、ion waveform, and then cascade dc motor and to maintain the original fuzzy controller parameters constant, view the output waveform with and without fuzzy dc motor controller waveform compared to a conclusion.key words: simulink dc fuzzy control cascade 目 錄前言1 緒論11.1論文研究的背景和意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 論文研究的主要

7、內(nèi)容52 直流電動(dòng)機(jī)72.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理72.2直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)82.3直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)102.4電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)113 模糊控制133.1模糊邏輯概述133.2模糊集合133.3隸屬度函數(shù)153.4 模糊邏輯運(yùn)算173.5 模糊推理194 系統(tǒng)軟件仿真224.1 matiab編程環(huán)境2242 simulink組件介紹234.3 直流電動(dòng)機(jī)建模244.4 模糊控制器建模284.5 系統(tǒng)級(jí)聯(lián)345 總結(jié)與展望38致謝39參考文獻(xiàn)40湖北師范學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）評(píng)審表42前言直流電機(jī)是一種經(jīng)常被用作為控制元件來使用的器件，它可以直接提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制方法有：魯棒

8、控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法和pid控制法等。這些常規(guī)的控制的基本特點(diǎn)是控制器的設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，但是，在許多情況下被控對(duì)象或者生產(chǎn)過程的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。在一些模型方程中，含有眾多的參數(shù)需要估計(jì)，求解這些參數(shù)卻往往缺少足夠的信息量與信息特征；簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型不能準(zhǔn)確的說明原來的系統(tǒng)，以至于沒有實(shí)用價(jià)值；還有一些生產(chǎn)過程缺乏適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段，或者測(cè)試裝置不能進(jìn)入被測(cè)試區(qū)域，致使無法建立過程的數(shù)學(xué)模型。而且，隨著科學(xué)科技的迅猛發(fā)展，目前研究的控制系統(tǒng)更多的涉及多變量、非線性、時(shí)變的大系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型是非常困難的，或者根本不可能的，系統(tǒng)的復(fù)雜性與控制技術(shù)的精確性形成的尖銳的

9、矛盾。于是，傳統(tǒng)的控制理論和技術(shù)面臨著新的 要求的挑戰(zhàn)。 模糊集合控制理論的提出解決了這一難題，模糊集合理論是一種具有處理語言信息能力的控制理論。根據(jù)模糊集合理論設(shè)計(jì)的模糊控制器根據(jù)模糊集合理論設(shè)計(jì)的，能夠模仿操作人員手動(dòng)控制作用，它不要求已知受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。需要強(qiáng)調(diào)指出：模糊控制器不要求受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并不等于在對(duì)受控對(duì)象先驗(yàn)知識(shí)一無所知的情況下可設(shè)計(jì)一個(gè)具有良好控制效果的模糊控制器。恰好相反，它仍然要求對(duì)受控對(duì)象的特性有充分的了解，只不過它們是以知識(shí)模型(由人們對(duì)受控過程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)而形成的模型)而不是以數(shù)學(xué)模型的形式表達(dá)出來的.把模糊控制應(yīng)用到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)

10、速調(diào)節(jié)中對(duì)現(xiàn)代生活有著重大的意義. 1 緒論1.1論文研究的背景和意義 控制理論的一個(gè)基本的要求，是必須知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際中，許多工業(yè)被控對(duì)象由于具有非線性、時(shí)變性、變結(jié)構(gòu)、多層次、多干擾因素以及各種不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。即使對(duì)一些復(fù)雜對(duì)象能夠建立數(shù)學(xué)模型，模型也往往過于復(fù)雜，既不利于設(shè)計(jì)也難以實(shí)現(xiàn)有效控制。雖然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一些問題，但其能力也是有限的。在實(shí)際工作中，操作者能夠?qū)δ切╇y以建立數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。操作者對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行的控制主要是通過不斷學(xué)習(xí)，積累操作經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的。這些經(jīng)驗(yàn)包括操作者對(duì)被控對(duì)象特性的了解，在各種情況下的控制策略以及

11、性能指標(biāo)判據(jù)。作為經(jīng)驗(yàn)，這些信息通常是以自然語言的形式表達(dá)出來、它們的特點(diǎn)是定性的描述，所以具有不確定性和不精確性。這種特性使得人們無法用現(xiàn)有的定量控制理論對(duì)這些信息進(jìn)行處理，但是人們卻能根據(jù)這些信息建立一組行之有效的規(guī)則，對(duì)被控劉象進(jìn)行控制。這種規(guī)則用語言信息表達(dá)的具有模糊性的控制規(guī)則嘲。需要一種能處理具有模糊性的語言信息的控制技術(shù)，這種技術(shù)能根據(jù)語言信息構(gòu)成一個(gè)能給出有效控制方法的控制器。模糊邏輯的研究迅速發(fā)展其應(yīng)用范圍從照相機(jī)、便攜式攝像機(jī)、洗衣機(jī)、微波爐等日用消費(fèi)品，直到工業(yè)控制、醫(yī)療器械、決策支持系統(tǒng)和人力資源管理等領(lǐng)域。尤其在家用電器領(lǐng)域，無論對(duì)專家還是對(duì)普通消費(fèi)者，模糊邏輯都給人

12、以深刻的應(yīng)象。模糊數(shù)學(xué)是一種解決模糊問題的數(shù)學(xué)工具。模糊數(shù)學(xué)用是隸屬函數(shù)恰當(dāng)?shù)孛枋鍪挛锏哪：?，從而把具有模糊現(xiàn)象印模糊概念的事物處理成精確的東西，從而得到明確清晰的結(jié)果模糊控制器和被控對(duì)象匹配技術(shù)目前仍依賴于人們的經(jīng)驗(yàn)：模糊理論中關(guān)于模糊模型的問題還有待深入研究。所以在這種匹配技術(shù)中，人為因素起著較大作用。新型的模糊控制也是今天人們研究的重點(diǎn)。新型模糊控制基本是建立在模糊控制和其他控制技術(shù)基礎(chǔ)上的。目前，涉及較多的有模糊預(yù)測(cè)控制、專家模糊控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。模糊預(yù)測(cè)控制是把模糊控制技術(shù)與預(yù)測(cè)控制技術(shù)相結(jié)合的一種復(fù)合列控制技術(shù)。預(yù)測(cè)控制對(duì)控制的效果進(jìn)行預(yù)估，而模糊控制則執(zhí)行對(duì)被控制對(duì)象的

13、控制。 專家模期控制則是把專家系統(tǒng)技術(shù)和模糊控制技術(shù)結(jié)合在一起。它可以用基于專家系統(tǒng)得出的模糊控制規(guī)則執(zhí)行控制也可以用模糊方法所建立的專家系統(tǒng)執(zhí)行控制。專家模糊控制在本質(zhì)上是人工智能與模糊控制相結(jié)合的一種結(jié)果。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自本世紀(jì)初，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來，自動(dòng)控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展20世紀(jì)50年代中期，古典控制論已經(jīng)發(fā)展成熟和完備，并成功地應(yīng)用在工程技術(shù)和軍事等領(lǐng)域。古典控制論傳遞函數(shù)來描述單輸入單輸出系統(tǒng)，利用頻率響應(yīng)法來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的分析與綜合。但是，古典控制論具有明顯的局限性，它只能處理單輸入單輸出系統(tǒng)，并且難以揭示系統(tǒng)的更深刻的特性。1960年前后一段時(shí)間，現(xiàn)代控制理論開

14、始篷勃發(fā)展。其重要標(biāo)志之一就是美國著名學(xué)者rekaman提出了控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間理論。與古典的傳遞函數(shù)法僅描述了系統(tǒng)的外部輸入輸出特性不同，狀態(tài)空問法是系統(tǒng)的內(nèi)部描述，從而使系統(tǒng)的分析和綜合過程建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)上，在很大程度上促進(jìn)了控制理論與技術(shù)的發(fā)展。狀態(tài)空間法可以同時(shí)適用于單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)，線性定常系統(tǒng)和線性時(shí)變系統(tǒng)等，并且使得我們可以直接在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和綜合。計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，又為這種分析和綜合方法提供了強(qiáng)有力的工具。對(duì)于線性系統(tǒng)的分析和研究還在不斷地向前發(fā)展，隨著采用的數(shù)學(xué)工具利對(duì)系統(tǒng)的描述方法不同，己形成各種學(xué)派，并且得到了各自成體系和有價(jià)值的結(jié)

15、論。線性系統(tǒng)的分析與綜合方法是自動(dòng)控制理論中最為成熟和完善的一個(gè)組成部分，它是最優(yōu)控制、最優(yōu)估計(jì)、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制和非線性系統(tǒng)分析和綜合等控制理論各分支的基礎(chǔ)。 目前對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制有以下幾種：(1)魯棒控制方法魯棒性問題是控制系統(tǒng)中的一個(gè)具有普遍性的問題?？刂葡到y(tǒng)的魯棒性是指系統(tǒng)中存在不確定因索時(shí)，系統(tǒng)仍能保持正常工作性能的一種屬性。從60年代以來，通過結(jié)合實(shí)際工程問題和數(shù)學(xué)理論，魯棒控制理論取得下令人矚目的發(fā)展，并己逐步形成具有代表性的三個(gè)主要研究方面，即：研究系統(tǒng)傳遞函數(shù)(矩陣)的頻率域方法，研究系統(tǒng)特征多項(xiàng)式族的多項(xiàng)式代數(shù)方法和研究系統(tǒng)狀態(tài)方程矩陣族的時(shí)域(狀態(tài)空間)

16、方法。魯棒控制的基本思想：如果系統(tǒng)中存在能夠引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化的不確定件，那么，被控對(duì)象實(shí)際上不是一個(gè)單一固定不變的系統(tǒng)。如果這種不確定性可以理解為取自某一個(gè)集合，那么實(shí)際被控對(duì)象可以描述為一個(gè)系統(tǒng)集(。，)。這里，。是模型的精確已如部分，稱為標(biāo)稱系統(tǒng)，表示不確定性因素所構(gòu)成的某個(gè)可描述集。不確定性集合可以表現(xiàn)為參數(shù)空間的有界集，或者有理函數(shù)集合。所謂魯棒性，是指標(biāo)稱系統(tǒng)。所具有的某一種性能品質(zhì)對(duì)于具有不確定性的系統(tǒng)集(。，)的所有成員均成立。如果所關(guān)心的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則稱該系統(tǒng)具有魯棒穩(wěn)定性；如果所關(guān)心的是用干擾抑制性能或用其他性能準(zhǔn)則來描述品質(zhì)，則稱該系統(tǒng)具有魯棒性能準(zhǔn)則。魯棒控制理

17、論包含兩大類問題，即魯棒性分析及魯棒性綜合問題。(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制： 盡管目前人們對(duì)大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制，甚至單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的工作原理了解還很膚淺，但是基于生物神經(jīng)系統(tǒng)的分布式存儲(chǔ)、并行處理、自適應(yīng)學(xué)習(xí)這些現(xiàn)象，已經(jīng)構(gòu)造出具有一些低級(jí)智慧的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)然這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只是對(duì)大腦的粗略而簡(jiǎn)單的模仿，無論在功能上，還是在規(guī)模上都比真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差得很遠(yuǎn)，但它在一些科學(xué)研究和實(shí)際工程領(lǐng)域中已顯示了很大的威力。從80年代初神經(jīng)網(wǎng)的研究再次復(fù)蘇并形成熱點(diǎn)以來，發(fā)展非常迅速，在理論上，對(duì)它的計(jì)算能力、對(duì)任意連續(xù)映射的逼近能力、學(xué)習(xí)理論及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性分析等都取得了豐碩的成果。在應(yīng)用上已

18、迅速擴(kuò)展到許多重要領(lǐng)域。圖1-1表示nn基本單元的神經(jīng)元模型，它有三個(gè)基本要素：(1)一組連接權(quán)(對(duì)應(yīng)于生物神經(jīng)元的突觸)，連接強(qiáng)度由各連接上的權(quán)值表示，權(quán)值為正表示激勵(lì)，為負(fù)表示抑制。(2)一個(gè)求和單元，用于求取各輸入信息的加權(quán)和(線性組合)。(3)一個(gè)非線性激勵(lì)函數(shù)，起非線性映射作用并限制神經(jīng)元輸出幅度在一定的范圍之內(nèi)(一般限制在【o。1】或【-1，l】之間)。此外還有一個(gè)閥值(或偏置)。以上作用可以用數(shù)學(xué)式表達(dá)為： (1-1) (1-2)（3）pid控制：在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是pid控制。模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對(duì)象組成。 圖

19、1-2 pid控制原理圖pid控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin（t）與實(shí)際輸出值yout（t）構(gòu)成控制偏差 (1-3)pid的控制規(guī)律為 (1-4)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式 (1-5)式中,-比例系數(shù)；-積分時(shí)間常數(shù)； -微分時(shí)間常數(shù)簡(jiǎn)單說來，pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)error（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)t1，t1越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前

20、，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 1.3 論文研究的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)將模糊控制引入了控制直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，采用了完全不同與常規(guī)控制策略的控制方法。論文研究的主要內(nèi)容：（1） 閱讀大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，研究了目前控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。（2） 系統(tǒng)的說明直流電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理并分析，以及模糊控制的相關(guān)論述。（3） 分析直流電機(jī)的組成及其工作原理，采用matlab建立直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型，在simulink工具箱建立模糊控制器。（4） 用matlab建立模糊控制系統(tǒng)與直流電機(jī)級(jí)聯(lián)進(jìn)行仿真（5） 將有無模糊控制器的直流電機(jī)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)相比較，通過仿真

21、說明得出結(jié)論。 2 直流電動(dòng)機(jī)2.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 電機(jī)的發(fā)展可以分為二個(gè)時(shí)期，第一個(gè)時(shí)期是從發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象開始，直到19世紀(jì)術(shù)和本世紀(jì)初，當(dāng)各種電機(jī)和變壓器的基本型式已經(jīng)具備時(shí)為止。第二個(gè)時(shí)期是從本世紀(jì)初立到現(xiàn)在。前者可稱為電機(jī)初期發(fā)展時(shí)期，后者可稱為近代發(fā)展時(shí)期。前期又可分為4個(gè)階段。即：電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)；直流電機(jī)的發(fā)展；單相交流電的應(yīng)用；三相交流電的應(yīng)用。直流電機(jī)的作用是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能、較強(qiáng)的過載能力，能在很寬的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，因而它被廣泛地用于電力機(jī)車、城市交通、軋鋼機(jī)、機(jī)床和超重設(shè)備中。直流電動(dòng)機(jī)模型，如圖2-1所示圖2-1直流

22、電動(dòng)機(jī)的工作原理圖外電源從電刷ab引入直流電流，使電流從正電刷a流入，由負(fù)電刷b流出。此時(shí)，線圈中電流的路徑為：電源正極一電刷aabcd一電刷b一電源負(fù)極。根據(jù)左手定則確定的電磁力方向可知，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩方向是逆時(shí)針的。設(shè)電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)線圈邊ab由n極下面轉(zhuǎn)到s極下面，線圈邊cd由s極下面轉(zhuǎn)到n極下面時(shí)，由于換向器的作用，使線圈中的電流改變方向，此時(shí)電流的路徑為：電源正極一電刷adcba一電刷b一電源負(fù)極。因?yàn)楦鞔艠O下線圈中的電流方向并不改變，所以就保證了電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變，從而使電樞能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而，不論是從電磁轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性考慮，還是從增大電磁轉(zhuǎn)矩的角度考慮。圖

23、2-i中這個(gè)僅有一個(gè)線圈的電樞結(jié)構(gòu)是很不完善的”。為了使圖中所示的電動(dòng)機(jī)具有實(shí)用性，必須增加線圈的數(shù)量，并使線圈沿電樞表面均勻分布同時(shí)，還應(yīng)使總電磁轉(zhuǎn)矩等于各個(gè)線圈產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之和，這樣，線因數(shù)越多，總電磁轉(zhuǎn)矩越大；均勻分布的線圈越多，總電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)就越小。2.2直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)直流電機(jī)的工作原理可知，要實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，電路和磁場(chǎng)之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以，旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)具備靜止和旋轉(zhuǎn)兩大部分。直流電機(jī)的靜止部分稱為定子，其主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由主磁極、換向極、電刷裝置和機(jī)座等組成。轉(zhuǎn)動(dòng)部分就是轉(zhuǎn)子，通常稱為電樞，它的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸和風(fēng)

24、扇等組成。直流電機(jī)的剖面圖如圖22所示?，F(xiàn)對(duì)各主要部件的主要結(jié)構(gòu)及其作用作簡(jiǎn)要介紹圖2-2直流電機(jī)削面示意圖 (1)換向器：換向器是直流電機(jī)的重要部。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，其作用是把輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，從而產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。換向器由許多梯形截面的換向片組成。換向片之間用云母絕緣。電樞繞組的每一個(gè)線圈兩端分別按在兩個(gè)換向片上。 (2)電刷裝置：電刷是引出或引入直流電壓和直流電流的裝置。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿座和銅絲瓣組成。電刷是由石墨或金屬一石墨制成的導(dǎo)電塊，放置在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊在換向器上。刷握固定在刷杼上，而屆4桿固定在劇桿座上，刷桿與刷桿座之間是相互絕緣的。刷桿座固

25、定在機(jī)座或軸承內(nèi)蓋上 (3)機(jī)座(磁軛)：機(jī)座是固定主磁極、換向極和端蓋等軍部件的支承件，也是電機(jī)磁路的一部分機(jī)座中通有磁通的部分稱為磁扼。機(jī)座通常為鑄鋼件或由鋼板卷焊而成。這樣既可以有較好的導(dǎo)磁性，又能滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求。機(jī)座兩端裝有端蓋，端蓋僅起保護(hù)作用對(duì)于近年來出現(xiàn)的由電力電子元件構(gòu)成的電源裝置供電的某些大容量、可逆轉(zhuǎn)的直流電機(jī)，為了減小渦流的阻尼作用，機(jī)座磁扼部分采用硅鋼片沖制疊壓而成。 (4)主磁極：主磁極的作用是建立電機(jī)的氣隙磁勢(shì)產(chǎn)生主磁通。主磁極由磁極鐵心和套在它上面的勵(lì)磁繞組組成。只有功率很小的某些微電機(jī)的磁極才用永久磁鐵制造。磁極鐵心通常由ll5mm厚的低碳鋼極沖壓后用鉚釘鉚

26、成整體，然后用螺釘面定在機(jī)座上。主磁極鐵心靠近電樞的部分較寬，并做成弧形，稱為極靴。它既可文承勵(lì)磁線圈，又可以便氣隙磁密按一定規(guī)律分布“。勵(lì)磁線圈通常由圓的高強(qiáng)度漆包線或扁的玻璃絲包線繞制面成。各個(gè)磁極上的勵(lì)磁線圈之間幾乎都采用串聯(lián)連接，并且使相鄰主磁極的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的極性相反，即主磁極n極和s極沿圓周交替捧列。通常，極靴與電樞表面形成的氣隙是不均勻的。有些結(jié)構(gòu)形式是極靴中部為均勻氣隙在兩側(cè)極尖擴(kuò)大，極靴中部圓弧與電樞外圈是同心的這種形式的氣隙稱為同心氣隙。另一種結(jié)構(gòu)形式是極靴圓弧的中心與電樞軸心不重合，這樣形成的氣隙稱為偏心氣隙。 (5)換向極：換向極又稱附加極。其作用是改善直流電機(jī)的換向條

27、件。換向極裝在相鄰兩磁極之間的幾何中性線上，其鐵心可用整塊鋼制成，但大容量、高轉(zhuǎn)速電機(jī)的換向極鐵心通常用l2哪厚的低碳鋼板沖制疊壓而成。然后用螺釘固定在機(jī)座上。由于換向極繞組與電樞繞組相串聯(lián)，其線圈采用截面積大的矩形導(dǎo)線繞制。換向極的數(shù)目通常與主磁極數(shù)目相同，但在功率很小的電機(jī)中，也往往只加裝主磁極數(shù)目一半的換向極，或不裝換向極。 (6)電樞繞組：電樞繞組是由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，是通過電流和產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈常用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包銅導(dǎo)線繞成。線圈邊分上下兩層嵌入在電樞鐵心的槽內(nèi)，上下兩層線圈之間以及線圈與鐵心之間都要妥善絕緣。為

28、了防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈受離心力作用而甩出，在槽口打入槽楔將線圈邊壓緊。端部用鋼絲或玻璃絲帶扎緊。 (7)電樞鐵心：電樞鐵心用于安放電樞繞組，同時(shí)作為電機(jī)磁路的組成部分。為了減少鐵心中產(chǎn)生的鐵損耗，電樞鐵心通常由035m厚涂有絕緣漆的硅鋼沖片疊裝而成。鐵心上有用于嵌放電樞繞組的矩形或梨形槽。為了改善冷卻條件，鐵心還常有軸向通風(fēng)孔，較大容量的電機(jī)還常沿軸向?qū)㈣F心分成幾段，以便形成徑向通風(fēng)溝。2.3直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù) 數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人中廣泛采用直流伺服系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，需要知道直流電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械量與輸入給電樞兩端電壓信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系，也是要知道直流電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)。圖2一

29、l是直流電動(dòng)機(jī)的模型，激成為它激式，激磁電壓為恒定電壓以求得到恒定磁通。顯然這一模型同樣也適合于永磁式直流電動(dòng)機(jī)。 對(duì)電樞回路，可以列出如下電壓平衡方程： （2-1） （2-2）式中：-電樞兩端的電壓，單位為v；r-電樞回路的總電阻，單位為；l-電摳回路的電感，單位為h；-電樞電流，單位為a；e-直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，單位為v；-電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所決定的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，單位為v*min/r；n-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為rnlin由電樞電流建立起的電磁轉(zhuǎn)矩為：m= （2-3） 其中km為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。2.4電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，電力工業(yè)不斷發(fā)展，發(fā)電機(jī)和變壓器的單機(jī)容量的增大是電機(jī)制造工

30、業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。一臺(tái)發(fā)電機(jī)的重量、所需材料、損耗和造價(jià)與電機(jī)本身的容量并不是成正比例的。機(jī)組容量大時(shí)，單位容量的用料省、損耗小、造價(jià)低同時(shí)、單機(jī)容量大，電站機(jī)組數(shù)少、工作人員也全。廠房面積也可縮小，又可節(jié)約基建投資及維護(hù)費(fèi)用。單機(jī)容量的提高與冷卻技術(shù)的發(fā)展，絕緣、硅鋼片、轉(zhuǎn)子鋼材等有效材料和結(jié)構(gòu)材料性能的改進(jìn)，設(shè)計(jì)和工藝水平的提高等都有密切關(guān)系。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)單機(jī)容量限制的突破會(huì)起重要作用。目前，已廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，在優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上可以得到最佳設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)，可以建立足夠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，使計(jì)算結(jié)果與電機(jī)實(shí)際性能很接近。

31、這可以減少樣機(jī)試制工作量，加速新產(chǎn)品開發(fā)。除設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)一步完善外，新工藝和新的測(cè)試方法不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過程自動(dòng)化受到很大重視，新型磁性、絕緣等材料的研制，都可以促進(jìn)電機(jī)性能指標(biāo)和產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益的提高。為適應(yīng)各種不同工作要求，電動(dòng)機(jī)的系列和品種也愈來愈多。除一般用途電機(jī)外，還有特定用途電機(jī)，如潛水電機(jī)、防爆電機(jī)、船舶電機(jī)、紡織用電機(jī)、礦用電機(jī)、林業(yè)用電機(jī)等。它們常在某些特定的環(huán)境條件下運(yùn)行，例如易燃易爆、有腐蝕性氣體和粉塵、輻射、蟲蛀等。或者電源為非標(biāo)準(zhǔn)的，電機(jī)負(fù)載呈周期性變化等。還有特殊用途電機(jī)，如高速電機(jī)、計(jì)時(shí)電機(jī)、陀螺電機(jī)等。以及在控制系統(tǒng)中用作檢測(cè)或伺服元件的各種微型控制電機(jī)等。后者的工作特

32、性較為特殊、一般對(duì)它們的性能精度和動(dòng)態(tài)特性等要求較高，在體積和重量方面也有嚴(yán)格限制。此外，一些新型結(jié)構(gòu)電機(jī)。如印制繞組電機(jī)、無刷電機(jī)、各類永磁電機(jī)等也都在迅速發(fā)展。世界上對(duì)小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要量很大。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家每年生產(chǎn)量達(dá)數(shù)千萬臺(tái)，甚至上億臺(tái)。這一方面顯示了社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要，另一方面也說明日常生活所用微型電機(jī)的數(shù)量猛增。 3 模糊控制3.1模糊邏輯概述簡(jiǎn)單說模糊邏輯是一種將一空間的輸入映射到另一空間的輸出的的一種規(guī)則。這種映射關(guān)系是模糊邏輯一切其他應(yīng)用的基礎(chǔ)和起點(diǎn)。模糊邏輯強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是應(yīng)用的簡(jiǎn)單和方便，這也是模糊邏輯被廣泛應(yīng)用的原因。模糊數(shù)學(xué)是研究模糊邏輯的科學(xué)。20世紀(jì)60年代由美國加利福

33、利亞大學(xué)著名系統(tǒng)科學(xué)工程科學(xué)專家lazadeh教授首先提出模糊集合的概念，為模糊集合的運(yùn)用和模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近年來，模糊數(shù)學(xué)得到極大的發(fā)展，并且滲透到社會(huì)和自然的許多分支中去。在理論和實(shí)踐運(yùn)用上都取得了令人矚目的成果。雖然模糊數(shù)學(xué)理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于經(jīng)典的確定性數(shù)學(xué)理論，但人類運(yùn)用模糊的思維方式的歷史卻遠(yuǎn)早于數(shù)值邏輯。從哲學(xué)觀點(diǎn)來看，模糊邏輯表現(xiàn)了事物的質(zhì)的方面，數(shù)值邏輯表現(xiàn)的是量的方面，因而模糊的思維更適合人類大腦的思維過程。模糊性反映事物的不確定性和不精確性。確定性和不確定性也可歸結(jié)為相對(duì)的概念，在某種條件和范圍內(nèi)是確定和精確的，在另一種條件或范圍內(nèi)是不確定和不精確的。另外，模糊性是獨(dú)立

34、于隨機(jī)性的，也是說，概率統(tǒng)計(jì)的方法還不足以處理模糊性問題。現(xiàn)代各種系統(tǒng)的基本核心是決策系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)籌。一般來說，決策是通過系統(tǒng)的模型來實(shí)現(xiàn)的。模型通?？煞譃閿?shù)學(xué)模型和非數(shù)學(xué)模型。一些數(shù)學(xué)模型還可以表達(dá)為“思想和概念”模型。模型的建立往往需要兩個(gè)相互依存的條件：其一是系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境的數(shù)據(jù)收集，其二是模型建立者的概念，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。而決策是建立在這個(gè)明模型上以系列判據(jù)的映射和結(jié)合。模糊數(shù)學(xué)是建立非數(shù)學(xué)模型，表達(dá)和實(shí)現(xiàn)決策方式的一種很好的工具。3.2模糊集合 集合可以表達(dá)概念。符合某概念的對(duì)象的全體就構(gòu)成此概念的外延，一個(gè)概念所包含的那些區(qū)別于其他概念的全體本質(zhì)屬性就是這概念的內(nèi)涵：用集合論的

35、觀點(diǎn)來看，內(nèi)涵是集合的定義，外延就是組成集合的所有元素。一個(gè)概念的外延就是一個(gè)集合。在現(xiàn)實(shí)世界中，有很多事物的分類邊界是不分明的，或者說是難以明確劃分的。比如。將一群人劃分為“高”和“不高”兩類，就不好影星規(guī)定一個(gè)劃分的標(biāo)準(zhǔn)。如果硬性規(guī)定，1.80m以上人算“高個(gè)子”，否則不算，則有可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)本來身高“基本一樣”的人卻被認(rèn)為一個(gè)“高”，一個(gè)“不高”，這就有悖于常理，因?yàn)檫@兩個(gè)人在任何人看來都是“差不多高”。這種概念外延的不確定性稱它為模糊性。由此可見，普通集合在表達(dá)概念方面有它的局限性。普通集合只能表達(dá)“非此即彼”的概念，而不能表達(dá)“亦此亦彼”的現(xiàn)象。為此，1965年美國加州大學(xué)控制專家l

36、.a.zudeh教授創(chuàng)立了模糊集合論，提出用模糊集合來刻畫模糊概念。定義 論域u中的模糊子集a，是以隸屬函數(shù)表征的集合。即由映射 確定論域u的一個(gè)模糊子集a。稱為模糊自己a的隸屬函數(shù)，稱為u對(duì)a的隸屬度，它表示論域中的元素u屬于模糊子集a的程度。它在【0，1】閉區(qū)間內(nèi)可連續(xù)取值。，表示u完全屬于a；，表示完全不屬于a；表示u隸屬于a的程度。當(dāng)論域u中只含有有限個(gè)元素時(shí)，稱為有限論域。有限論域的模糊集合可用下面方法表示：(1)向量表示法：當(dāng)論域u中的元素是有序時(shí)，可以用元素的隸屬度排列來表示模糊集合a，例：u=a，b，c，d，e，對(duì)于每一個(gè)元素，指定一個(gè)隸屬，這樣便確定廠模糊子集a=(1,o.9

37、，0.4,0.2，0)，也可表示為：a=【(1，a)，(09，b)，(04，c)，(02，d)，(0，e)】這是向量表示法。(2)單點(diǎn)表示法：也稱為zadeh表示法。這種方法用單點(diǎn)表示模糊集合a。例如：a=10十09b十04c十0.2d十0e，注意，與普通集合一樣，上式不是分式求和僅是一種表示法，其分母元素表示論域的元素，分子表示相應(yīng)元素的隸屬度當(dāng)隸屬度為零時(shí)，那一項(xiàng)可以省略一般地，若u為連續(xù)域，則可寫為： （3-1）若u為離散城，則可寫為： （3-2） 3.3隸屬度函數(shù)模糊集使得某元素可以以一定程度屬于某集合，某元素屬于某集合的程度由“0”與“1”之間的一個(gè)數(shù)值隸屬度來刻畫或描述。把一個(gè)具體

38、的元素映射到一個(gè)合適的隸屬度是由隸屬度函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。隸屬度函數(shù)可以是任意形狀的曲線，取什么形狀取決于是否讓我們使用起來感到簡(jiǎn)單、方便、快速、有效，惟一的約束條件是隸屬度函數(shù)的值域?yàn)椤緊，l】隸屬函數(shù)是模糊集合應(yīng)用于實(shí)際問題的基礎(chǔ)正確構(gòu)造隸屬函數(shù)是能否用好模糊集合的關(guān)鍵。目前確定隸屬函數(shù)還沒有一種成熟有效的方法，仍然停留在依靠經(jīng)驗(yàn)確定，然后再通過實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬得到反饋信息進(jìn)行修正。這種方法是根植于人的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過人腦的加工，吸收了人腦的優(yōu)點(diǎn)，但是這與人確定的心理過程有關(guān)，帶有一定的盲目性和主觀性所以從理論上說，即使根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)確定隸屬函數(shù)，這種沒有理論化的方法也不能保證其正確性，因?yàn)槿魏?/p>

39、人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)都是有局限性的在這方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。并正在努力設(shè)法解決這個(gè)難題，提出了各種各樣的確定方法，諸如模糊統(tǒng)計(jì)法、函數(shù)分段法、二元對(duì)比捧序法、對(duì)比平均法、濾波函數(shù)法、示范法和專家經(jīng)驗(yàn)法等等方法。但是這些探索至今只能對(duì)特定的情況解決部分的問題，而不是從根本上解決問題的一船性方法。某些人否定模糊邏輯科學(xué)性的一個(gè)重要理由是，認(rèn)為確定隸屬函數(shù)的方法不具有客觀性，那么由于帶有主觀人為性較隸屬函數(shù)形式具有隨意性這個(gè)問題可從兩個(gè)方面看。一方面，實(shí)際上這個(gè)特性正反映了模糊邏輯有很大的適應(yīng)性、易實(shí)現(xiàn)性、靈活性和模糊性這可以看成是它的個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)；另外，心理物理學(xué)已經(jīng)證明，人的各種感覺所反

40、應(yīng)的測(cè)量量與外界刺激的物理量之間確實(shí)保持著相當(dāng)嚴(yán)格的關(guān)系不少學(xué)者做過大量的統(tǒng)計(jì)工作。 證明模糊概念確是客觀事物本質(zhì)屬性在人頭腦中的反映。在客觀上，這些限定使隸屬函數(shù)成為對(duì)模糊概念所具真的客觀性的一種度量，只要不是主觀任意捏造，而是按大多數(shù)人的習(xí)慣去確定，具有一定的客觀可信度問題的關(guān)鍵還在于實(shí)踐是檢驗(yàn)隸屬函數(shù)正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)，效果是調(diào)整隸屬函數(shù)的依據(jù)所以住住都是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)近似的隸屬函數(shù)，然后再根據(jù)實(shí)踐效果加以調(diào)整，逐步逼近比較理想的情況。盡管目前尚未找蛩卜-種確定模糊集合隸屬度函數(shù)的統(tǒng)一方法，但在模糊系統(tǒng)中全少必須遵循下述原則：(1)表示隸屬函數(shù)的模糊集合必須是凸模糊集合：在實(shí)際應(yīng)用中為

41、了簡(jiǎn)化計(jì)算，常把隸屬函數(shù)設(shè)置成三角形，這是滿足凸模糊集合的要求的(2)變量所取隸屬函數(shù)通常是對(duì)稱和平衡的：在模糊系統(tǒng)中，每個(gè)輸入變量可有多個(gè)標(biāo)稱名(lables)即每個(gè)語言變量可取多個(gè)語言值。一般情況下，描述變量的標(biāo)稱名(語言值)安捧得越來，即在論域中的隸屬函數(shù)的密度越大，模糊控制系統(tǒng)的分辨率越高，其控制響應(yīng)的結(jié)果越平滑，但同時(shí)計(jì)算時(shí)問也大大增加。如果安排得太少，其響應(yīng)可能會(huì)太不敏感，并可能無法及時(shí)使輸出控制隨輸入變化，以使系統(tǒng)輸出在期望值附近振蕩。但也不宜過多，否則可能因小的輸人變化值太快的激活不同的規(guī)則，而導(dǎo)致模糊系統(tǒng)的不穩(wěn)定。經(jīng)實(shí)踐證明，一般在39個(gè)為宜，并且通常取奇數(shù)，雖然這并不是必要

42、的在“零”或者“正?！弊饔眉蟽蛇呎Z言值的隸屬函數(shù)經(jīng)常取對(duì)稱和平衡的。(3)隸屬函數(shù)要服從語意順序和避免不恰當(dāng)?shù)闹丿B：在相同論域中要使用具有語義順序關(guān)系的若干標(biāo)稱的模糊集合，例如：“冷”、“涼”、“適中”、“暖”、“熱”等模糊子集合，其中心值一定要遵守這個(gè)次序排列，不能違背常識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。另外由中心值向兩邊模糊延伸的范圍也有限制。間隔的兩個(gè)模糊集合的隸屬函數(shù)不能相交重疊，比如“涼”的隸屬由數(shù)曲線不能和“暖”的隸屬函數(shù)曲線相交，否則會(huì)出現(xiàn)在相交區(qū)域的的溫度既是“涼”，又是“適中”，同時(shí)又是“暖”的情況，甚至還會(huì)出現(xiàn)在10左右其屬“熱”的隸屬度反而比屬“適中”的隸屬度還要高。這顯然與人的感覺相矛盾若有

43、這樣的安捧，在制定模糊控制規(guī)則時(shí)，往往會(huì)有互相矛盾的規(guī)則出現(xiàn)。在一個(gè)模糊控制系統(tǒng)中，隸屬函數(shù)之問的重疊程度直接影響著系統(tǒng)的性能。在一個(gè)極端，如果隸屬函數(shù)沒有重疊，該模糊系統(tǒng)退化為一般的基于布爾邏輯的系統(tǒng)。當(dāng)有多個(gè)隸屬函數(shù)相重疊時(shí)，給一個(gè)確切的輸入值，會(huì)同時(shí)激活多個(gè)規(guī)則。隸屬函數(shù)之間不恰當(dāng)?shù)闹丿B，可能最終導(dǎo)致模糊控制系統(tǒng)產(chǎn)生隨意的混亂行為。所以確定隸屬函數(shù)的第三個(gè)原則是問隔的模糊集合不要交叉越界。在大多數(shù)實(shí)用的例子中，都采用相同斜率的三角形以避免產(chǎn)生交叉越界閱模糊系統(tǒng)中常用的隸屬度函數(shù)有以下11種：(1)高斯型隸屬度函數(shù)。(2)雙側(cè)高斯型隸屬度函數(shù)。(3)鐘形隸屬度函數(shù)。(4)差型sigmoid

44、隸屬度函數(shù)。(5)積型sigmoid隸屬度函數(shù)。(6)z形隸屬度函數(shù)。(7)ii形隸屬度函數(shù)。(8)5形隸屬度函數(shù)。(9)三角形隸屬度函數(shù)。(10)梯形隸屬度函數(shù) 3.4 模糊邏輯運(yùn)算 在普通邏輯或布爾邏輯中，任何陳述只有兩個(gè)取值：真或假(“l(fā)”或“0”)，即普通邏輯為二值邏輯。二值邏輯常見的關(guān)系有邏輯與、邏輯或、邏輯非、直積，對(duì)應(yīng)的邏輯運(yùn)算有與(交)運(yùn)算、或(并)運(yùn)算、非運(yùn)算、直積。模糊邏輯是普通二值邏輯的推廣，在模糊邏輯中，任何陳述都以一定程度的真實(shí)性表示，其取值可以是“0”和“l(fā)”之間的任意實(shí)數(shù)，對(duì)應(yīng)的模糊邏輯運(yùn)算(邏輯與(交)、邏輯或(并)、邏輯非)。邏輯與運(yùn)算和邏輯或運(yùn)算還可由更廣義

45、的模糊邏輯算子t算子和協(xié)丁算子來定義。由于模糊集和它的隸屬函數(shù)一一對(duì)項(xiàng)所以模糊集的運(yùn)算也通過隸屬函數(shù)的運(yùn)算來刻劃(1) 空集：所謂模糊策a是空集，是指x，有記作，即a=(2) 模糊集的相等，所謂模糊集a，b相等，是指x，有，記作a=b.(3)模糊集的包含關(guān)系：在模糊集a、b中所謂a包含b中或a是b的子集，是指x，有記作ab即b.(4)模糊集的并集：模糊集a和口的并、記作ab，定義為包含集合a和口兩者的最小的模糊集。設(shè)c=ab，則其隸屬函數(shù)可表示為,x即c=ab(5)模糊集的交集：模糊集a、b的交集或交，記作ab，定義為包含于a,b兩者的最大模糊集設(shè)c=ab，則其隸屬度函數(shù)可表示為即c=ab和普

46、通集合一樣，對(duì)于模糊集a，b若a，則稱a與b不相交或互質(zhì)。(6)模糊集補(bǔ)集：模糊集a的補(bǔ)集，定義為x，有,a的補(bǔ)集記，即與普通集合一樣，模糊集滿足冪等律、交換律、吸收律、分配律、復(fù)歸律、對(duì)偶律等，但是互補(bǔ)律不成立。3.5 模糊推理推理是根據(jù)已知的一些命題，按照一定的法則，去推斷一個(gè)新的命題的思維過程和思維方式，即從已知條件求未知結(jié)果的思維過程是推理。數(shù)理邏輯給出了精確推理的嚴(yán)格方法，常用的推理形式是所謂的“三段論法”(取式和拒取式)。在客觀世界中，很多問題具有模糊性，傳統(tǒng)的形式邏輯和近代的效理邏輯都無法解決這類問題，解決模糊性問題推理可應(yīng)用模糊集合理論的近似推理方法。一般近似推理有如下兩種形式

47、：(1)給定一個(gè)模糊蘊(yùn)含關(guān)系。"若a則b，au，bv，已知某個(gè)與a接近的“求從蘊(yùn)合關(guān)系中能推斷出什么樣的結(jié)論“b"?(2)第二種形式是：給定一個(gè)模糊蘊(yùn)含關(guān)系，"若a則b"au，bv，已知某一與b接近的礦求從蘊(yùn)合關(guān)系中能推斷出什么樣的結(jié)論? 通常，模糊蘊(yùn)含關(guān)系“若a則b"往往是大量實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)的概括，因此提供的全部信息都是可靠的，它是作近似推理的出發(fā)點(diǎn)。模糊推理是采用模糊邏輯內(nèi)給定的輸入列輸出的映射過程。模糊推理包括3個(gè)方面1）輸入變量模糊化在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，我們確定了設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)所需的信息，對(duì)其進(jìn)行采樣，量化并模糊化。要對(duì)一

48、個(gè)精確量進(jìn)行模糊化，首先必須了解人機(jī)系統(tǒng)中模糊概念的確定方法，只有這樣才能較好地用計(jì)算機(jī)來模擬人的模糊化過程。在人機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)人的信息輸入輸出關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，是整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵一步，也是較為困難的一步。模糊數(shù)學(xué)的誕生給人的行為描述提供了新的手段。當(dāng)人進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)，模糊概念涉及的論域基本上有三個(gè)，它們是誤差，誤差的變化和人的控制量輸出。由于人的行為在正，負(fù)兩個(gè)方向上基本是一致的，因此。可以假定人對(duì)正負(fù)誤差，正負(fù)誤差的變化和正負(fù)輸出量的模糊概念是一致的。而且由于在日常生活中，人們都習(xí)慣把事物分為三個(gè)等級(jí)。因此，可假定人對(duì)誤差，誤差的變化和控制量判斷也可用。“大”，。中”，。小”三個(gè)概念

49、來區(qū)分。出為一個(gè)模糊概念可用一個(gè)模糊集合來表示，因此模糊概念的確定問題，可直接轉(zhuǎn)化為模糊集合隸屬函數(shù)的求取問題。輸入變量是輸入變量論域內(nèi)的某一個(gè)確定的數(shù)，輸入變量經(jīng)模糊化后，變換為由隸屬度表示的0和l之間的某個(gè)數(shù)。模糊化常由隸屬度函數(shù)或查表求得。 2）應(yīng)用模糊算子輸入變量模糊化后，我們知道每個(gè)規(guī)則前件中的每個(gè)命題被滿足的程度。如果給定規(guī)則的前件中不止一個(gè)命韙，則需用模糊其子獲得該規(guī)則前件被滿足的程度。模糊算子的輸入是兩個(gè)或多個(gè)輸入變量經(jīng)模糊化后得到的隸屬度值，其輸出是整個(gè)前件的隸屬度，模糊邏輯算子可取r算子和協(xié)丁算子中的任意一個(gè)，常用的與其子合min(模糊文)和prod(代數(shù)積)常用的或算子有

50、max(模糊并)和probor(概率或)。probor定義為：probor=(x)+ (3-3) 3）模糊蘊(yùn)含 模糊蘊(yùn)含可以看作一種模糊算子，其輸入是規(guī)則的前件被滿足的程度，輸出是一個(gè)模糊集，規(guī)則“如果x是a，則y是b”表示了a與b之間的模糊蘊(yùn)含關(guān)系，記為ab。常用的模糊蘊(yùn)合算子有：最小運(yùn)算(mamdaai)，代數(shù)積(larsen)，算術(shù)運(yùn)算(zadeh)，最大最小運(yùn)算，布爾運(yùn)算，標(biāo)準(zhǔn)法運(yùn)算。 4）模糊合成模糊合成也是一種模糊算子。該算子的輸入是每一個(gè)規(guī)則輸出的模糊集，輸出是這些模糊集經(jīng)合成后得到的一個(gè)綜合輸出模糊集。常用的模糊合成算子有max(模糊并)、probor(概率或)和sum(代數(shù)和

51、)。 5)模糊控制在自動(dòng)控制理論(包括現(xiàn)代控制理論)中，控制器的分析與綜合依賴于精確的數(shù)學(xué)模型。由于被控對(duì)象過程的非線性、參數(shù)問的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)干擾、過程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表?xiàng)l件的不足，或者測(cè)試儀器表無法進(jìn)入被測(cè)區(qū)，以致不可能建立起被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于那些不能直接獲得系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法往往難以取得令人滿意的控制效果，這類被控對(duì)象在人的手工控制下卻往往能夠正常運(yùn)行，達(dá)到一定的預(yù)期效果。人們?cè)谟趧?dòng)控制中，被控過程的操作人員在長(zhǎng)期觀察、實(shí)踐中積累許多經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)常用定性的、不精確的語言規(guī)則等形式加以描述，如“若爐溫偏高則燃料適當(dāng)減少”。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，人們將

52、觀察到的過程輸出與設(shè)定值比較得到過程輸出偏離設(shè)定值程度的模糊語義描述或過程輸出偏離設(shè)定值變化快慢的模糊語義描述。經(jīng)邏輯推理得出控制量的模糊量：。適量減少燃料”，經(jīng)反模糊化后，轉(zhuǎn)化為一精確的控制量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制過程。這一手動(dòng)控制過程可用下圖表示。 圖3-1 控制過程以模糊集和模糊推理為基礎(chǔ)，對(duì)上述操作過程進(jìn)行建模，即可得到模糊控制器。 4 系統(tǒng)軟件仿真4.1 matiab編程環(huán)境 matlab是功能強(qiáng)大的科學(xué)及工程計(jì)算軟件，它不但具有以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算和分析功能，而且還具有豐富的可視化圖形表現(xiàn)功能和方便的程序設(shè)計(jì)能力。matlab的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，除數(shù)學(xué)計(jì)算和分析外，還被廣泛地應(yīng)用

53、于自動(dòng)控制、系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號(hào)處理、圖形圖像分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、通信工程、金融系統(tǒng)等領(lǐng)域，因此，matlab是面向2l世紀(jì)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)及科學(xué)計(jì)算語言。 matlab系統(tǒng)包括5個(gè)主要部分： 1)matlab開發(fā)環(huán)境：matlab開發(fā)環(huán)境由工具和組件組成，這些工具是圖形化的用戶界面，包括matlab桌面、命令歷史窗口、幫助信息瀏覽器、工作空間瀏覽器、文件和搜索路徑瀏覽器。 2)matlab數(shù)學(xué)函數(shù)庫：matlab集成了豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫，其強(qiáng)大的計(jì)算能力覆蓋了從基本函數(shù)(如求和、正弦、余弦和復(fù)數(shù)運(yùn)算等)到高級(jí)函數(shù)(如矩陣求逆、矩陣特征值、貝塞爾函數(shù)和快速傅里葉變換等1的范圍。

54、 3)matlab語言：matlab語言是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的高級(jí)語言，包括控制流的描述、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出及面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境，既可以編制快速使用小程序，也可以編制大型復(fù)雜的應(yīng)用程序。 4)圖形功能：matlab提供了功能強(qiáng)大的圖形系統(tǒng)，既可以用高級(jí)命令完成二維和三維數(shù)據(jù)的可視化、圖像處理、動(dòng)畫和圖形表達(dá)等功能，也可以通過使用圖形旬柄完成復(fù)雜的圖形功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有圖形對(duì)象的操作。 5)應(yīng)用程序接口(api)：matlab還提供了應(yīng)用程序接口庫函數(shù)，允許用戶使用c或fortran語言編寫程序與matlab連接，功能包括與matlab的動(dòng)態(tài)連接、調(diào)用matlab作為運(yùn)算引擎、讀寫matlab文件等。matlab的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了其本身功能的迅速發(fā)展，以特定領(lǐng)域的應(yīng)用為主要目的的應(yīng)用程序工具箱的數(shù)量和內(nèi)容在不斷增多。截止到matlab61，僅由mathworks公司發(fā)售的matlab工具箱已達(dá)到20余個(gè)，其他第三方工具箱更多達(dá)數(shù)百個(gè)之多。42 simulink組件介紹 simulink是mathworks公司開發(fā)的另一個(gè)