畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于模糊控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究

1、 基于模糊控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究摘要： 模糊控制技術(shù)是當(dāng)今世界最先進(jìn)的控制技術(shù)之一, 它是將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于控制領(lǐng)域, 更真切地模擬人腦思維和判斷, 對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行選擇和控制, 從而發(fā)展了智能化的新技術(shù)。本文簡(jiǎn)要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀和模糊控制的概念及它的優(yōu)缺點(diǎn), 并對(duì)模糊控制的原理作了說(shuō)明, 還介紹了以模糊控制理論為基礎(chǔ)的直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)。通過(guò)把人們用自然語(yǔ)言描述的控制直流電機(jī)調(diào)速經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成模糊控制規(guī)則, 利用這些規(guī)則經(jīng)過(guò)模糊推理和模糊決策得到控制量。本文最后論述了一種基于MATLAB語(yǔ)言的直流電機(jī)模糊控制仿真系統(tǒng), 通過(guò)MATLAB語(yǔ)言中SIMULINK

2、模塊和模糊控制工具箱的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的建模與仿真。關(guān)鍵詞： SIMULINK 電機(jī)調(diào)速 模糊控制 MATLAB 直流電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)外文摘要Title : Fuzzy control of DC motor speed control system Abstract: the technology of fuzzy control is the most advanced in the world to apply fuzzy mathematical theory to the control field. It can imitate the thought and th

3、e judgement of the brain，select and control the process of production，and developing a new intelligent technology. In this article ,it introduces the development of the governing system of the direct current motor , concept of the fuzzy control system and the advantage and the disadvantage. Also It

4、introduce the fuzzy control system of direct current motor which is based on the fuzzy control system. thought turning the experience of direct current motor which can be discribed in natural language into the rules of the fuzzy control. By using this rules and regulations we can get a controlled qu

5、antity through the fuzzy inference and fuzzy decision. In the last of this article ,It discuss a simulation system of fuzzy control in a direct current motor which is based on the language of MATLAB. We bring about the model building and emulation of the control system of the direct current motor, t

6、hrough the Simulink module link judiciously with workbox of fuzzy control of language to the MATLAB.Keywords：SIMULINK ;Motor Speed ;Adjust Fuzzy Control; MATLAB; Direct Current Motor目 次 1 緒論1本課題研究的背景和意義11.1 1.2 2模糊控制和直流電機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.2.1模糊控制理論概況以及它的優(yōu)缺點(diǎn)3直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀4直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及模糊控制的發(fā)展方向1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)

7、容及結(jié)構(gòu)安排2 模糊控制及直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型2.1模糊控制及其工作原理確定量的模糊化.模糊控制知識(shí)庫(kù)的生成2.1.3模糊控制算法2.1.4模糊量的清晰化2.2模糊控制的應(yīng)用3 直流電機(jī)的建模與仿真3.1應(yīng)用SIMULINK 建立直流電機(jī)模型3.2應(yīng)用模糊控制工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器3.3模糊系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析總結(jié)參考文獻(xiàn)致謝1 緒論1.1引言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，幾乎無(wú)處不使用電力傳動(dòng)裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使得越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。對(duì)可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過(guò)載

8、能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁地?zé)o級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，至今在金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域仍有廣泛的應(yīng)用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制要求較高的各種生產(chǎn)部門(mén)，是截止到目前為止調(diào)速系統(tǒng)的主要形式1.2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展：直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中需要有專(zhuān)門(mén)的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍

9、內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)（也稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)變流組），配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍（十比一至數(shù)十比一）、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性；另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積設(shè)備較多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需有地基、運(yùn)行有噪聲、維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)

10、電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn)：維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機(jī)組（放大倍數(shù)10）高1000倍，比汞弧變流器（1000）高1

11、0倍；在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。因此，目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)備而且供電電路容量較小的情況下，仍有采用機(jī)組供電、晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)以外，絕大部分都己改用晶閘管相控整流供電了。直流調(diào)速控制裝置的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)從六十年代初試制成功第一只硅晶閘管以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，用于中、小功率的0.4-200KW晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標(biāo)準(zhǔn)化、系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)；用于大功率的2000KW系列產(chǎn)品也開(kāi)始在某些大型軋機(jī)上試用。晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。隨著各種新型控制器件的發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)

12、速系統(tǒng)除向大功率（單機(jī)容量己達(dá)數(shù)千千瓦，輸出電壓達(dá)1200V）發(fā)展以外，正在實(shí)現(xiàn)控制一單元標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、小型化、結(jié)構(gòu)積木式組合化。對(duì)某些中小功率裝置，正在做到使電動(dòng)機(jī)和控制設(shè)備組合一體化。尤其是近年來(lái)，國(guó)外各廠家竟相推出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，使得直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐方面都邁出了一個(gè)新臺(tái)階。國(guó)外數(shù)字直流調(diào)速裝置從技術(shù)上能成功地做到從給定信號(hào)、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺(tái)附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機(jī)，同一臺(tái)控制器甚至可以?xún)H通過(guò)參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對(duì)不同類(lèi)型的被控對(duì)象進(jìn)行控制，強(qiáng)大的通訊功能使它易和PLC等各種器件通訊組成整個(gè)工業(yè)控制過(guò)程系統(tǒng)

13、，而且具有操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長(zhǎng)期工作的高可靠性和整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些諸多優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單，使其具備了廣闊的應(yīng)用前景。與國(guó)外全數(shù)字直流調(diào)速控制裝置相比，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有生產(chǎn)出功能完善、控制精度高且可靠、保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字直流控制器。1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排除了本章緒論外，論文共可分為五章，下面對(duì)各章內(nèi)容進(jìn)行一一介紹。第二章對(duì)電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的基本原理、組成及其特性進(jìn)行分析，對(duì)電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差

14、離合器的基本特性就行研究，為了解決電磁調(diào)速機(jī)械特性較軟的特缺點(diǎn)，引入速度負(fù)反饋，從而使電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變硬。以及電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式的實(shí)現(xiàn)。第三章對(duì)電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與分析。對(duì)各部分的作用進(jìn)行介紹。簡(jiǎn)述各個(gè)部分的工作狀況。2 PID和模糊控制的發(fā)展2.1 經(jīng)典的PID控制：PID控制是工業(yè)控制過(guò)程中應(yīng)用最多的一種控制方式，其原因是：第一，由于PID控制器具有簡(jiǎn)單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性；第二，給設(shè)計(jì)人員提供了一種簡(jiǎn)單而直接的調(diào)節(jié)方式。三種不同形式的控制作用組合用來(lái)跟蹤被控對(duì)象的不同變化速度，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差更小。對(duì)于一些

15、非線性復(fù)雜對(duì)象，盡管PID大多數(shù)采用了近似描述和線性化原理，但其最終的模型表示形式應(yīng)該是確定的，而且利用它能夠容易地得到精確定量解。PID具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)物理意義明確，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性?xún)?yōu)良等顯著優(yōu)點(diǎn)，在各種新控制理論不斷出現(xiàn)的今天，在工業(yè)過(guò)程中仍占據(jù)主要位置。在PID控制算法中，存在比例、積分、微分3種控制作用。比例控制作用對(duì)系統(tǒng)誤差及時(shí)響應(yīng)，使PID控制的對(duì)象朝誤差減小的方向變化，缺點(diǎn)是對(duì)于具有自平衡能力（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對(duì)象存在靜差，加大比例作用可以減小靜差，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。積分控制能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差，不足之處在于

16、積分作用具有滯后特點(diǎn)，積分作用太強(qiáng)會(huì)使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。微分控制作用能感覺(jué)出誤差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，缺點(diǎn)是對(duì)于干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低。在工業(yè)過(guò)程中，被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型己知的情況下，應(yīng)用PID的3種控制作用的控制效果正確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。因?yàn)槠渌惴ê?jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，并具有一定的控制精度，并在實(shí)際中取得良好的效果，因此它已成為當(dāng)前最為普遍采用的控制算法。但由于控制對(duì)象變化的隨機(jī)性和復(fù)雜性，既要獲得足夠的精度又便于系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的合適的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的，同時(shí)，由于控制參數(shù)多，多個(gè)

17、參數(shù)之間的相互影響，難以取得好的效果。雖然可以采用一些近似的工程整定方法來(lái)選擇PID參數(shù)，PID算法本身也有它的局限性和不足，PID參數(shù)的整定值是具有一定局域性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值，因此PID控制作用無(wú)法從根本上解決動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾。另外，PID控制器的主要局限性在于它對(duì)被控對(duì)象的依賴(lài)性，一般需要預(yù)先知道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時(shí)變的情況下才能獲得理想的效果，當(dāng)一個(gè)調(diào)好參數(shù)的PID控制器應(yīng)用到模型參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的性能會(huì)變差，甚至不穩(wěn)定。在工程上，直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不難得到，這使得經(jīng)典控制在已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計(jì)

18、的前提得到滿足，大部分?jǐn)?shù)字直流調(diào)速控制器就是建立在此基礎(chǔ)上。然而，在實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）并不如模型那樣一成不變，在某些應(yīng)用場(chǎng)合隨工況而變化。同時(shí)，直流電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對(duì)象，許多拖動(dòng)負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素，因此，被控對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性常參數(shù)PID調(diào)節(jié)器顧此失彼，不能使系統(tǒng)在各種工況下都能保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差，特別是對(duì)于模型參數(shù)大范圍變化且具有較強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響。上述因素的影響，即

19、一個(gè)調(diào)好參數(shù)的PID控制器對(duì)于在另外一個(gè)環(huán)境下對(duì)具有同樣銘牌數(shù)據(jù)的直流電機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)的性能可能會(huì)變差，有時(shí)甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試人員不得不重新調(diào)節(jié)PID各參數(shù)，這給工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員帶來(lái)很大的不方便。2.2模糊控制模糊控制原理所謂模糊控制，是指在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理來(lái)模擬人的模糊思維方法，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。其中“模糊”是指知識(shí)、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過(guò)模糊語(yǔ)言描述的，但它所完成的卻是一項(xiàng)完全確定的工作。為實(shí)現(xiàn)模糊控制，需要設(shè)計(jì)模糊控制器，以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言控制。模糊控制器結(jié)構(gòu)包括以下3個(gè)方面：（1）精確量的模糊化，把語(yǔ)言變量的語(yǔ)

20、言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集；（2）模糊控制算法的設(shè)計(jì)，通過(guò)一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計(jì)算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系；（3）輸出信息的模糊判決，并完成模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換。模糊控制以模糊數(shù)學(xué)理論、模糊語(yǔ)言形式為理論基礎(chǔ)，是一種基于模糊規(guī)則的控制系統(tǒng)，這些模糊控制規(guī)則是直接從專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)操作者的經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行歸納、優(yōu)化得出來(lái)的，是一種蘊(yùn)涵著人類(lèi)智能、推理和決策的控制方式。經(jīng)典數(shù)學(xué)以特征函數(shù)討論問(wèn)題，而模糊數(shù)學(xué)以隸屬函數(shù)討論問(wèn)題。系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的建立，其實(shí)質(zhì)是應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)處理手段，基于待辨識(shí)系統(tǒng)的大量測(cè)量數(shù)據(jù)，找出體現(xiàn)系統(tǒng)輸入與輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，并通過(guò)一定的數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述。建立

21、系統(tǒng)模糊模型的基本思想也是這樣，只是將采集到的精確量量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，轉(zhuǎn)化成通過(guò)隸屬度和模糊子集表達(dá)的模糊量，也就是說(shuō)，將原通過(guò)精確量數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)輸入輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系（精確數(shù)學(xué)模型），轉(zhuǎn)化成一種相應(yīng)的由條件語(yǔ)句IF（輸入語(yǔ)言變量模糊子集）、THEN（輸出語(yǔ)言變量模糊子集）表達(dá)的模糊關(guān)系，這便是系統(tǒng)的模糊模型。模糊控制具有以下特點(diǎn)：（1）模糊控制是一種基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言控制規(guī)則，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專(zhuān)家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受和理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。（2）由于從工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言

22、控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。（3） 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)不同，容易導(dǎo)致較大差異。但一個(gè)系統(tǒng)語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器；（4） 模糊控制是基于啟發(fā)性知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平；（5） 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果影響大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)滯后系統(tǒng)的控制。一個(gè)缺乏精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，很難用現(xiàn)有的控制理論來(lái)處理，但

23、是人工智能對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的分析和判斷能力是很強(qiáng)的，特別是有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的操作、控制，總是可以總結(jié)一套控制規(guī)則，應(yīng)用模糊集合理論，把這些控制規(guī)則寫(xiě)成一串模糊條件語(yǔ)句，構(gòu)成一個(gè)模糊模型，利用這個(gè)模型可以設(shè)計(jì)出比較理想的控制器。模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點(diǎn)是將專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語(yǔ)言控制規(guī)則，并應(yīng)用這些語(yǔ)言控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣它可不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。它不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。模糊控制器的特點(diǎn)（5）中闡述模糊控制

24、對(duì)干擾和參數(shù)變化不敏感和模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，使得模糊控制對(duì)在不同環(huán)境下的同一直流電機(jī)對(duì)象（在不同環(huán)境下，同一對(duì)象的參數(shù)或許己經(jīng)發(fā)生了不小的變化）進(jìn)行控制，或是己經(jīng)調(diào)好的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于參數(shù)稍有變化的控制對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)性能沒(méi)有多大變化，使得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員不必為同一控制對(duì)象設(shè)置不同的調(diào)試參數(shù)。模糊控制理論的發(fā)展模糊數(shù)學(xué)是1965年由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名的控制論專(zhuān)家所創(chuàng)。他在深入探索和研究“大系統(tǒng)”、“模糊性”、“計(jì)算機(jī)”和“人腦思維”間的關(guān)系中，從數(shù)學(xué)與人腦思維的分離處入手，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Contor所創(chuàng)的集合論實(shí)質(zhì)上是剔除了模糊性而抽象出來(lái)的數(shù)學(xué)概念，是把思維過(guò)程絕對(duì)化，從而達(dá)到精確和嚴(yán)格

25、的目的。為此，他將模糊性和數(shù)學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，并且不是讓數(shù)學(xué)放棄其嚴(yán)格性去遷就模糊性，而是讓數(shù)學(xué)回過(guò)頭來(lái)吸取人腦對(duì)于模糊現(xiàn)象認(rèn)識(shí)和推理中的優(yōu)點(diǎn)，于是在1965年發(fā)表了第一篇開(kāi)創(chuàng)性經(jīng)典論文“Fuzzy Sets”，這就標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的正式誕生。模糊數(shù)學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)控制中的實(shí)際應(yīng)用要晚近十年，突破性工作當(dāng)首推英國(guó)劍橋的E. H. Mamdani，他于1974年首次應(yīng)用模糊控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸汽機(jī)的控制，并獲得了比傳統(tǒng)DDC控制更好的效果。進(jìn)入80年代，曾掀起一股模糊控制的研究熱潮。模糊控制技術(shù)開(kāi)辟了自動(dòng)控制的一條新途徑。模糊控制器理論的早期應(yīng)用是在一些特定的專(zhuān)用控制系統(tǒng)中?，F(xiàn)在，模糊控制器的發(fā)展異常迅速，通用

26、模糊控制器和軟件的研究更引人注目。國(guó)外很多廠家已紛紛推出商品化的通用模糊控制器和通用軟件，模糊控制器開(kāi)發(fā)支持工具等。1987年日本出現(xiàn)了利用模糊推理芯片制作的模糊計(jì)算機(jī)。緊接著，1988年又成功研制了世界上第一個(gè)模糊計(jì)算機(jī)微處理器。隨后不久，美國(guó)制成了具有模糊化、模糊推理和反模糊化命令句的第三代模糊微處理器。這意味著模糊控制技術(shù)己開(kāi)始深入到硬件技術(shù)之中，而硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將會(huì)帶來(lái)模糊控制系統(tǒng)的更新飛躍。多年來(lái)，模糊邏輯的應(yīng)用日益廣泛。據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)導(dǎo)，從金融系統(tǒng)到地震預(yù)報(bào)工程等各個(gè)領(lǐng)域，均有不少應(yīng)用實(shí)例。并且，許多應(yīng)用實(shí)例都證明基于模糊邏輯控制器（FLC）的系統(tǒng)，具有比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)更優(yōu)良的性能。模

27、糊控制在工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著效果的有：熱交換過(guò)程控制，交通管理，水泥窯，模型小車(chē)停靠和轉(zhuǎn)向，機(jī)器人，汽車(chē)傳動(dòng)與速度控制，以及水凈化，電梯，電力系統(tǒng)及原子核反應(yīng)控制等。模糊控制理論除了在大型工業(yè)設(shè)備和過(guò)程控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用以外，至今在計(jì)算機(jī)制造、故障診斷、圖象識(shí)別、天氣預(yù)報(bào)以及家電產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域中，也得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。模糊控制的發(fā)展可大致劃分為以下三個(gè)階段：第一階段：（1965-1974）萌芽階段。主要是模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展和成形時(shí)期。第二階段：（1974-1979）簡(jiǎn)單模糊控制器階段。這種控制器的模糊控制表通過(guò)離線運(yùn)算，在線調(diào)試完成后一直保持不變，因此其自適應(yīng)能力和魯棒性有限，穩(wěn)態(tài)精度也

28、不是很理想。第三階段：（1979-）高性能模糊控制器階段。人們?cè)谑褂眠^(guò)程中針對(duì)簡(jiǎn)單模糊控制器的不足，提出了很多高性能模糊控制策略。特別是1979年由T. 7.Procky和E. H. Mamdani共同提出了給模糊控制器增加學(xué)習(xí)功能，使之能在控制過(guò)程中不斷獲取新的信息，并對(duì)控制量作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，系統(tǒng)性能大為改善。近些年來(lái)，模糊控制發(fā)展迅速，這主要是由于模糊控制器可以應(yīng)用專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。這是因?yàn)檫^(guò)程操作人員的控制方法是建立在直觀的和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，他們憑借實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)，采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策完成控制任務(wù)，于是，人們把操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)歸納成定性描述的一組條件語(yǔ)

29、句，然后運(yùn)用模糊集合理論將其定量化，使控制器得以接受人的經(jīng)驗(yàn)，模仿人的操作策略，這樣就產(chǎn)生了以模糊集合理論為基礎(chǔ)的模糊控制器。模糊控制理論的提出是控制思想的一次深刻的變革，它標(biāo)志著人工智能發(fā)展到了一個(gè)新的階段。模糊技術(shù)作為一門(mén)引人注目的應(yīng)用科學(xué)，越來(lái)越受到全世界人們的關(guān)注，專(zhuān)家們認(rèn)為它有可能成為21世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。為了確保21世紀(jì)的科技競(jìng)爭(zhēng)力，各國(guó)爭(zhēng)先恐后地發(fā)展模糊技術(shù)。在日本，模糊控制得到了廣泛應(yīng)用。許多公司成立了模糊系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)從事模糊系統(tǒng)的研究，并取得了很好的進(jìn)展。表現(xiàn)在模糊控制在洗衣機(jī)、吸塵器、冶金、制造等自動(dòng)控制行業(yè)中的應(yīng)用。除此外，模糊邏輯芯片和模糊計(jì)算機(jī)的研制也取

30、得了進(jìn)展。模糊集合理論是模糊控制器的基礎(chǔ)，模擬人的知識(shí)表達(dá)、知識(shí)推理方法是模糊理論的表達(dá)方法，其基本內(nèi)容包括：模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊推理和精確化。模糊控制是一種類(lèi)人智能控制，可以實(shí)現(xiàn)非線性控制，可以得到比常規(guī)控制更優(yōu)良的控制效果，能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜過(guò)程的控制。然而，模糊控制要有較好的發(fā)展，必須具有較完善的控制規(guī)則。對(duì)于某些復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程，有時(shí)難以總結(jié)出較完整的經(jīng)驗(yàn)，并且當(dāng)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，或者受到隨機(jī)干擾的影響時(shí)模糊控制的效果為了促進(jìn)模糊控制的深人發(fā)展。至今為止，國(guó)際上召開(kāi)了五屆IFSA全世界學(xué)術(shù)大會(huì)，眾多學(xué)者也進(jìn)行了卓有成效的工作，對(duì)常規(guī)模糊控制進(jìn)行了改進(jìn)。我國(guó)在模糊控制技術(shù)的理論和實(shí)踐兩

31、方面也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)家經(jīng)貿(mào)于1994年所立的國(guó)家重大技術(shù)項(xiàng)目“模糊控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”中特別包含了一個(gè)子項(xiàng)目模糊控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。這個(gè)項(xiàng)目，由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局標(biāo)準(zhǔn)化司直接承擔(dān)并負(fù)責(zé)組織實(shí)施，迄今已有兩年時(shí)間，取得了重大進(jìn)展。這個(gè)子項(xiàng)目的實(shí)施必將對(duì)我國(guó)模糊控制技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。可以說(shuō)，模糊控制無(wú)所不在，且與人們的生活息息相關(guān)。專(zhuān)家認(rèn)為模糊控制技術(shù)高深莫測(cè)，它還有很大潛力可挖，未來(lái)的某一天，它將會(huì)以更使人出乎意料的面目出現(xiàn)在世人的面前。目前，在模糊控制理論方面應(yīng)加強(qiáng)研究的主要課題為：尋找適合于解決工程普遍問(wèn)題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法和可控性的評(píng)價(jià)方法。模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)方法的研究

32、，包括模糊集合隸屬函數(shù)的評(píng)定方法，關(guān)于量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，最小實(shí)現(xiàn)以及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)的自動(dòng)生成等問(wèn)題。模糊控制器參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整理論的確定及修正推力規(guī)則學(xué)習(xí)方式。模糊動(dòng)態(tài)模型的辨識(shí)方法。模糊預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和提高計(jì)算速度的方法。模糊控制向三個(gè)方面發(fā)展：如前所述，模糊控制是控制難控被控對(duì)象的先進(jìn)算法，能夠顯著提高難控被控對(duì)象的控制品質(zhì)。目前發(fā)達(dá)國(guó)家正在全面推廣現(xiàn)有的模糊控制技術(shù)，企圖將難控被控對(duì)象都換成模糊控制改善控制性能。完善模糊控制智能研制自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)、帶積分的模糊控制器完善智能。研制廉價(jià)模糊控制技術(shù)。2.3模糊控制和數(shù)字PID控制性能比較PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定

33、性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，PID控制之中最關(guān)鍵的是PID 參數(shù)整定，傳統(tǒng)方法是在獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來(lái)確定參數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，許多被控對(duì)象具有機(jī)理復(fù)雜，高非線性，時(shí)變不確定性和滯后性等特征。對(duì)于大滯后、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，常規(guī)PID控制很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)。模糊控制不需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，它是一種基于規(guī)則的控制，依據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家的知識(shí)，通過(guò)查表就可以得到控制量，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制效果好，因而模糊控制的控制性能比傳統(tǒng)的PID控制有明顯的優(yōu)勢(shì)。模糊控制和PID控制性能各有特點(diǎn)，針對(duì)模糊控制和PID控制對(duì)被控對(duì)

34、象參數(shù)變化的自適應(yīng)能力方面進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的PID控制盡管能達(dá)到一定的效果，但基本上對(duì)電機(jī)參數(shù)變化基本上沒(méi)有適應(yīng)能力，模糊控制器較PID調(diào)節(jié)控制不僅對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在對(duì)象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變的情況下，也能獲得較好的控制效果。模糊控制有許多傳統(tǒng)控制無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如：1.使用語(yǔ)言方法，可不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型； 2. 采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性； 3. 對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、而非控制專(zhuān)業(yè)的工作者控制方法易于掌握； 4. 工作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句很容易加入到過(guò)程的控制

35、環(huán)節(jié)上。 3 模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3.1直流調(diào)速控制決策今后控制理論面臨的突出問(wèn)題是既要繼續(xù)發(fā)展身理論，又要在應(yīng)用方面留下實(shí)實(shí)在在的成果。最近，新技術(shù)發(fā)展日新月異，通常使機(jī)電設(shè)備性能更加完善與提高，但往往不能很好地發(fā)揮。這是因?yàn)闄C(jī)電性能越提高、越完善，對(duì)用戶知識(shí)和熟練技術(shù)的要求也越高，要百分之百地發(fā)揮機(jī)器性能就越難，特別是與計(jì)算機(jī)相關(guān)聯(lián)的技術(shù)中，這種傾向的感受更為激烈。因此，從機(jī)器（系統(tǒng)）方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)該具有迎合使用者的能力，這就要求構(gòu)成一種“人機(jī)友好系統(tǒng)”。這就要求這種系統(tǒng)一方面對(duì)于人具有高度的“友好性”；另一方面要求對(duì)“誰(shuí)”都是易于使用的。作為人類(lèi)真正友好系統(tǒng)，必須像人們彼此間相

36、互討論、相互交流那樣具有理解自然語(yǔ)言的能力。人類(lèi)彼此間之所以能進(jìn)行美好的對(duì)話，是因?yàn)橛泄餐恼Z(yǔ)言、知識(shí)和思維方法，且具有模糊性，容易推敲對(duì)方意圖與問(wèn)題關(guān)鍵，而模糊理論是目前能用來(lái)表示現(xiàn)代水平自然語(yǔ)言的模糊意識(shí)的唯一理論?，F(xiàn)代控制理論和經(jīng)典控制理論，都需要建立系統(tǒng)的精確模型，往往由于某種原因?qū)ο髤?shù)發(fā)生變化，使數(shù)學(xué)模型不能準(zhǔn)確地反應(yīng)被控對(duì)象特性，現(xiàn)代控制和經(jīng)典控制無(wú)法達(dá)到期望的指標(biāo)。模糊控制把人類(lèi)具有的比較單純的宏知識(shí)移植到被控對(duì)象上來(lái)，這將比現(xiàn)有的自動(dòng)化機(jī)械具有更好的功能，而且是以現(xiàn)場(chǎng)操作人員的豐富經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，這將使得操作變得容易，一個(gè)生手就可以即興操作。由于模糊控制對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)性

37、不強(qiáng)，因此，對(duì)于那些因過(guò)程本身的不確定性、不精確性及噪聲而難于建立數(shù)學(xué)模型或模型粗糙負(fù)載（如非線性、具有大時(shí)滯、時(shí)變十分嚴(yán)重等）的系統(tǒng)，用模糊控制更具有優(yōu)越性，即對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定的自適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力，即魯棒性較好，具有實(shí)時(shí)性好、超調(diào)量小、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)誤差小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，它集經(jīng)典控制與經(jīng)驗(yàn)控制于一體，尤其對(duì)于經(jīng)典手段難以控制的對(duì)象或只能靠有經(jīng)驗(yàn)的操作人員才能控制的對(duì)象更為適用。隨著控制技術(shù)向前發(fā)展，研制出一種基于控制理論的智能調(diào)節(jié)器，即采用模糊控制原理設(shè)計(jì)一套調(diào)節(jié)器控制規(guī)則，不需要用戶調(diào)節(jié)參數(shù)，只需在調(diào)節(jié)器中接入模糊控制器

38、即可。基于模糊控制較PID控制對(duì)被控對(duì)象模型參數(shù)變化自適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提出控制核心部分采用模糊控制算法來(lái)改變這一現(xiàn)狀，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的調(diào)速系統(tǒng)擬采用模糊控制。3.2模糊控制的實(shí)現(xiàn)模糊控制器的一般設(shè)計(jì)步驟直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，所以本論文的重點(diǎn)就是模糊控制器的設(shè)計(jì)。模糊控制器的工作過(guò)程可以描述為：首先將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量，供模糊邏輯決策系統(tǒng)使用，模糊邏輯決策器根據(jù)控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系R，應(yīng)用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出控制量。最后經(jīng)精確化計(jì)算得到精確的控制值去控制被控對(duì)象。因此，模糊邏輯推理的過(guò)程主要有三個(gè)步驟：模糊化過(guò)程，模糊邏輯推理，精確化計(jì)算。

39、（1） 模糊化過(guò)程：即測(cè)量輸入變量的值，將數(shù)字表現(xiàn)形式的輸入量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊子集，通過(guò)隸屬度函數(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于任一個(gè)實(shí)際輸入量，至少有一個(gè)模糊子集的隸屬度函數(shù)大于0，所以每個(gè)實(shí)際輸入量都必有一個(gè)模糊子集與之相對(duì)應(yīng)。（2） 模糊推理：是模糊控制的核心，以模糊判斷為前提，運(yùn)用模糊語(yǔ)言規(guī)則，推出一個(gè)新的近似的模糊判斷結(jié)論的方法。根據(jù)事先已制訂好的一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行計(jì)算推理，得到模糊輸出量。模糊推理有Zadeh法，Mamdani法以及強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法。（3） 精確化計(jì)算：通過(guò)模糊推理得到的是一個(gè)模糊集合，但實(shí)際應(yīng)用中， 特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才

40、能去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)能最佳代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過(guò)程就是精確化過(guò)程，也成為反模糊化。可采用很多不同的方法，用不同的方法所得到的結(jié)果也是不同的。常用的精確化方法有以下幾種：最大隸屬度函數(shù)法、重心法、加權(quán)平均法。模糊控制器的設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)步驟：1.確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。 2.確定輸入變量和輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度。 3.設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則。 4.模糊化和去模糊化（又稱(chēng)清晰化）的方法。 5.編制模糊控制器算法的應(yīng)用程序。 6.合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間。 直流調(diào)速系統(tǒng)中模糊控制器設(shè)計(jì)按照一般步驟對(duì)模糊控制直流電機(jī)調(diào)

41、速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，首先根據(jù)被控對(duì)象的具體情況來(lái)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。（2）確定輸入變量和輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度（3）確定模糊控制規(guī)則（4）模糊關(guān)系和模糊矩陣4直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真4.1用MATLAB編輯模糊控制器模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程是：給定一個(gè)轉(zhuǎn)速值，根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速值，計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差。由于此時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差e是精確值，需要經(jīng)過(guò)模糊化處理，得到模糊量。模糊控制器根據(jù)輸入變量（模糊量），按照模糊控制推理規(guī)則，計(jì)算得到控制量（模糊量）。最后，把模糊控制量去模糊處理變成精確量。通過(guò)第三章分析已知，本仿真中所用模糊控制器為一維模糊控制器。直流電機(jī)調(diào)速模糊

42、控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，所以本論文的重點(diǎn)就是模糊控制器的設(shè)計(jì)。采用MATLAB 中模糊推理系統(tǒng)工具箱來(lái)編輯模糊控制器，下面簡(jiǎn)述編輯過(guò)程：（1）模糊集合的編輯和運(yùn)算（2）確定個(gè)輸入出變化量的變化范圍及量化因子：（3）模糊規(guī)則編輯（4）模糊推理（5）輸出預(yù)覽4.2在Simulink中建立模型模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程是：給定一個(gè)轉(zhuǎn)速值，根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速值，計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差。由于此時(shí)的轉(zhuǎn)速偏差e是精確值，需要經(jīng)過(guò)模糊化處理，得到模糊量。模糊控制器根據(jù)輸入變量（模糊量），按照模糊控制推理規(guī)則，計(jì)算得到控制量（模糊量）。最后，把模糊控制量去模糊處理變成精確量。通過(guò)第三章分析已知，本仿真中所用模糊

43、控制器為一維模糊控制器。直流電機(jī)調(diào)速模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，所以本論文的重點(diǎn)就是模糊控制器的設(shè)計(jì)。Fuzzy  Logic工具箱是進(jìn)行模糊推理和模糊控制器仿真的工具包，它集成了FIS編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器、規(guī)則觀察器和曲面觀察器等可視化工具，使用戶快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)模糊控制器成為可能。這些GUI工具之間是動(dòng)態(tài)鏈接的，使用他們中的任意一個(gè)對(duì)FIS的修改將影響任何其他已打開(kāi)的GUI中的顯示結(jié)果。FIS編輯器為系統(tǒng)處理高層屬性：多少輸入和輸出變量？它們的名字是什么？模糊邏輯工具箱不限制輸入的數(shù)量，但是輸入數(shù)量受到所用計(jì)算機(jī)可用內(nèi)存的限制。如果輸入數(shù)量太大或隸屬度函數(shù)的數(shù)量

44、太大，那么很難使用其它GUI 工具分析FIS。隸屬度函數(shù)編輯器用于定義對(duì)應(yīng)于每個(gè)變量的隸屬度函數(shù)的形狀，本論文定義的隸屬度函數(shù)的形狀均為三角形。規(guī)則觀察器和曲面觀察器是不同于編輯器的用于察看FIS的工具。規(guī)則觀察器是一個(gè)基于MATLAB的用于顯示模糊推理方框圖的工具。可以用作一個(gè)診斷工具，例如它可以：顯示哪一條規(guī)則正在使用，或者單獨(dú)的隸屬度函數(shù)的形狀是如何影響結(jié)果的。曲面觀察器用于顯示一個(gè)輸出與一個(gè)或兩個(gè)輸入之間的依賴(lài)情況，即它為系統(tǒng)生成和繪制輸出曲面映射。5個(gè)基本GUI可以相互作用并交換信息。編輯器可同時(shí)打開(kāi)任意數(shù)量的不同的FIS系統(tǒng)。FIS編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器都可以讀和修改

45、FIS數(shù)據(jù)，但是規(guī)則觀察器和曲面觀察器無(wú)法修改FIS數(shù)據(jù)。采用MATLAB 中模糊推理系統(tǒng)工具箱來(lái)編輯模糊控制器，下面簡(jiǎn)述編輯過(guò)程：1.模糊集合的編輯和運(yùn)算 在MATLAB 命令窗口鍵入fuzzy 來(lái)運(yùn)行模糊推理工具箱， 系統(tǒng)就彈出一個(gè)模糊邏輯編輯器，在FILE 菜單下選擇是采用Mamdani 型還是Sugeon 型模糊控制器。本設(shè)計(jì)選用Mamdani 型。在EDIT下添加輸入和輸出，選一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，輸入命名分別為偏差E 以及控制量C。對(duì)于偏差E， 論域是離散的，有七個(gè)模糊子集NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，即隸屬函數(shù)有7條，隸屬形狀為三角形（trimf）。如4-1圖對(duì)于控制器

46、的輸出量C隸屬函數(shù)，三角形,建立隸屬度函數(shù)圖形見(jiàn)圖4-2：4-1 輸入量E的隸屬度函數(shù)4-2 控制量C的隸屬度函數(shù)（2）確定個(gè)輸入出變化量的變化范圍及量化因子：（3）模糊規(guī)則編輯：（4）模糊推理由于選用了Mamdani 型模糊控制器，模糊推理采用Mamdani推理（5）輸出預(yù)覽選擇主菜單中的View rules子菜單，可以針對(duì)模糊控制器的輸入輸出進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，規(guī)則觀察器顯示了特定的隸屬度函數(shù)的形式是如何影響整個(gè)模糊推理結(jié)果的。當(dāng)規(guī)則輸人無(wú)誤后，選擇FIS編輯器等窗體主菜單中的View surface，可以看到經(jīng)模糊決策矩陣運(yùn)算并解模糊化后得到的二維坐標(biāo)圖。每個(gè)坐標(biāo)軸代表一個(gè)模糊變量，坐標(biāo)范圍就

47、是該模糊變量的論域，不同的變量可以任意選用不同軸。x軸分別表示輸入模糊變量，z軸表示輸出模糊變量。（6）生成模糊控制器（7）當(dāng)模糊規(guī)則編輯完以后，便可以將已設(shè)計(jì)好的模糊控制器模型存盤(pán)，文件名后綴為.fis。用戶可以隨時(shí)調(diào)用該文件以修改模型。用戶也可以選擇File主菜單下的“save to  workspace”，子菜單將計(jì)算結(jié)果以矩陣變量的形式存入內(nèi)存緩沖區(qū)，從而可以在Simulink仿真平臺(tái)上將該矩陣變量作為參數(shù)賦給一個(gè)封裝的fuzzy模塊，使設(shè)計(jì)好的模糊控制器作為模糊控制系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分參與仿真過(guò)程。在本節(jié)中存為fuzzy.fis。4.2 在Simulink建立模型與仿真打開(kāi)

48、 MATLAB6.5軟件，命令窗口中執(zhí)行 Simulink 或用其他方式打開(kāi)Simulink模塊庫(kù)瀏覽器，從中選取需要的模塊，并按照一定的順序用連線將模塊連接成完整的系統(tǒng)模型。 （1）創(chuàng)建直流電機(jī)模型，如圖4-34-3 直流電機(jī)模型（2）建立速度控制器模型，如圖4-44-4 速度控制器模型速度控制器的作用主要是通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，控制速度的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)（3）建立開(kāi)環(huán)控制模型，如圖4-54-5 開(kāi)環(huán)控制模型2）閉環(huán)，即模糊控制時(shí)仿真 圖4-6為模糊控制時(shí)，即閉環(huán)時(shí)仿真模型，給定轉(zhuǎn)速為120rad/sec。4-6 閉環(huán)控制模型模型中運(yùn)用一個(gè)比較模塊，此模塊輸入是一個(gè)正弦波和一個(gè)常數(shù)C，C與幅值為

49、1的正弦波相比較，可以輸出方波。改變C，也就相當(dāng)于間接改變了占空比。本論文中模糊控制器的輸出為由0到1的數(shù)C，隨C的變化，可得到不同的方波，將變化的方波輸入開(kāi)關(guān)元件GTO，則從GTO輸出的電壓值變化，由此達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)輸入電壓的效果。（1）空載時(shí)，模糊控制與PID控制性能比較空載時(shí)，模糊控制與PID控制性能比較。圖4-7及圖4-8分別是PID控制和模糊控制時(shí)直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程： 圖4-7 PID控制 圖4-8 模糊控制（2）增加負(fù)載對(duì)PID控制和模糊控制的影響將PID控制電機(jī)模型所加負(fù)載增為10N·M，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖4-9所示，將模糊控制電機(jī)的模型所加負(fù)載增加為10N&

50、#183;M，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖4-10所示：首先，閉環(huán)和開(kāi)環(huán)時(shí)相比較。開(kāi)環(huán)時(shí)，增加負(fù)載后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)下降；閉環(huán)時(shí)，增加負(fù)載后，無(wú)論是PID控制還是模糊控制，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后都基本能達(dá)到給定值，不會(huì)下降。閉環(huán)能達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的，這是相對(duì)于開(kāi)環(huán)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)圖4-9和圖4-10的比較可以看出，模糊控制下電機(jī)的啟動(dòng)速度明顯比PID控制時(shí)要快。由于參數(shù)選擇問(wèn)題，模糊控制增加負(fù)載后轉(zhuǎn)速曲線不是十分理想，轉(zhuǎn)速上升的加速度太大，引起超調(diào)量過(guò)大，但并不影響說(shuō)明問(wèn)題。 4-9 4-10通過(guò)空載和帶負(fù)載兩種情況下PID控制和模糊控制性能的比較可以看出，相對(duì)于PID控制而言，模糊控制器有著更快的響應(yīng)速度，這也是

51、模糊控制相對(duì)于PID控制的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但是在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，PID控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，這是模糊控制不能達(dá)到的。如果系統(tǒng)只是采用模糊控制技術(shù)，很多PID調(diào)節(jié)所具有的優(yōu)點(diǎn)也就無(wú)法兼而有之，所以有待于研究一種模糊PID控制器，使系統(tǒng)兼有模糊控制和PID控制二者的優(yōu)點(diǎn)。結(jié) 論本文針對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用MATLABSIMULINK進(jìn)行建模與仿真。分開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種情況分析。開(kāi)環(huán)時(shí)討論了占空比變化及負(fù)載變化對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，占空比增大，轉(zhuǎn)速也隨之增大；負(fù)載增加，會(huì)引起轉(zhuǎn)速下降。閉環(huán)控制下，設(shè)計(jì)了模糊控制器，進(jìn)行仿真后，與PID控制下的轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行了比較，在空載和帶負(fù)載兩種情況下說(shuō)明了模糊控制比PID控制有更

52、快的響應(yīng)速度。相對(duì)于PID控制而言，模糊控制有著更快的響應(yīng)速度，這是模糊控制相對(duì)于PID控制的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但是在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，PID控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，這是模糊控制不能達(dá)到的。如果系統(tǒng)只是采用模糊控制技術(shù)，很多PID調(diào)節(jié)所具有的優(yōu)點(diǎn)也就無(wú)法兼而有之，所以有待于研究一種模糊PID控制器，使系統(tǒng)兼有模糊控制和PID控制二者的優(yōu)點(diǎn)。 參 考 文 獻(xiàn)1Zadeh L A.Fuzzy SetsJ.Informat Control.1965，(8):338-353.3屠宇，梁惠冰.一種基于比例、量化因子在線自調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器J.廣東自動(dòng)化與信息工程，1999，(2):1-4.4李士勇.模糊控制神經(jīng)理論和智能控制論M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.283-294.5孫慶，吳宏鑫.自適應(yīng)模糊控制的仿真研究J.計(jì)算機(jī)仿真，1997，14(3):47.6潘維民，沈理.模糊系統(tǒng)和前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合J.計(jì)算機(jī)科學(xué)，1999，27(1):54-57.7路兆梅，匡文生.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)習(xí)方法的改進(jìn)J.電氣自動(dòng)化，2000，(1):26-28.8Maurício Figueiredo，F(xiàn)ernando Gomide.Design of Fuzzy Systems Using Neuro-fuzzy NetworksJ.IEEE Transactions on Neural Netw