基于模糊控制永磁同步電機(jī)的研究

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- PAGE II - PAGE III -基于模糊控制永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究摘要永磁同步電機(jī)因具有體積小、重量輕、運(yùn)行可靠、能量轉(zhuǎn)換效率高、調(diào)速范圍寬、動(dòng)靜態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種伺服系統(tǒng)中。控制精度、穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾能力是衡量伺服系統(tǒng)整體性能好壞的重要因素，而要使系統(tǒng)有較高的控制精度、穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗干擾能力，采用合適的控制策略至關(guān)重要。因此，目前對(duì)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制策略的研究是一個(gè)熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制策略研究的是線性時(shí)不變的控制問(wèn)題。然而，永磁同步電機(jī)本身是具有一定非線性、強(qiáng)藕合性以及時(shí)變性的“系統(tǒng)”，其伺

2、服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，并且運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)受到不同程度的干擾。另外，永磁同步電機(jī)在運(yùn)行中參數(shù)也會(huì)隨之改變。由于PID控制參數(shù)是根據(jù)建立好的精確數(shù)學(xué)模型進(jìn)行整定的，不能隨著被控對(duì)象的變化而作相應(yīng)的調(diào)整，因此，系統(tǒng)必然存在穩(wěn)態(tài)精度和抗干擾性不高的缺點(diǎn)。模糊控制理論利用模糊集合論，把專家的成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到控制策略中，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)象參數(shù)的變化實(shí)時(shí)地改變控制參數(shù)，能夠取得較好的控制效果。本文對(duì)模糊控制理論進(jìn)行了一定的研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種最基本最實(shí)用的模糊控制器，將其應(yīng)用到了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中，建立了系統(tǒng)模型并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，并與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行了

3、對(duì)比。仿真結(jié)果表明，這種新型的模糊PID控制策略顯著提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，大大改善了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，并且提高了其抗干擾能力，符合高性能伺服系統(tǒng)的要求。關(guān)鍵詞永磁同步電機(jī)；伺服系統(tǒng)；閉環(huán)；模糊控制；系統(tǒng)仿真The Research of PMSM Servo System Based on Fuzzy Logic ControlAbstractPermanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), has good characteristics of small size, lightweight， reliable operation, hig

4、h energy conversion efficiency，high speed wide range and good static and dynamic behavior, ect. So it is widely used in various servo system. Control precision stability and anti-jamming capability are important factors that determine the overall performance measurement of servo system. In order to

5、make the system have higher precision, stability and stronger anti-jamming capability, to use an appropriate control strategy is essential. therefore， at present, the control strategy of PMSM servo system is a hot research. The research of traditional double-closed- loop PID control strategy is the

6、linear time-invariant control Problems. however，PMSM is a non-linear，strong-coupling and time-invariant “system”, and its servo object has strong uncertainty and non- line characters , and in the course of operation will be different interference .In addition , the electrical parameters of the PMSM

7、will change while the motor is operating. As PID control parameters prior to the establishment of good basis for setting a accurate mathematical model，which parameters can not vary in time，therefore，the system must exist disadvantages of low steady precision and interference resistance. Fuzzy logic

8、control theory using fuzzy set theory，put mature experience and rules of experts into the control strategy and alter the control parameters in time according to the change of the system parameters is able to achieve good control effete .This dissertation designs two basic and utility fuzzy controlle

9、r base on research of fuzzy logic control theory and put them in the application to the PMSM servo system, a system model and its simulation is set which is compared with the traditional double-closed- loop PID control system simulation results. The simulation results show that this new type of fuzz

10、y PID control. Strategy significantly improve the response speed of the system, greatly improve the static and dynamic performance of the PMSM servo system, and enhance its anti-interference capabilities, meet the requirements of high- performance servo systems.Keywords PMSW ;Servo system; Closed Lo

11、op; Fuzzy Logic Control不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印PAGE II- -PAGE V目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc233801162 第1章 緒論 PAGEREF _Toc233801162 h 1 HYPERLINK l _Toc233801163 1.1 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究的背景、目的與意義 PAGEREF _Toc233801163 h 1 HYPERLINK l _Toc233801164 1.2 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類 PAGER

12、EF _Toc233801164 h 2 HYPERLINK l _Toc233801165 1.3 國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)研究的最新概況 PAGEREF _Toc233801165 h 3 HYPERLINK l _Toc233801166 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc233801166 h 3 HYPERLINK l _Toc233801167 第2章 永磁同步電機(jī)矢量控制原理 PAGEREF _Toc233801167 h 4 HYPERLINK l _Toc233801168 2.1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換 PAGEREF _Toc233801168 h 4 H

13、YPERLINK l _Toc233801169 2.2 永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系(abc)上的模型 PAGEREF _Toc233801169 h 4 HYPERLINK l _Toc233801170 2.3 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)閉環(huán)分析 PAGEREF _Toc233801170 h 5 HYPERLINK l _Toc233801171 2.3.1 電流環(huán)分析 PAGEREF _Toc233801171 h 6 HYPERLINK l _Toc233801172 2.3.2 速度環(huán)的分析 PAGEREF _Toc233801172 h 7 HYPERLINK l _Toc23380

14、1173 2.4 矢量控制系統(tǒng)模型的建立 PAGEREF _Toc233801173 h 7 HYPERLINK l _Toc233801174 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc233801174 h 8 HYPERLINK l _Toc233801175 第3章 模糊控制及MATLAB/SIMULINK仿真工具介紹 PAGEREF _Toc233801175 h 9 HYPERLINK l _Toc233801176 3.1 模糊控制理論概述 PAGEREF _Toc233801176 h 9 HYPERLINK l _Toc233801177 3.2 模糊控制器的組成和原理 PA

15、GEREF _Toc233801177 h 9 HYPERLINK l _Toc233801178 3.2.1 模糊控制的基本原理 PAGEREF _Toc233801178 h 11 HYPERLINK l _Toc233801179 3.2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程 PAGEREF _Toc233801179 h 15 HYPERLINK l _Toc233801180 3.3 MATLAB/SIMULINK動(dòng)態(tài)仿真工具介紹 PAGEREF _Toc233801180 h 15 HYPERLINK l _Toc233801181 3.3.1 MATLAB簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc233

16、801181 h 15 HYPERLINK l _Toc233801182 3.3.2 SIMULINK工具箱及模糊邏輯工具箱 PAGEREF _Toc233801182 h 16 HYPERLINK l _Toc233801183 3.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc233801183 h 17 HYPERLINK l _Toc233801184 第4章 模糊控制在永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc233801184 h 18 HYPERLINK l _Toc233801185 4.1 在 MATLAB/SIMULINK下建立系統(tǒng)仿真模型 PAGEREF _Toc2

17、33801185 h 18 HYPERLINK l _Toc233801186 4.1.1 速度控制器模塊 PAGEREF _Toc233801186 h 18 HYPERLINK l _Toc233801187 4.1.2 SPWM逆變器模塊 PAGEREF _Toc233801187 h 19 HYPERLINK l _Toc233801188 4.1.3 永磁同步電機(jī)本體模塊和測(cè)量模塊 PAGEREF _Toc233801188 h 20 HYPERLINK l _Toc233801189 4.1.4 仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc233801189 h 20 HYPERLINK l

18、 _Toc233801190 4.2 模糊-PI雙?？刂破?PAGEREF _Toc233801190 h 22 HYPERLINK l _Toc233801191 4.2.1 模糊-PI控制器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc233801191 h 23 HYPERLINK l _Toc233801192 4.2.2 仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc233801192 h 25 HYPERLINK l _Toc233801193 4.3 模糊PID自適應(yīng)控制器 PAGEREF _Toc233801193 h 27 HYPERLINK l _Toc233801194 4.3.1 模糊PID控制器

19、設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc233801194 h 28 HYPERLINK l _Toc233801195 4.3.2 仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc233801195 h 30 HYPERLINK l _Toc233801196 4.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc233801196 h 33 HYPERLINK l _Toc233801197 結(jié)論 PAGEREF _Toc233801197 h 34 HYPERLINK l _Toc233801198 致謝 PAGEREF _Toc233801198 h 35 HYPERLINK l _Toc233801199 參考文獻(xiàn) P

20、AGEREF _Toc233801199 h 36 HYPERLINK l _Toc233801200 附錄 PAGEREF _Toc233801200 h 37哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文PAGE - -PAGE 45緒論永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究的背景、目的與意義用于伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)稱為伺服電動(dòng)機(jī)，對(duì)它們的基本要求是可控性好、響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、調(diào)速范圍寬等1。按照使用的電源性質(zhì)不同，伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類。在20世紀(jì)60至70年代，直流伺服電動(dòng)機(jī)得到了迅猛的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于各種高性能的伺服系統(tǒng)中。但是，傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)采用電刷進(jìn)行換向，換向時(shí)產(chǎn)生電磁干擾

21、、噪聲、火花等，造成電機(jī)的可靠性差，并且制造成本高、維修困難，極大的限制了其應(yīng)用。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)伺服電機(jī)的要求也越來(lái)越高。進(jìn)入80年代以后，材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和智能控制理論的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝的不斷提高，各種新型電動(dòng)機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生，其中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)明最具代表性，以永磁化、無(wú)刷化、數(shù)字化、智能化、機(jī)電一體化以及小型化為主要特點(diǎn)的伺服系統(tǒng)成為目前的發(fā)展方向。交流伺服系統(tǒng)逐步取代直流伺服系統(tǒng)己成定局。因此，世界各國(guó)在高精度速度和位置控制場(chǎng)合，都努力用交流電力傳動(dòng)取代直流電力傳動(dòng)。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小

22、、效率高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，易于散熱及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著新型的永磁材料的出現(xiàn)，永磁材料價(jià)格的下降以及材料磁性能的提高，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)引起了眾多研與開發(fā)人員的青睞，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越寬廣。用在伺服系統(tǒng)領(lǐng)域的永磁同步電動(dòng)機(jī)，按照電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形分為兩類梯形波電動(dòng)機(jī)和正弦波電動(dòng)機(jī)。它們共同點(diǎn)是定子電流的通斷受轉(zhuǎn)子位置傳感器控制，不同之處在于二者的磁場(chǎng)分布和反電動(dòng)勢(shì)波形。梯形波電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理相似，不同之處在于它采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，并用電子開關(guān)電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器取代了有刷直流電動(dòng)機(jī)的換向器和電刷，實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)刷

23、化，故該類梯形波電動(dòng)機(jī)牙慣稱為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (Brushless DC Motor，簡(jiǎn)稱BLDCM)。正弦波電動(dòng)機(jī)的定子基于模糊控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究繞組得到的是對(duì)稱三相交流電，但三相交流電的頻率、相位和幅值由轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定，這就是通常所說(shuō)的永磁同步電動(dòng)機(jī) (Permanent Magnet synchronous Motor，簡(jiǎn)稱（PMSM)。它的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)通常使用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器，可更精確地獲得瞬間轉(zhuǎn)子位置信息。因其控制精度和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性等控制性能都比BLDCM系統(tǒng)好，故主要用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電梯控制等高性能驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。這也是本文把反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)作為

24、更高精度伺服系統(tǒng)研究對(duì)象的依據(jù)2。永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究的目的就是獲得更快的響應(yīng)速度，更平穩(wěn)的過(guò)渡過(guò)程，更好的抗干擾性能以及更高的穩(wěn)態(tài)精度等。目前永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速、電流控制多用傳統(tǒng)的PID控制，其控制器是經(jīng)典控制理論應(yīng)用中最成功的代表，己經(jīng)在工程實(shí)踐中取得了很好的應(yīng)用，但并非是理想的控制器。因?yàn)閭鹘y(tǒng)PID控制理論研究的是線性時(shí)不變的控制問(wèn)題，要求具有精確的數(shù)學(xué)模型，然而實(shí)際控制系統(tǒng)多少含有非線性，控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的參數(shù)會(huì)或多或少的變化，或者存在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以建立等問(wèn)題。所以，用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)的控制器有時(shí)難免會(huì)使控制系統(tǒng)不能滿足更高性能指標(biāo)要求。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們面

25、臨的被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的精度、性能和可靠性的要求越來(lái)越高。因此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的控制策略越來(lái)越受到人們的關(guān)注。智能控制是一門新興的學(xué)科，是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，是以人工智能、控制論、信息論、運(yùn)籌學(xué)為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科，主要用于解決傳統(tǒng)控制方法難以解決的系統(tǒng)控制問(wèn)題。模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，它是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)智能控制。它主要應(yīng)用于諸如測(cè)量數(shù)據(jù)不確切、要處理的數(shù)據(jù)量過(guò)大以致無(wú)法判斷它們的兼容性以及一些復(fù)雜可變的被控對(duì)象等對(duì)數(shù)學(xué)模型精確度要求不高的場(chǎng)合。而本文所研究的永磁同步電機(jī)本身就是具有一定非線性、強(qiáng)禍合性以

26、及時(shí)變性的“系統(tǒng)”，其伺服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，并且運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)受到不同程度的干擾。針對(duì)這種特性，采用模糊控制能夠取得很好的控制效果，滿足高性能伺服電機(jī)的控制要求，提高伺服系統(tǒng)性能。因此，基于模糊控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)具有重大的研究意義3.4。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類永磁同步電動(dòng)機(jī)主要由定子(電樞)和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子與普通同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相似，由定子鐵心、三相對(duì)稱繞組、機(jī)殼和端蓋等部分構(gòu)成。其中，定子鐵心由沖有槽孔的硅鋼片疊壓而成，定子繞組采用短距分布繞組，目的是最大限度地消除諧波磁動(dòng)勢(shì)。另外，為了減少電動(dòng)機(jī)的雜散損耗，定子繞組通常采用星形接法。當(dāng)電樞

27、三相對(duì)稱繞組通入三相對(duì)稱電流時(shí)就可以得到一個(gè)圓形的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下可以自由旋轉(zhuǎn)的部分，通常由轉(zhuǎn)軸、鐵心、永久磁鋼等組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度，轉(zhuǎn)子與通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實(shí)心的，也可以用疊片疊壓而成。轉(zhuǎn)子鐵心上安裝有永磁體。永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)的不同，分為單極和多極。按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同可以分為三類:凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。凸裝式是將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵心的表面，因?yàn)橛来挪牧系拇艑?dǎo)率很接近空氣磁導(dǎo)率，所以在交軸(q軸)和直軸(d軸)上的電感基本相同。嵌入式則是將永磁體嵌入在轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部，因此交

28、軸的電感大于直軸的電感，并且，除了電磁轉(zhuǎn)矩外，還有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子是將永磁體裝在鐵心內(nèi)部，其氣隙比較小，適用于弱磁控制。另外，凸裝式和嵌入式結(jié)構(gòu)上較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子直徑較小，從而降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它有較大的磁路氣隙可獲得低電感值，利于電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的改善，一般永磁同步電動(dòng)機(jī)多采用這種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)是將永磁體裝于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，制造工藝較為復(fù)雜，但機(jī)械強(qiáng)度高，一般適于弱磁控制的高速運(yùn)行場(chǎng)合6.7。國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)研究的最新概況雖然目前各種伺服系統(tǒng)中直流電機(jī)仍然占據(jù)的很大一部分，但永磁同步電動(dòng)機(jī)正逐步取代直流電動(dòng)機(jī)而成為伺服系統(tǒng)的主流。同時(shí)隨著人們生活和科技水平的提高，伺服系統(tǒng)正在向

29、數(shù)字化、高效率化、小型化及高智能化的方向發(fā)展。因此，對(duì)其中的動(dòng)力部分電動(dòng)機(jī)也提出了更高的要求。永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究和應(yīng)用近年來(lái)正在成為電機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國(guó)外基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)的研究開始較早，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美國(guó)的AE公司、科爾摩根公司，德國(guó)的西門子公司，法國(guó)的EBC公司，韓國(guó)三星公司等早在加世紀(jì)80年代就不斷推出交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)幾乎是外國(guó)公司一統(tǒng)天下的局面。而國(guó)內(nèi)在這方面起步較晚，但生產(chǎn)和應(yīng)用規(guī)模也在快速增長(zhǎng)。目前我國(guó)的華中科技大學(xué)、北京機(jī)床研究所、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等廠家單位開始研究并推出交流伺服系統(tǒng)，打破了外國(guó)公司完全壟斷的格局，并且我國(guó)永

30、磁同步電動(dòng)機(jī)伺服產(chǎn)品在自動(dòng)化、家電、電子信息產(chǎn)業(yè)、航空航天和現(xiàn)代軍事裝備等領(lǐng)域迅速得到應(yīng)用8.本文主要研究?jī)?nèi)容 伺服系統(tǒng) (servo system)是一種以機(jī)械位置、角度或者速度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)即伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)位置、角度或者速度指令的跟蹤，當(dāng)給定位置、角度或者速度量隨機(jī)變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量能夠快速準(zhǔn)確無(wú)誤的跟蹤給定量。本文的主要研究?jī)?nèi)容。1永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析。2永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理的研究。3模糊控制理論的研究。4模糊PI雙?？刂破骱湍：齈ID自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)。5在MATLABSIMULINK平臺(tái)下搭建系統(tǒng)模型。6基于

31、模糊控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)。永磁同步電機(jī)矢量控制原理永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型由磁鏈方程，電壓方程，轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程組成，為了簡(jiǎn)化分析，我們先忽略一些影響較小的參數(shù)，即把電機(jī)當(dāng)作理想電機(jī)處理，然后建立在abc坐標(biāo)系為永磁同步電機(jī)矢量控制提供理論基礎(chǔ)。理想電機(jī)的基本假設(shè)如下定子三相繞組對(duì)稱分布、氣隙均勻并且忽略電機(jī)鐵心的飽和。1不計(jì)電機(jī)的渦流和磁滯損耗。2轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組，永磁體也沒(méi)有阻尼作用。3反電動(dòng)勢(shì)波形是正弦的永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系(abc)上的模型設(shè)永磁同步電動(dòng)機(jī)三相集中繞組分別用a、b、c表示，繞組軸線彼此互差120o空間

32、電角度，各相繞組的軸線在與轉(zhuǎn)子軸垂直的平面上，構(gòu)成一個(gè)abc三相靜止坐標(biāo)系, F為三相繞組中分別通入電流ia，ib，ic。時(shí)產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)圖2-1三相集中繞組分布 式中:Ua，Ub，Uc為各相繞組兩端的電壓，ia為各相繞組的總磁鏈，p為對(duì)時(shí)間的微分算子磁鏈方程為2-1式中=t，件為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;Lxx為各自繞組的自感;-Mxy為各相繞組之間的互感(由于三相繞組在空間互差120。電角度，故互感為負(fù)值);ra，rb，rc為轉(zhuǎn)子磁鏈在a、b、c三相中的交鏈，且轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的交鏈分別為:式2-2MIf為轉(zhuǎn)自磁鏈的幅值為簡(jiǎn)化方程，把上式與式2-2帶入到式2-1中，得回路電壓方程 2.3由理想

33、電機(jī)條件，以及通入三相繞組中的電流是對(duì)稱的，所以有： M12=M13=M21M23=M31=M32=M1且ia+ib+ic=0 則L11=L22=L33=L1 ,令L=L1-M1 把以上條件代入式2-3就可以得到實(shí)用的電壓回路方程： 式2-4永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)閉環(huán)分析永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)一般具有位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)和速度環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為系統(tǒng)外環(huán)。其中，電流環(huán)是最重要的一環(huán)，它是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。永磁同步伺服系統(tǒng)要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應(yīng)速度快等性能。它必須滿足內(nèi)環(huán)控制所需要的控制響應(yīng)速度，能精確控制隨轉(zhuǎn)速變化的交流電

34、流頻率。速度環(huán)的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，抑制速度波動(dòng)。由于伺服系統(tǒng)對(duì)位置指令的快速準(zhǔn)確無(wú)誤的追蹤幾乎全由速度環(huán)性能好壞決定，所以本文對(duì)位置環(huán)不做研究。本節(jié)對(duì)電流環(huán)的設(shè)計(jì)將采用電流跟蹤滯環(huán)控制方式9.電流環(huán)分析在電壓源逆變器中電流滯環(huán)控制提供了一種控制瞬態(tài)電流輸出的方法，其基本思想是將電流給定信號(hào)與監(jiān)測(cè)到的逆變器實(shí)際輸出電流信號(hào)相比較，若實(shí)際電流大于給定電流值，則通過(guò)改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)使之減小，反之增大。這樣實(shí)際電流圍繞給定電流波形作鋸齒狀變化，并將偏差限制在一定范圍內(nèi)。因此，采用電流置換控制的逆變器系統(tǒng)保護(hù)一個(gè)有BANGBANG控制的電流閉環(huán)，由于電流反饋的存在可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抑制擾

35、動(dòng)，而且還可以防止逆變器過(guò)流，保護(hù)功率開關(guān)器件。其工作原理如圖2-2所示。 圖2-2：電流滯換控制原理當(dāng)Vl導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流增加，V4導(dǎo)通時(shí)電流下降。逆變器通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流i，并與給定電流iref相比較，偏差信號(hào)經(jīng)滯環(huán)控制器，當(dāng)偏差信號(hào)超過(guò)滯換控制器的環(huán)寬時(shí)，則改變逆變器開關(guān)狀態(tài)，使電流增大或減小，達(dá)到跟蹤給定電流的目的。因此，采用電流滯環(huán)控制的逆變器系統(tǒng)保護(hù)一個(gè)有BANG控制的電流環(huán)，由于電流反饋的存在可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抑制擾動(dòng)，而且還可以防止逆變器過(guò)流，保護(hù)功率開關(guān)器件。設(shè)定滯環(huán)控制器的環(huán)寬為2h，如果，iref=h，則滯環(huán)控制器輸出正電平，驅(qū)動(dòng)上橋臂開關(guān)器件V1導(dǎo)通，此時(shí)逆變器輸出正電平

36、，使實(shí)際電流增大。當(dāng)實(shí)際電流增大到與給定電流相等時(shí)，滯環(huán)控制器仍保持正電平輸出，導(dǎo)通保持，使實(shí)際電流繼續(xù)。速度環(huán)的分析速度環(huán)同樣也是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，其控制性能是伺服性能的一個(gè)重要組成部分，從廣義上講，速度伺服控制應(yīng)該是具有高精度、快響應(yīng)的特性，具體而言，反映為小的速度脈動(dòng)率、快的頻率相應(yīng)、寬的調(diào)速范圍等性能指標(biāo)。本文后面的大部分研究都是針對(duì)此環(huán)節(jié)進(jìn)行的。1速度環(huán)控制過(guò)程為:給定速度與系統(tǒng)檢測(cè)到的反饋速度相比較，輸出的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)速度控制器的調(diào)節(jié)后，輸出系統(tǒng)需要的電流控制量。經(jīng)典的伺服系統(tǒng)速度環(huán)都采用PID控制器，這種控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，參數(shù)容易調(diào)整己經(jīng)成為控制系統(tǒng)中技術(shù)最

37、成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制器。下面就對(duì)傳統(tǒng)PID控制器的控制規(guī)律進(jìn)行分析。控制信號(hào)u由誤差信號(hào)的比例、積分、微分三項(xiàng)之和給出式中，Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd微分增益,比例環(huán)節(jié)成比例地放大偏差信號(hào)。偏差產(chǎn)生，控制器即產(chǎn)生，控制作用以減少偏差，加大比例增益Kp，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度。但是，Kp過(guò)大時(shí)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性將會(huì)變差，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。2積分環(huán)節(jié)積分增益Ki，的作用是對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。所以采用積分控制能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。3微分環(huán)節(jié)微分增益Kd反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，

38、并能在偏差信號(hào)變得較大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，具有一定的預(yù)見性，能夠加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。微分控制只對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程起作用，而對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程沒(méi)有任何作用。在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于使用微分環(huán)節(jié)的PID控制，其控制響應(yīng)容易振蕩，實(shí)際應(yīng)用較少，人們普遍采用PI控制器9.10。矢量控制系統(tǒng)模型的建立采用Id=0的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)如圖2-3所示該控制系統(tǒng)由以下四部分組成:l轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角傳感器模塊。2電流環(huán)、速度環(huán)控制器。3坐標(biāo)變換模塊。4 PWM控制器和逆變器模塊?？刂七^(guò)程為:給定速度信號(hào)與檢測(cè)得到的速度信號(hào)相比較，得到誤差信號(hào)。經(jīng)速度控制器的調(diào)節(jié)后，輸出交軸電流分量Iqref，

39、同時(shí)，給定直軸電流分量白Iqref=0然后經(jīng)坐標(biāo)變換后，輸出三相定子電流并與反饋得到的三相定子電流實(shí)行跟蹤滯環(huán)控制，經(jīng)過(guò)PWM控制器后輸出三相逆變器控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器工作，最后輸出可變幅值和頻率的三相正弦電流輸入到電動(dòng)機(jī)定子，從而實(shí)現(xiàn)給定的控制效果。本章小結(jié)本章通過(guò)矢量控制系統(tǒng)的的建立解決了交流電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題，使得交流電機(jī)的控制跟直流電機(jī)控制一樣方便可行，并且可以獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的動(dòng)態(tài)性能。交流電機(jī)矢量控制的基本思想就是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，通過(guò)坐標(biāo)變換將電流矢量分解成產(chǎn)生控制，就能獲得不同的控制效果。模糊控制及MATLAB/SI

40、MULINK仿真工具介紹模糊控制理論概述模糊控制理論屬于智能控制的一個(gè)重要分支，是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推理的控制理論，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是模糊集合理論。1965年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的自動(dòng)控制教授L.A.Zadeh首次提出“模糊集合”的概念，隨后1974年英國(guó)的Mamdani首次將模糊邏輯應(yīng)用于蒸汽機(jī)的控制，自此模糊控制在工業(yè)過(guò)程、機(jī)器人、交通運(yùn)輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)控制方式相比，模糊控制利用人類專家控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于非線性、復(fù)雜對(duì)象的控制顯示了魯棒性好、控制性能高的優(yōu)點(diǎn)到今天模糊理論經(jīng)歷了三十多年的艱難發(fā)展，已成為國(guó)內(nèi)國(guó)際研究的熱點(diǎn)。我們知道傳統(tǒng)的控制理論

41、，要求被控對(duì)象具有精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，來(lái)進(jìn)行控制。然而，在許多情況下被控對(duì)象變量多、參數(shù)多，并且各種參數(shù)具有不同程度的時(shí)變性、非線性、強(qiáng)禍合等特點(diǎn)使得其精確數(shù)學(xué)模型很難建立，傳統(tǒng)的控制理論很難滿足控制要求。相對(duì)而言，模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。它屬于非線性、智能控制的范疇。它不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，直接用處理器來(lái)模仿人的思維10。由于模糊控制對(duì)被控?cái)?shù)學(xué)模型的依賴性不強(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)模型或數(shù)學(xué)模型粗糙復(fù)雜的系統(tǒng)，用模糊控制更具有優(yōu)越性。模糊控

42、制作為智能控制的一種類型，是控制理論發(fā)展到高級(jí)階段的產(chǎn)物，其研究對(duì)象具備以下一些智能控制對(duì)象的特點(diǎn):l模型不確定性;2非線性;3復(fù)雜的任務(wù)要求;模糊控制方法與通常分析系統(tǒng)所用的定量方法在本質(zhì)上是不同的，它有三個(gè)主要特點(diǎn)。l用語(yǔ)言變量代替數(shù)學(xué)變量或者兩者結(jié)合應(yīng)用；2用模糊條件語(yǔ)句來(lái)刻畫變量間的函數(shù)關(guān)系；3用模糊算法來(lái)刻畫復(fù)雜關(guān)系；模糊控制器的組成和原理模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能型的模糊控制器。圖4-1是一種典型的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，模糊控

43、制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成:模糊控制器、輸入輸出接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一般的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)基本類似，只是它的控制器為模糊控制器?？刂破饔捎?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，需要重心，D/A轉(zhuǎn)換接口，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與模擬環(huán)節(jié)的連接，同過(guò)傳感器將被控制量反饋到控制器，與設(shè)定值相比較，根據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行控制。 圖3-1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖l被控對(duì)象被控對(duì)象是一種設(shè)備或裝置，或是若干個(gè)裝置或設(shè)備組成的群體，它們?cè)谝欢ǖ募s束下工作，以實(shí)現(xiàn)人們的某種目的。工業(yè)上典型的被控對(duì)象是各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)基于模糊控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究的生產(chǎn)過(guò)程，它們可能是物理過(guò)程，化學(xué)過(guò)程或是生物化學(xué)過(guò)程。從數(shù)

44、學(xué)模型的角度講，他們可能是單變量或多變量的，可能是線性的或非線性的，可能是定常的或時(shí)變的，可能是一階的或高階的，可能是確定性的或是隨機(jī)過(guò)程，當(dāng)然也可能是混合有多種特性的過(guò)程。正如前文所述，有不少對(duì)象是難以建模的。對(duì)于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，對(duì)于非線性和時(shí)變對(duì)象，模糊控制策略是較為適宜采用的一種方案。2檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置一般包括傳感器和變送裝置。它們檢測(cè)各種非電量如溫度、流量、壓力、液位、轉(zhuǎn)速、角度、濃度、成分等并變換放大為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，包括模擬的或數(shù)字的等形式。在某些場(chǎng)合，檢測(cè)量也可能是電量。與一般的自動(dòng)控制系統(tǒng)一樣，模糊控制需要能夠提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線檢測(cè)裝置，對(duì)于有較大滯后的各種離線分

45、析儀器，往往不能滿足模糊控制實(shí)時(shí)性的要求。檢測(cè)裝置的精度級(jí)別應(yīng)該高于系統(tǒng)的精度控制指標(biāo)，這在模糊控制系統(tǒng)中同樣適用。但是，一般認(rèn)為在以高精度為目標(biāo)的控制系統(tǒng)中不宜采用模糊控制方案，因此在模糊控制系統(tǒng)中檢測(cè)裝置的精度應(yīng)視具體控制指標(biāo)的要求具體確定。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置，如工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用最普遍最典型的各種調(diào)節(jié)閥。執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的控制作用常常表現(xiàn)為使角度、位置發(fā)生變化，因此它往往是由伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓閥等加上驅(qū)動(dòng)裝置組成。4輸入輸出接口輸入輸出接口是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)連接的橋梁，輸入接口主要與檢測(cè)裝置連接，把檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為

46、計(jì)算機(jī)所能識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)并輸入給計(jì)算機(jī)。輸出接口把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的信號(hào)，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控對(duì)象施加控制作用。由于大部分檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)都是模擬信號(hào)，因此輸入輸出接口常常是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路D/A。5模糊控制器模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要標(biāo)志。模糊控制器一般由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)程序和硬件實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，計(jì)算機(jī)可以是單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)等各種類型的微型計(jì)算機(jī)，通常模糊控制器主要由四部分組成:模糊化(Fuzzifer)、知識(shí)庫(kù)(Knowledgebase)、模糊推理 (Fuzzy Reasonin

47、g)和去模糊化(Defuzzifer)。通常情況下以系統(tǒng)輸入的誤差E和誤差改變量EC作為模糊控制器的輸入。模糊化，通過(guò)傳感器把要監(jiān)測(cè)的物理量變成電量，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入量輸入至模糊邏輯控制器后，根據(jù)模糊集合的隸屬函數(shù)，將該精確量轉(zhuǎn)換為模糊值。此過(guò)程就稱為精確量的模糊化或者模糊量化，其目的是把傳感器的輸入轉(zhuǎn)換成模糊控制系統(tǒng)中可以進(jìn)行模糊操作的模糊變量格式;知識(shí)庫(kù)環(huán)節(jié)，知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)，通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。這其中，數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)、尺度變換因子以及模糊空間的分級(jí)數(shù)等;規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語(yǔ)言變量表示的系列控制規(guī)

48、則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)等;模糊推理環(huán)節(jié)，它是模糊控制器重要組成部分，具有模擬人的基于模糊概念的推理能力，其推理是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行的;清晰化環(huán)節(jié)，它的主要功能是將模糊推理所得的控制量(模糊量)變換為實(shí)際用于控制的清晰量，包含兩部分內(nèi)容:其一，將模糊的控制量經(jīng)清晰化處理變換為表示在論域范圍的清晰量，其二，將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換轉(zhuǎn)換成實(shí)際的控制量11。模糊控制的基本原理模糊控制，又稱為模糊邏輯控制，其基本思想是借助計(jì)算機(jī)和模糊集合理論來(lái)模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制過(guò)程。模糊控制系統(tǒng)與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本相同，不同之處僅在于控制器的結(jié)構(gòu)和功能，即模糊控制器取代

49、普通的數(shù)字控制器。其中模糊控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由四個(gè)部分組成:模糊化(Fuzzifer)、知識(shí)庫(kù)( Knowledgebase)、模糊推理(FuzzyReasoning)和去模糊化(Defuzzifer)。下面具體介紹這幾個(gè)部分的組成和功能。l模糊化為了實(shí)現(xiàn)模糊控制，必須對(duì)精確的輸入量進(jìn)行模糊化處理，這個(gè)過(guò)程就叫模糊化。在整個(gè)模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程模糊化模塊需要進(jìn)行以下工作:確定符合模糊控制器要求的輸入量和輸出量不同的控制系統(tǒng)有不同的輸入輸出，這正是確定一個(gè)控制系統(tǒng)維數(shù)的依據(jù)，而模糊控制器的維數(shù)與控制性能和控制器的復(fù)雜程度密切相關(guān)。通常情況下系統(tǒng)以誤差E和誤差的變化量EC作為輸入變量，這

50、種二維單變量輸出的模糊控制器也是本文需要研究的。對(duì)輸入輸出變量進(jìn)行尺度變換使之落入各自的論語(yǔ)范圍內(nèi)模糊控制器的論語(yǔ)常用(-6，6)，而實(shí)際的輸入量和輸出量不同的系統(tǒng)具有不同的范圍，于是需要將輸入輸出值變換到論語(yǔ)內(nèi)，這個(gè)過(guò)程就叫尺度變換。設(shè)輸入精確量x的實(shí)際變化范圍為(a，b)，將(a，b)區(qū)間的精確量轉(zhuǎn)化為(-6，6)區(qū)間的變化y，其變換式為:y=12/b-a(x-a+b/2)把模糊控制器的輸入量E和E以及輸出量U的實(shí)際取值范圍稱為這些變量的基本論語(yǔ)，顯然，這些取值都是清晰量。基本論語(yǔ)和模糊集合的論語(yǔ)是不同的，為了對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理，必須將基本論語(yǔ)轉(zhuǎn)化到模糊集合的論語(yǔ)。需要一個(gè)量化處理，對(duì)

51、稱基本論語(yǔ)，各量化因子分別為:K1，K2，K3分別用于誤差、誤差該變量和控制量的量化?？刂屏康牧炕蜃右话惴Q為比例因子。K1選的大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論語(yǔ)，增大了誤差對(duì)控制量的影響，所以，系統(tǒng)的超調(diào)量也較大，過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。K2選的大，可使超調(diào)量減小，但系統(tǒng)響應(yīng)變緩。從和K2相當(dāng)于在確定控制量時(shí)對(duì)E和EC的加權(quán)，二者相互影響。作為控制器的總增益，輸出比例因子氣對(duì)控制系統(tǒng)的特性有重大影響。K3選的過(guò)小，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，選的過(guò)大，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩加劇。所以，為了獲得較佳的控制性能，比例因子一定要選的合適。對(duì)已經(jīng)論語(yǔ)變換的輸入量進(jìn)行模糊化處理，包括模糊分割和隸屬函數(shù)的確定為了對(duì)輸入量進(jìn)

52、行模糊化，必須知道某個(gè)輸入值對(duì)應(yīng)于論語(yǔ)上的那幾個(gè)模糊集合、它們的隸屬函數(shù)是如何分布的。論語(yǔ)上的模糊集合個(gè)數(shù)的確定就是模糊分割。例如，誤差e在整個(gè)論語(yǔ)上分割成七個(gè)模糊集合，即:如PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，零(ZE)，NS(負(fù)小)，NM(負(fù)中)，NB(負(fù)大)。隸屬函數(shù)可以采用數(shù)值法或函數(shù)描述法，常用的隸屬函數(shù)有三角形、梯形、鐘形隸屬函數(shù)等。對(duì)于設(shè)計(jì)好的模糊控制器投入使用后，由于相應(yīng)的輸入變量、模糊分割和各個(gè)模糊集合隸屬函數(shù)均已確定，于是模糊化所起的作用就是根據(jù)具體情況將某一精確輸入值x轉(zhuǎn)化為模糊量，用于確定該模糊量對(duì)于某一個(gè)或幾個(gè)模糊集合的匹配程度，為以后的推理做準(zhǔn)備。常用的模糊化

53、方法有模糊單點(diǎn)、三角形、鐘形模糊等幾種。2知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)。它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)和要求。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括尺度變換、模糊分割數(shù)以及各個(gè)模糊變量的模糊取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)。規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語(yǔ)言表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。模糊控制中，專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)通過(guò)一組語(yǔ)言描述的規(guī)則表現(xiàn)出來(lái)適用于某一個(gè)系統(tǒng)的所有規(guī)則就構(gòu)成了該模糊控制系統(tǒng)的規(guī)則庫(kù),規(guī)則庫(kù)通常的形式采用“如果，那么的形式”。例如 IFandandandTHENy1=B1,.,ym=Bm式中，A1An;B1Bm，均為模糊集合。除了上面

54、的條件語(yǔ)句形式，模糊控制規(guī)還可采用表格的形式表示出來(lái)。模糊控制規(guī)則的生成主要有四種方法第一種方法基于專家的經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí)，模糊控制規(guī)則具有模糊條件句的形式，它建立了前件中輸入變量與后件中控制變量之間的聯(lián)系。它的建立是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略是基于操作者經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)。因此，通過(guò)總結(jié)人類專家的經(jīng)驗(yàn)，并用適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言來(lái)加以表述，最終可表示成模糊控制規(guī)則的形式。另一種方式是通過(guò)向有經(jīng)驗(yàn)的專家和操作人員咨詢，從而獲得特定應(yīng)用領(lǐng)域模糊控制規(guī)則的原型，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行湊試和調(diào)整。第二種方法基于操作人員的實(shí)際控制過(guò)程，在許多人工控制的工業(yè)系統(tǒng)中，無(wú)法運(yùn)用常規(guī)的控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真?？梢酝ㄟ^(guò)記錄熟

55、練操作人員的實(shí)際控制過(guò)程時(shí)的輸入輸出數(shù)據(jù)，并從中總結(jié)出模糊控制規(guī)則。第三種方法基于過(guò)程的模糊模型，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性通?？捎梦⒎址匠?、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等數(shù)學(xué)方法來(lái)加以描述，用語(yǔ)言對(duì)這樣的控制對(duì)象加以描述稱為模糊模型?；谀：Ｐ鸵部梢越⑵鹣鄳?yīng)的模糊控制規(guī)律，這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是純粹的模糊系統(tǒng)，適于采用理論的方法進(jìn)行分析和控制。第四種方法基于學(xué)習(xí)模糊控制器，除了可以模仿人的決策行為之外，還可以模仿人的學(xué)習(xí)行為，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)產(chǎn)生模糊控制規(guī)則并對(duì)它們進(jìn)行修改。以往很多模糊控制主要是模仿人的決策行為，而由此得到的控制規(guī)則往往比較粗糙，甚至?xí)霈F(xiàn)控帶死區(qū)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)產(chǎn)生初始的控制規(guī)則以此為基礎(chǔ)，

56、通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)生成完善良好的控制規(guī)則，是一種產(chǎn)生控制規(guī)則的有效途徑。目前，這種方法還在發(fā)展中，許多專家學(xué)者正致力于這幾方面的研究。1模糊控制的完備性基于模糊控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究對(duì)任意輸入，控制器都應(yīng)給出合適的控制輸出，這個(gè)性質(zhì)就是完備性。在數(shù)據(jù)庫(kù)方面，對(duì)任意一個(gè)輸入，應(yīng)該有一個(gè)模糊集合對(duì)于該輸入的隸屬度不小于，稱該模糊控制器滿足。完備性，在規(guī)則庫(kù)方面，模糊控制的完備性體現(xiàn)在任意輸入時(shí)的規(guī)則適用度，即，對(duì)任意一個(gè)輸入，至少有一個(gè)實(shí)用的規(guī)則并且其適用度應(yīng)大于某個(gè)數(shù)值。模糊控制規(guī)則的個(gè)數(shù)盡量少設(shè)有m個(gè)輸入變量，模糊分級(jí)數(shù)分別為:N1，N2，Nm，那么，可能生產(chǎn)的最大規(guī)則數(shù)是:N=N1xN

57、2xxNm，但實(shí)際的模糊控制規(guī)則數(shù)與很多因素有關(guān)，無(wú)法統(tǒng)一規(guī)定。一個(gè)普遍的原則是，在滿足完備性的前提下，模糊規(guī)則數(shù)應(yīng)盡量少。2模糊控制規(guī)則的一致性復(fù)雜的模糊控制系統(tǒng)所包含的規(guī)則可能很多，規(guī)則來(lái)自于各類專家的經(jīng)驗(yàn)，包括操作工人、工程師和知識(shí)淵博的學(xué)者，各人對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的理解可能不同、不完全一致、甚至沖突，而且，也取決于多種性能指標(biāo)。因此，要求規(guī)則庫(kù)內(nèi)的規(guī)則必須保持較的一致性，以避免出現(xiàn)相互矛盾的現(xiàn)象，這樣才能保證控制的平穩(wěn)性并獲得較好的控制性育巨。3模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。模糊推理根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲

58、得模糊控制量的功能部分。該推理過(guò)程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。例如，規(guī)則庫(kù)內(nèi)有N條規(guī)則，對(duì)所有的規(guī)則的蘊(yùn)涵關(guān)系做綜合處理，就得到整個(gè)規(guī)則庫(kù)的總的模糊關(guān)系R，并且R=R1R2.Rn=UiRi如果系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)是A1，A2An。那么，模糊控制器的輸出是B=(A1A2An).R4清晰化推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能己經(jīng)完成。但是這個(gè)結(jié)果仍然是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來(lái)作為控制量，還必須進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換一清晰化或解模糊。清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量模糊量變換為實(shí)際用于控制的清晰量。它包含以下兩部分內(nèi)容:將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換，變成表示在論域范圍的清晰量;將表示在論

59、域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換變成實(shí)際的控制量。常用的清晰化有種最大隸屬度法、加權(quán)平均法、重心法，一下對(duì)這幾種方法簡(jiǎn)要介紹。第一種方法最大隸屬度法，在模糊推理的結(jié)論中，選取其隸屬度最大的元素作為精確控制量的方法稱為最大隸屬度法。例如，設(shè)輸出的模糊集合是B1=0.1/-3+0.3/-2+1.0/-1+0.8/0+0.4/l+0.1/2那么，相應(yīng)的控制量是-1，因?yàn)樵擖c(diǎn)所對(duì)應(yīng)的隸屬度最大。最大隸屬度法具有簡(jiǎn)單、方便、涉及的信息量少和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但是這種方法不考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀和分布以及隸屬度小的其它元素，因此會(huì)丟失很多信息，在一些控制要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用較多。第二種方法加權(quán)平均法，加權(quán)平均法也稱

60、面積中心法，其控制量的精確值u，由下式給出式中B(u)是模糊推理得出的輸出量隸屬函數(shù)。對(duì)離散論語(yǔ)，有式中B(uj)表示輸出量模糊集合B中第j 個(gè)元素uj所對(duì)應(yīng)的隸屬度，反映該元素在輸出中所占的權(quán)重。權(quán)系數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況選取，加權(quán)平均法是應(yīng)用最廣泛的一種去模糊化的方法。第三種方法重心法，重心法也稱力矩法，是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的中心作為模糊推理的最終輸出值，其本質(zhì)是加權(quán)平均法。權(quán)值為推理結(jié)論模糊集合中各元素的隸屬度。它涵蓋和利用了模糊集合的所有信息，并根據(jù)隸屬度的不同而有所側(cè)重，但計(jì)算復(fù)雜，主要用于理論推導(dǎo)和實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的場(chǎng)合。模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程模糊控制器的設(shè)計(jì)大致包括以下幾個(gè)方面