【正文】 traditional PID controller and fuzzy control theory based, doubleloop DC speed control system for the control of the object, and then use Matlab 2020b simulation software for doubleloop DC speed control system of fuzzy control simulation, and analysis of simulation results Fuzzy Control doubleloop DC speed than conventional PI control system doubleloop DC speed control system advantage. The background paper on the subject and control theory first made a simple explanation, and then introduces the onedimensional fuzzy control doubleloop DC speed control system simulation model and twodimensional fuzzy control doubleloop motor control system simulation model to build, including build their submodels, especially FIS editor of fuzzy systems, running and so on. Finally。 Keywords: Matlab 2020b； fuzzy controller； FIS Editor 第 2頁（共 32頁） 一、緒論 課題背景 作為電能與機械能之間的能量變換機構，電力傳動裝置在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備與民用生活設施中的應用越來越廣泛。隨著這些裝備自動化、智能化的發(fā)展，對電力傳動機構自動調速功能的要求越來越高。根據(jù)拖動源（電動機）的不同，自動調速系統(tǒng)一般分為直流電動機調速系統(tǒng)和交流電動機調速系統(tǒng)兩大類。由于交流電機具有結構簡單等許多優(yōu)點，但其動態(tài)數(shù)學模型復雜，控制難度大，雖然隨著一些先進交流控制技術的發(fā)展使交流調速的性能逐步提高，但目前還不能達到直流調速的性能，而直流電動機的數(shù)學模型簡單，控制電樞電壓即代表控制轉矩，從而具有優(yōu)良的調速性能，到 目前為止仍然是調速系統(tǒng)的重要形式，至今在高級數(shù)控機床、地鐵電力牽引機車等需要高調速性能的拖動領域仍有非常廣泛的應用。 由于單閉環(huán)直流系統(tǒng)不能充分按照理想要求控制電動機的電磁轉矩，因而不能實現(xiàn)允許的最大加速度下快速升速、制動等應用要求，而對于可逆軋鋼機等需要頻繁正反轉工作的調速系統(tǒng)，減少起制動時間是提高生產(chǎn)效率的重要保障之一。為了實現(xiàn)恒流升速，常在轉速環(huán)內添加電流環(huán)構成雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的一個缺點是起動轉速超調，解決的一個方法是給系統(tǒng)加轉速微分負反饋。轉速給定與轉速負反饋的偏差經(jīng)過速度調節(jié)器生成內 環(huán)電流指令。內環(huán)電流指令與反饋電流構成內環(huán)，電流偏差信號作為晶閘管脈沖觸發(fā)生成裝置的輸入信號，后與開環(huán)電路相同。 傳統(tǒng)的控制理論都建立在被控對象精確模型 (傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程 )的基礎上，而對一些復雜 的 系統(tǒng)，建立其數(shù)學模型是 非常 困難的，有時甚至是不可能的，也就無法用系統(tǒng)控制方法實現(xiàn)自動控制，但由人工控制卻做的比較好。模糊控制正是總結 了 操作人員的經(jīng)驗并形成語言規(guī)則， 然后 運用模糊集合論模擬操作人員的操作和決策，從而實現(xiàn)自動控制 的。 課題完成的主要工作 在分析直流拖動系統(tǒng)的控制原理和方法的基礎上，完成 了 一個雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)控制器模糊控制仿真 及結果分析 。 第 3頁（共 32頁） 1） 對給定的系統(tǒng)，在分析模糊控制原理的基礎上，進行基于模糊控制的速度調節(jié)器算法設計：其中包括控制參數(shù)的確定、控制器輸入量的模糊化與去模糊化、模糊控制規(guī)則、總體調節(jié)流程設計等。 2)主要對一維 模糊控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型和二維模糊控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型的建立過程進行了詳細說明。 3)進行仿真，并對結果進行了簡要分析。 二、 課題相關 的基本理論 由 比例、積分、微分控制 構成的控制器主要有 PI 控制器、 PD 控制器、 PID控制器 ，他們統(tǒng)稱 PID 控制器。 PID 控制器具有 結構簡單、穩(wěn)定 可靠 等優(yōu)點，因而 成為工業(yè)控制的主要技術之一 ，在實際的工程應用中應用的非常廣泛 。 在具體應用中，一般可采用工程整定法來確定和設計 PID 控制器的具體結構和參數(shù)。但當 不能得到精確的控制 對象的 模型或系統(tǒng) 參數(shù) 的情況下 ， PID 控制器的 具體結構和參數(shù) 往往需要 依靠經(jīng)驗和 實地 調試來確定。 模糊控制 （ 1）模糊集合論 1965 年，美國加州大學的教授 在其發(fā)表的著名論文《 Fuzzy Sets》中 第一個 提出用“隸屬函數(shù)”來定量描述模糊集合理論， 因此 奠定了模糊數(shù)學的基礎。 模糊集合論自提出以來，發(fā)展十分 快 速，并 且 在許多領域中 都有 廣泛應用。最早 獲 得應用成果的是英國的 教授，他 在 1974 年 第一 次將模糊邏輯應用到蒸汽發(fā)動機的壓力和速度控制中， 并獲 得了比常規(guī) PID 控制更 加 好的結果，開創(chuàng)了模糊控制理論在工程應用上的先河。 1980 年英國的 也 成功地將模糊控制理論應用到水泥窯的自動控制中，為模糊理論的實際應用開辟了嶄新的 道路 。從此以后，模糊集合論得到了迅速發(fā)展。 第 4頁（共 32頁） （ 2）模糊控制的基本理論 模糊控制 是一種先進的非線性智能控制方法， 它提供了一條 將人的控制經(jīng)驗以 及推理過程 融入 自動控制 的 便捷途徑。模糊控制 以模糊數(shù)學為基礎理論 ,用比較簡單的 推理規(guī)則 將人的判斷、 推理與決策過程等經(jīng)驗知識直接 表達出來 ,非常適合于難以獲得精確數(shù)學模型的控制對象的控制 ,在 自動控制領域 ,特別是一些非線性的時變系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。實現(xiàn)一個優(yōu)秀模糊控制器的關鍵是建立能真實反映控制對象的響應特性的模糊控制規(guī)則表，而這往往需要扎實的技術知識和實踐經(jīng)驗為基礎。 （ 3）模糊控制系統(tǒng)基本結構 模糊控制系統(tǒng)如圖 ，主要由模糊控制器和被控對象組成，其中模糊控制器是其核心部分。模糊控制算法的實現(xiàn)可以概括為以下 4個步驟： 1）根據(jù)當前采樣，得到 e和 ec，并將其作為模糊控制器輸入； 2）將輸入變量 e 和 ec的精確值變?yōu)槟：?E和 EC。 3）根據(jù)輸入量 E和 EC 及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成計算出控制量 U(模糊量 )。 4）將控制量 U反模糊化得到精確的控制量 u。 圖 模糊控制系統(tǒng)基本結構 第 5頁（共 32頁） （ 4）模糊控制器的組成 模糊控制器主要由以下 4 部分組成。 1）精確量的模糊化 這部分的作用是將輸入的精確量轉換為模糊量。根據(jù)精確量實際變化范圍[a,b],合理選擇模糊變量的論域為 [n,n],通過量化因子 k=2n/(ba),將其轉換成若干等級的離散論域， 比 如 7個等級為 {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大 }，簡寫為 {NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。利用知識庫中確定的模糊子集隸屬函數(shù)（常用的有三角形、梯形、鐘形、 S形、 Z 形等），得到精確輸入量的模糊量， 然后 用相應的模糊集合表示。 2）知識庫 知識庫通常由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分組成。 3)模糊推理 模糊推理是模糊控制器的核心，是采用模糊邏輯由給定的輸入模糊量到輸出模糊量的映射過程?？紤]如圖 1所示的模糊控制器，設模糊規(guī)則庫由如下 n 條規(guī)則組成。 Ri： if E is Ai and EC is Bi then U is Ci, i=1,2,， n 式中， E和 EC 為輸入語言變量， U 為輸出語言變量； Ai、 Bi和 Ci 分別是 E、EC和 U 在其論域上的語言變量值（即模糊集合）。 4）輸出量的反模糊化 由以上模糊推理得到的模糊量 U=C’ ，要將其用于實際控制中，必須先將其轉換成清晰量，這個過程即為輸出量的反模糊化。常見 的反模糊方法有最大隸屬度法、區(qū)域重心法、區(qū)域二分法等。 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) （ 1） 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成 如圖 所示 ，雙環(huán)系統(tǒng) 中設置 了 兩個調節(jié)器， 即轉速調節(jié)器（ ASR）和電流調節(jié)器（ ACR），它們 分別 處于系統(tǒng)的轉速環(huán)（外環(huán)，主環(huán)）和電流環(huán)（內環(huán)，副環(huán)）內，以實現(xiàn)對 轉速和電流 的調節(jié) 。 ASR 的輸出 作為 ACR 的輸入， 然后 再用 第 6頁（共 32頁） ACR 的輸出去控制電力電子變換 裝置 UPE。 兩個調節(jié)器一般都采用 PI 控制，穩(wěn)態(tài)時均能實現(xiàn)無靜差，并且都帶有限幅以限制電動機的最大電流。 圖 轉速、電流雙 閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖 （ 2）動靜態(tài)特點 調速系統(tǒng)的性能指標包括穩(wěn)態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標。 穩(wěn)態(tài)性能指標主要包括調速范圍（ D）和靜差率（ S），調速范圍定義為負載機械對電動機的最高轉速要求與最低轉速要求之比，靜差率被定義為負