/1緒論直流電動機經(jīng)常被當做限制元件來運用，離生活越來越近。PID限制法是限制直流電機常用的方法。在有些狀況下，限制器都是在對象有精確數(shù)學模型的基礎上建立起來的[1]。如今探討的限制系統(tǒng)中將會經(jīng)常涉及到多變量、非線性、時變的系統(tǒng)，在這種狀況下，要建立數(shù)學模型也是特殊困難的，或者根本不能建立模型。傳統(tǒng)的限制理論迎來了新的挑戰(zhàn)。一種可以處理語言信息實力的模糊限制理論的提出克服了上面的問題。在模糊限制理論的基礎上設計出了模糊限制器，而且它能夠仿照操作員工的手動限制。這種模糊限制器對已知受控對象的數(shù)學模型無明確的要求，但需留意：模糊限制器對已知被控對象的數(shù)學模型無明確的要求，并不是在對受控對象無了解的狀況下提出的[2]。恰恰相反，它照舊須要對受控對象有確定的了解，只不過它們是以學問的模型的形式而并不是用數(shù)學模型表達的。所以，在直流電動機中應用模糊限制對現(xiàn)代生活有著重大的意義，也是一個里程碑。2前言隨著時代的發(fā)展，溝通和直流調(diào)速不斷沖擊著，但是我國在這個直流調(diào)速領域中的探討不斷深化，專家們研制出了全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)[3]。這個調(diào)速系統(tǒng)有著較高的精度，而且很好用。直流調(diào)速系統(tǒng)有穩(wěn)速、調(diào)速和加減速這個三種限制要求。在目前的限制過程中，對于調(diào)速和加減速已經(jīng)得到了良好的實現(xiàn)，但是在生產(chǎn)過程中穩(wěn)速的效果不是很志向。穩(wěn)速須要的是電機在確定的精度以所規(guī)定的的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，在某些干擾下，轉(zhuǎn)速波動也不會有大的變更。在某些狀況下，受控對象和負載參數(shù)的變更很快，使得PID調(diào)整器沒方法剛好適應，因此穩(wěn)速的要求很難達到標準。直流電動機本身是一個非線性的被限制對象，有許多的間隙性和彈性的擾動存在，假如有許多的變更量，PID調(diào)整器將無法顧及。以致最終的設計結果不能達到設計時所需的要求，將會得到魯棒性較差的限制系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中常規(guī)的PID經(jīng)常不能有效地克服負載、非線性因素和模型參數(shù)的變更因而無法達到高精度和快響應的要求。所以在生產(chǎn)過程中這種限制器很難滿足生產(chǎn)要求。模糊限制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應性強，通過和PID調(diào)整器的結合，組成模糊PID的限制方案能有效地克服常規(guī)數(shù)字直流電動機調(diào)速裝置的缺點，進而設計出能在各種狀況下，均可以使得直流電動機能達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求。3模糊限制系統(tǒng)概述隨著科學技術的不斷發(fā)展，專家對模糊限制理論的探討越來越深化。專家為了滿足生產(chǎn)過程的須要，設計出了模糊限制系統(tǒng)。下面介紹模糊限制系統(tǒng)。3.1模糊限制系統(tǒng)組成模糊限制系統(tǒng)的結構如圖3.1所示。模糊模糊限制器D/A執(zhí)行機構被控對象A/D傳感器給定值r+_圖3.1模糊限制系統(tǒng)結構圖它由組成模糊限制器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機構、被控對象、傳感器組成。3.2模糊限制系統(tǒng)的工作原理模糊限制系統(tǒng)的工作原理結構圖如圖3.2所示。d/dtd/dt模糊化模糊推理去模糊D/A執(zhí)行機構被控對象A/D傳感器限制規(guī)則給定值r+—y圖3.2模糊限制系統(tǒng)的工作原理圖模糊限制系統(tǒng)組成部分為模糊限制器。輸入量模糊化、模糊推理和去模糊化是它的三個主要的組成部分。模糊限制詳細過程可以分為以下六個步驟：(1)求系統(tǒng)給定值和反饋值之間的誤差。計算機通過采樣，把所得到系統(tǒng)被控量的精確值和給定值進行比較記錄兩者之間的差值。(2)計算在一個A/D采樣周期內(nèi)的誤差變更率。(3)輸入量的模糊化。前面兩個計算的結果中，兩個都是精確值，在接下來的過程中，把這兩個量模糊化，使其變?yōu)槟：浚堰@兩個語言變量的值變成在適當論域上的模糊子集。(4)限制規(guī)則。是整個模糊限制器最為關鍵的一部分，體現(xiàn)了現(xiàn)場操作人員的多年的操作閱歷和專業(yè)人員的學問。(5)模糊推理。輸入量為模糊化之后的語言變量，，再依據(jù)總的限制規(guī)則，進行模糊推理得到模糊限制量。(6)模糊判決。由上述產(chǎn)生的限制量通過計算得出精確的輸出量，并依據(jù)精確量執(zhí)行。3.3模糊限制器的一般設計步驟如上所述，直流電機的模糊限制系統(tǒng)的核心器件是模糊限制器。其工作過程如下：第一步是將給定的轉(zhuǎn)速和實際的轉(zhuǎn)速兩者相減之后得到的值作為模糊限制器的輸入量。其次步是通過模糊算法把第一步的精確值轉(zhuǎn)化為模糊量，然后送至模糊邏輯決策器運用，并把限制系統(tǒng)中的模糊關系依據(jù)要求確定下來，隨后依據(jù)的算法算出它的輸出量。第三步把這個模糊值去模糊化，變成精確值，便利執(zhí)行機構的執(zhí)行。所以，在完整的系統(tǒng)限制過程中，這三個步驟可簡稱為：模糊化過程、模糊邏輯推理和精確化計算[4]。其詳細步驟如下：(1)模糊化過程：把輸入的精確值轉(zhuǎn)化為模糊值，即將數(shù)字量的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)化為相應的模糊子集，這個過程通過隸屬度函數(shù)實現(xiàn)。對于任一個實際輸入量，至少有一個模糊子集的隸屬度函數(shù)大于0，所以每個實際輸入量都必有一個模糊子集和之對應。(2)模糊推理：依據(jù)在操作限制系統(tǒng)前制定的模糊條件，組成所需的模糊限制規(guī)則。最終用這個規(guī)則計算所需的模糊輸出量。(3)精確化計算：經(jīng)過模糊推理就可以計算出一個模糊集合。精確化過程包含兩方面。第一個方面將模糊的限制量通過清晰化的變換，最終在論域上表示出來。其次方面是將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)過尺度的變換，變成實際的限制量范圍的清晰量。在精確化計算的過程中，常用的方法有最大隸屬度函數(shù)法、重心法這兩種。4直流電機的PID限制及其仿真直在某些狀況下，受控對象和負載參數(shù)的變更很快，使得PID調(diào)整器沒方法剛好適應，因此穩(wěn)速的要求很難達到標準。直流電動機本身是一個非線性的被限制對象，有許多的間隙性和彈性的擾動存在，假如有許多的變更量，PID調(diào)整器將無法顧及。以致最終的設計結果不能達到設計時所需的要求，將會得到魯棒性較差的限制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中這種限制器很難滿足生產(chǎn)要求。而模糊限制對被控對象的模型沒有明確的要求，而且它的適應性強，通過和PID調(diào)整器想結合，可使直流電動機能達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度的要求[5]4.1直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結構及分析直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結構原理圖，如圖4.1所示。圖4.1直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結構原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)有著很廣泛的應用，它的結構圖也是眾所周知。它有一個負反饋的電流環(huán)，稱為內(nèi)環(huán)；還有個轉(zhuǎn)速環(huán)也是負反饋，稱為外環(huán)。這兩個環(huán)組成了電流調(diào)整器(ACR)和轉(zhuǎn)速調(diào)整器(ASR)，它們通過串聯(lián)而形成了整個調(diào)速系統(tǒng)。如圖4.1所示。圖中的E是電樞反電動勢，它是在勵磁作用下形成的。轉(zhuǎn)速調(diào)整器的輸出的結果進而轉(zhuǎn)化為電流調(diào)整器的輸入。然后在利用電流調(diào)整器的輸出值去激發(fā)晶閘管的觸發(fā)裝置。最終經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)整器的限幅裝置和反饋通道的增益，使得電動機在最短的時間達到啟動和停止的要求。4.2直流調(diào)速系統(tǒng)的PID仿真及分析直流電動機的主要參數(shù)如下：電動機：額定電壓Unom=220V，額定電流Inom=136A，額定轉(zhuǎn)速nnom=1460r/min，電勢常數(shù)Ce=0.132*min/r。允許的過載倍數(shù)為1.5。晶閘管裝置的放大系數(shù)Ks=40。電樞回路總電阻R=0.5Ω。電磁時間常數(shù)：Ti=0.03s。機電時間常數(shù)：Tm=0.18s。電流的反饋系數(shù)β=0.05V/A。轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)α=0.007V*min/r。要求設計時電流調(diào)整器時電流超調(diào)量小于或等于5％，設計轉(zhuǎn)速調(diào)整器時轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于或等于10％.(1)電流調(diào)整器的設計依據(jù)超調(diào)量可得Ki=1.013，Ti=0.03所以(2)轉(zhuǎn)速調(diào)整器的設計,依據(jù)超調(diào)量可得Kn=11.7，Tn=0.087，所以(3)=7.58，=2.78Matlab仿真軟件下建立的傳統(tǒng)PID限制的仿真如圖4.2所示。圖4.2傳統(tǒng)的PID限制仿真當給定電壓Un=10V，steptime=0s，加載負載電流=0A時，即為空載的狀況下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變更曲線如圖4.3所示。圖4.3傳統(tǒng)直流電機空載時的仿真曲線圖當給定電壓Un=10V，steptime=0s,當轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定后，在2s時加入額定負載電流為，接近額定負載時系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變更曲線如圖4.4所示圖4.4直流電機PID限制負載下的曲線仿真圖5直流電機模糊限制及其仿真模糊限制是新的一種限制方式，在直流電機中有著很重要的作用，下面詳細的介紹下直流電機的模糊限制系統(tǒng)。5.1模糊限制器的編輯直流電機的模糊限制系統(tǒng)詳細工作步驟如下：依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求給定一個額定的轉(zhuǎn)速值，然后測量真實的轉(zhuǎn)速，得到兩者之間的轉(zhuǎn)速差。繼而經(jīng)過模糊化變?yōu)槟：兞浚?jīng)過模糊推理，最終去模糊化得到真正地精確量。直流電機調(diào)速模糊限制系統(tǒng)的核心是模糊限制器，所以本論文的重點就是模糊限制器的設計。本次仿真是接受MATLAB中模糊推理系統(tǒng)工具箱來編輯模糊限制器，下面簡述編輯的過程：(1)模糊集合的編輯和運算。(2)確定個輸入出變更量的變更范圍及量化因子。(3)模糊規(guī)則編輯。(4)模糊推理。(5)輸出預覽。5.2直流調(diào)速系統(tǒng)中模糊限制器的設計依據(jù)一般步驟對模糊限制直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行設計：(1)在設計的時候，依據(jù)須要限制的對象確定該用什么結構的模糊限制器。(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)確定模糊限制規(guī)則。(4)模糊關系和模糊矩陣。5.3模糊限制器的選擇模糊限制器有許多種模型，如圖5.1所示，本文接受的是二維的模糊限制器，它包含了兩個輸入量和一個輸出量。在實際的限制系統(tǒng)中，兩個輸入量一般為系統(tǒng)偏差和偏差的變更率。由于二維模糊限制器同時考慮了偏差和偏差的變更的影響，所以它的性能優(yōu)于一維的模糊限制器。這也是二維的模糊限制器比較常用的緣由。圖5.1模糊限制器模型5.4模糊限制的MATLAB仿真及其分析MATLAB模糊邏輯工具箱是數(shù)字計算機環(huán)境下的函數(shù)集成體。它的功能無奇不有，本次運用的是MATLAB的仿真功能。它里面有模糊邏輯系統(tǒng)的叮囑行和圖形用戶界(GUI)面兩種仿真方式，本次運用的是GUI這種方式。它可以直觀、簡潔的設計仿真和分析模糊限制器[6]。下面為編輯模糊限制器的步驟，編輯過程如下。圖5.2輸入輸出量設置對于誤差e，論域是離散的，其論域取{-10，+10}，設置7個隸屬度函數(shù)，分別為NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，即隸屬函數(shù)有7條，隸屬形態(tài)為三角形(trimf)。如圖5.3所示。圖5.3e的隸屬度函數(shù)編輯圖對于變更率ec，論域是離散的，其論域取{0，1}，設置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，隸屬形態(tài)為三角形(trimf)。如圖5.4所示。圖5.4ec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，隸屬形態(tài)為三角形(trimf)。如圖5.5所示。圖5.5u的隸屬度函數(shù)編輯圖點擊Edit菜單中的Rules選項打開模糊限制編輯器(Ruleedit)，將須要建立的模糊限制規(guī)則表添加到規(guī)則庫中。其模糊限制規(guī)則見表5.1。表5.1模糊限制規(guī)則表ueNBNMNSOPSPMPBecNBPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMONSNSOPMPMPSONSNMNMPSPSPSONMNMNMNMPBOONMNBNBNBNB規(guī)則編輯結果如圖5.6所示。圖5.6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)則視察器如圖5.7所示，視察模糊推理系統(tǒng)的輸入，輸出狀況，為點擊View菜單中的Surfview選項可以打開模糊推理輸入輸出特性曲面如圖5.8所示，以圖形形式顯示模糊系統(tǒng)的輸入，輸出狀況。最終運用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)(toworkspace)，取名為mhkz.fis。圖5.7模糊規(guī)則視察器圖圖5.8輸出特性曲面圖建立上述模糊限制器之后，依據(jù)下圖5.9建立模糊限制系統(tǒng)的仿真，本次設計系統(tǒng)接受的是二維的模糊限制器結構，在這個模糊限制器的設計過程中，還要合理的選擇模糊限制器輸入變量Ke、Kc，輸出限制量的系數(shù)Ku。Ke、Kc、Ku的計算方法如下：Ke=（5.1）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=（5.2）m為誤差變更率變量模糊子集的最大值，為誤差變更率論域的幅值，由于模糊論域的取值為非對稱的，在取值時為模糊限制的變更范圍。通過計算得Kc=0.001。Ku=（5.3）u為限制量論域的幅值，b為限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在取值時為模糊限制的變更范圍。通過計算得Ku=2。模糊限制系統(tǒng)仿真如圖5.9所示。圖5.9模糊限制系統(tǒng)仿真圖其中step1負載的參數(shù)設置，如圖5.10所示。圖5.10step的參數(shù)設置圖建成仿真模型之后雙擊FuzzyLogicController選擇LookUnderMask，輸入mhkz建立聯(lián)系。當成功建立聯(lián)系后，中間會顯示FIS，如圖5.11所示。圖5.11FIS和Simulink的連接運行仿真程序，得到的仿真曲線如圖5.12所示。圖5.12直流電機模糊限制系統(tǒng)仿真曲線圖通過圖4.4和圖5.12兩次試驗可以發(fā)覺，接受傳統(tǒng)PID限制得到的輸出波形在快速響應方面做得較好，能較快的達到穩(wěn)態(tài)值。但是從圖中可以很明顯的看到它的超調(diào)量超出了許多，這個PID限制的效果并不是很志向。從圖5.12中的輸出波形可以看出系統(tǒng)在0