直流電機(jī)模糊控制

1、XXXXX智能控制理論概論結(jié)課作業(yè)題 目：直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計姓 名：XX學(xué) 號：XXX專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：XX-X班指導(dǎo)教師：XXXX目錄第一章 前言1第二章 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計22.1 直流電機(jī)簡介22.2 直流電機(jī)的PID控制22.3 模糊控制概述22.4 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的MATLAB仿真及其分析3第三章 結(jié)論9參考文獻(xiàn)10第一章 前言隨著時代的發(fā)展，交流和直流調(diào)速不斷沖擊著，但是我國在這個直流調(diào)速領(lǐng)域中的研究不斷深入，專家們研制出了全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)1。這個調(diào)速系統(tǒng)有著較高的精度，而且很實用，使得直流調(diào)速系統(tǒng)成為工業(yè)過程中不可缺的一部分。本文將MATLAB 中

2、的模糊控制工具箱和 SIMULINK 有機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)了直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的建模與仿真。3模糊控制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應(yīng)性強(qiáng)，通過和PID調(diào)節(jié)器的結(jié)合，組成模糊PID的控制方案能有效地克服常規(guī)數(shù)字直流電動機(jī)調(diào)速裝置的缺點，進(jìn)而設(shè)計出能在各種情況下，均可以使得直流電動機(jī)能達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求。第二章 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計2.1 直流電機(jī)簡介直流電動機(jī)在日常生活中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，它有良好的啟動和制動性能。特別是在電力拖動的自動控制系統(tǒng)中，它的地位更是不可取代。直流調(diào)速系統(tǒng)有穩(wěn)速、調(diào)速和加減速這個三種控制要求。在目前的控制過程中，對于調(diào)速和加減速已經(jīng)得到了良好的實現(xiàn)

3、，但是在生產(chǎn)過程中穩(wěn)速的效果仍達(dá)不到預(yù)想中的的效果。穩(wěn)速需要的是電機(jī)在一定的精度以所規(guī)定的的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的運行，在某些干擾下，轉(zhuǎn)速波動也不會有比較大的變化。直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用最為廣泛，它采用的是內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)的結(jié)構(gòu)，這樣確保了最大允許的恒電流，使調(diào)速系統(tǒng)在最大的加速度的情況下達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定后，使電流轉(zhuǎn)矩同負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡。最后，通過外轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋使得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定。42.2 直流電機(jī)的PID控制概述7在某些情況下，受控對象和負(fù)載參數(shù)的變化很快，使得PID調(diào)節(jié)器沒辦法及時適應(yīng)，因此穩(wěn)速的要求很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。直流電動機(jī)本身是一個非線性的被控制對象，有許多的間隙

4、性和彈性的擾動存在，如果有很多的變化量，PID調(diào)節(jié)器將無法顧及。以致最終的設(shè)計結(jié)果不能達(dá)到設(shè)計時所需的要求，將會得到魯棒性較差的控制系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中常規(guī)的PID常常不能有效地克服負(fù)載、非線性因素和模型參數(shù)的變化因而無法達(dá)到高精度和快響應(yīng)的要求。所以在生產(chǎn)過程中這種控制器很難滿足生產(chǎn)要求。而模糊控制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應(yīng)性強(qiáng)，通過和PID調(diào)節(jié)器想結(jié)合，可使直流電動機(jī)能達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求。2.3 模糊控制概述模糊這個定義是美國著名控制論學(xué)者在1965年發(fā)表在開創(chuàng)性論文中的，這是第一次提出與傳統(tǒng)數(shù)學(xué)和控制理論的模糊集合理論完全不同的一種理論。2通過與傳統(tǒng)控制的比較，模糊

5、控制的優(yōu)點有以下幾個方面6：(1) 在設(shè)計過程中對數(shù)學(xué)模型沒有明確的要求。(2) 模糊控制的適應(yīng)性強(qiáng)。(3) 模糊控制的魯棒性強(qiáng)。模糊控制采用連續(xù)多值的邏輯方式來適應(yīng)參數(shù)的變化，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的控制要求。(4) 參數(shù)整定方便。在生產(chǎn)過程中，對控制系統(tǒng)進(jìn)行定性的分析，就能很好的建立模糊規(guī)則和參數(shù)。(5) 模糊控制的結(jié)構(gòu)簡單。系統(tǒng)的軟件和硬件都可簡單實現(xiàn)。2.4 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的MATLAB仿真及其分析5在MATLAB 的命令窗口鍵入fuzzy 后并按回車，以此來激活模糊推理的工具箱。 這時在系統(tǒng)的界面系就跳出一個模糊邏輯編輯器。在FILE 菜單下有兩種模糊控制器的模型，分別為Mamdani

6、型還是Sugeon 型。在本次的設(shè)計中選用Mamdani 型。在EDIT下添加輸入和輸出，最后的結(jié)果為兩個輸入和一個輸出，輸入命名分別為誤差e和誤差變化率ec 以及輸出u。如圖2.1所示。圖2.1 輸入輸出量設(shè)置對于誤差e， 論域是離散的，其論域取-10，+10，設(shè)置7個隸屬度函數(shù)，分別為NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，即隸屬函數(shù)有7條，隸屬形狀為三角形(trimf)。如圖2.2所示。圖2.2 e的隸屬度函數(shù)編輯圖對于變化率ec， 論域是離散的，其論域取0，1，設(shè)置5個隸屬度函數(shù)，分別為NB、NS、O、PS、PB，即隸屬函數(shù)有5條，

7、隸屬形狀為三角形(trimf)。如圖2.3所示。圖2.3 ec的隸屬度函數(shù)編輯圖對于輸出u， 論域是離散的，其論域均取0，10，設(shè)置7個隸屬度函數(shù)，分別為NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，即隸屬函數(shù)有7條，隸屬形狀為三角形(trimf)。如圖2.4所示。圖2.4 u的隸屬度函數(shù)編輯圖點擊Edit菜單中的Rules選項打開模糊控制編輯器(Ruleedit)，將需要建立的模糊控制規(guī)則表添加到規(guī)則庫中。規(guī)則編輯結(jié)果如圖2.5所示。圖2.5 模糊規(guī)則輸入界面點擊View菜單中的Rules選項可以打開模糊規(guī)則觀察器如圖2.6所示，觀察模糊推理系統(tǒng)的輸入，輸出情況，為點擊View菜單中的Surfvi

8、ew選項可以打開模糊推理輸入輸出特性曲面，以圖形形式顯示模糊系統(tǒng)的輸入，輸出情況。最后使用File菜單中的Export選項將做好的模糊推理系統(tǒng)保存到磁盤(disk)和工作區(qū)(to workspace)，取名為mhkz.fis。圖2.6 模糊規(guī)則觀察器圖建立上述模糊控制器之后，按照下圖5.9建立模糊控制系統(tǒng)的仿真，本次設(shè)計系統(tǒng)采用的是二維的模糊控制器結(jié)構(gòu)，在這個模糊控制器的設(shè)計過程中，還要合理的選擇模糊控制器輸入變量Ke、Kc，輸出控制量的系數(shù)Ku。Ke、Kc、Ku的計算方法如下： Ke= （2.1）n為誤差變量模糊子集的最大值，為誤差論域的幅值，通過計算得Ke=20。Kc= （2.2）m為誤差

9、變化率變量模糊子集的最大值，為誤差變化率論域的幅值，由于模糊論域的取值為非對稱的，在取值時為模糊控制的變化范圍。通過計算得Kc=0.001。 Ku= （2.3）u為控制量論域的幅值，b為控制量模糊子集的最大值，由于模糊論域的取值為非對稱的，b在取值時為模糊控制的變化范圍。通過計算得Ku=2。模糊控制系統(tǒng)仿真如圖2.7所示。圖2.7 模糊控制系統(tǒng)仿真圖其中step1負(fù)載的參數(shù)設(shè)置，如圖2.8所示。圖2.8 step的參數(shù)設(shè)置圖建成仿真模型之后雙擊Fuzzy Logic Controller選擇Look Under Mask，輸入mhkz建立聯(lián)系。當(dāng)成功建立聯(lián)系后，中間會顯示FIS，如圖2.9所示

10、。圖2.9 FIS與Simulink的連接運行仿真程序，得到的仿真曲線如圖2.10所示。圖2.10 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)仿真曲線圖采用傳統(tǒng)PID控制得到的輸出波形在快速響應(yīng)方面做得較好，能較快的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，但超調(diào)量超出了很多。而模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)越、調(diào)節(jié)精度高，穩(wěn)態(tài)性能好，超調(diào)明顯小，具有較強(qiáng)的魯棒性。5第三章 總結(jié)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)日趨完善，在更多的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?；贛ATLAB的模糊控制系統(tǒng)，為在實際應(yīng)用提供了一個參考，但是在實際應(yīng)用中還應(yīng)考慮實際的影響因素，例如環(huán)境對控制系統(tǒng)的影響、人為因素對控制系統(tǒng)的影響等。面對實際問題時應(yīng)根據(jù)實際情況而分析。通過這次對模糊控制實現(xiàn)直流電機(jī)系統(tǒng)的控制，進(jìn)一步強(qiáng)化了我的專業(yè)知識，同時也對MATLAB軟件有了進(jìn)一步的熟悉，鍛煉了我的自學(xué)能力?；贛ATLAB這個強(qiáng)大的平臺，通過這個平臺進(jìn)行建模和仿真，得到了較為理想的效果。模糊控制能有效地的控制超調(diào)，在控制超調(diào)方面有優(yōu)越性。參考文獻(xiàn)1 鐘麟，王峰.Matlab仿真技術(shù)與應(yīng)用教程M. 北京：國防工業(yè)出版社, 2004.2 王立紅，楊匯軍. 基于Matlab 的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真J. 遼寧工學(xué)院學(xué)報,2004,24(1)：89.3 肖文英, 李軍紅，陽武嬌.基于 MATLAB/SIMULINK 直流電機(jī)模糊控制系統(tǒng)的建模與仿真J. 電器技術(shù),2006年03期.4 陳伯時,阮毅