【文章內(nèi)容簡介】 功率等物理量進行控制。 掠 模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種新的控制技術(shù)。模糊控制方式是一種非線性控制方式，對無法取得數(shù)學模型或數(shù)學模型相當粗糙的系統(tǒng)可以取得令人滿 意的控制效果。直流電動機轉(zhuǎn)速控制是一種非線性的時變的復(fù)雜過程，轉(zhuǎn)速直接影響著工件的機器質(zhì)量。本文討論了利用模糊控制技術(shù)設(shè)計的單片機模糊速度控制系統(tǒng)，實驗表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的 PID 速度控制系統(tǒng)精度高、速度快。 掠 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望 掠 由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一掠 掠 2掠 掠直占據(jù)壟斷地位。當然，近年來，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但 是就目前來看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此加強對直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展有利于更進一步發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng)，促進調(diào)速系統(tǒng)的進一步完善。 掠 在我國，模糊控制的理論研究水平相對較高，而應(yīng)用技術(shù)水平卻相對落后，特別是在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，普遍采用簡單的模糊控制方法查表法或公式法實現(xiàn)模糊 控制，雖然其控制精度不高，但簡單實用性很高。 本文推出一種通用的模糊控制器，其模糊控制用查表法實現(xiàn)，從而改善控制性能，只要根據(jù)對象給出系統(tǒng)輸入、輸出量的隸屬函數(shù)及控制規(guī)則，再加上少量的外圍電路就可構(gòu)成一個模糊控制系統(tǒng)。 掠 本文研究的主要內(nèi)容 掠 了解了直流電動機的重要意義，明確了模糊控制的發(fā)展現(xiàn)狀，知道了基于模糊控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展展望； 掠 對直流電機和模糊控制的工作原理做了簡單介紹。 掠 詳細研究基于模糊控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的可行性，并且具體分析調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點，軟硬 件的仿真驗證，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的明顯優(yōu)點。 掠 根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的功能，完成系統(tǒng)的軟件仿真和硬件設(shè)計，繪制電路圖，并最終完成實物系統(tǒng)； 掠 重點完成 matlab 系統(tǒng)級仿真，仿真出相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出。 掠 有效率的完成硬件選材和制作； 掠 對本次設(shè)計做總結(jié)，寫出設(shè)計的心得體會。 掠 掠 掠 掠 3掠 掠第二章 直流電機 掠 直流電機簡介 掠 將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)動裝置。電動機定子提供磁場，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。根據(jù)是否是否配置有常用的電刷 換向器可以將直流電動機分 為兩類，包括有刷直流電動機和無刷直流電動機。 掠 掠 圖 11 有刷直流電動 機 圖 12 無刷直流電動機 掠 無刷直流電機是近幾年來隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和高開關(guān)頻率低功耗新型電力電子器件的應(yīng)用，以及控制方法的優(yōu)化和 低成本、高磁能級的永磁材料的出現(xiàn)而發(fā)展起來的一種新型直流電動機。 掠 無刷直流電機既保持了傳統(tǒng)直流電機良好的調(diào)速性能又具有無滑動接觸和換向火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，因而在航空航天、數(shù)控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設(shè)備和家用電器等方面都獲得了廣泛應(yīng)用。 掠 按照供電方式的不同，無刷直流電機又可以分為兩類：方波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機；正弦波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。 掠 直流電機結(jié)構(gòu) 掠 直流電機的結(jié)構(gòu) 應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)掠 掠 4掠 掠軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。 掠 掠 （ 1）主磁極 掠 主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。 掠 鐵心一般用 ～ 厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組 的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上， 掠 （ 2）換向極 掠 換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。掠 （ 3）機座 掠 電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個： 掠 一、是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個 電機的支撐和固定作用；掠 二、是機座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。 掠 （ 4）電刷裝置 掠 電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。掠 掠 掠 5掠 掠 掠 （ 1） 電樞鐵心 掠 電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。 掠 一般電樞鐵心采用由 厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。 掠 （ 2）電樞繞組 掠 電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以 及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。 掠 （ 3）換向器 掠 在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。 掠 （ 4）轉(zhuǎn)軸 掠 轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。 掠 直流電機工作原理 掠 掠 掠 掠 6掠 掠 圖 13 直流電動機模型 掠 圖是一個最簡單的直流電動機模型。在一對靜止的磁極 N 和 S 之間，裝設(shè)一個可以繞 ZZ39。軸而轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵芯，在它上面裝有矩形的線圈 abcd。這個轉(zhuǎn)動的部分通常叫做電樞。線圈的兩端 a 和 d 分別接到叫做換向片的兩個 半圓形銅環(huán) 1 和 2 上。換向片 1 和 2 之間是彼此絕緣的，它們和電樞裝在同一根軸上，可隨電樞一起轉(zhuǎn)動。 A 和 B 是兩個固定不動的碳質(zhì)電刷，它們和換向片之間是滑動接觸的。來自直流電源的電流就是通過電刷和換向片流到電樞的線圈里。 掠 掠 圖 14 換向器在直流電機中的作用 掠 當電刷 A 和 B 分別與直流電源的 正極和負極接通時，電流從電刷 A 流入，而從電刷 B 流出。這時線圈中的電流方向是從 a 流向 b，再從 c 流向 d。我們知道，載流導體在磁場中要受到電磁力，其方向由左手定則來決定。當電樞在圖75（ a）所示的位置時，線圈 ab 邊的電流從 a 流向 b，用 +表示， cd 邊的電流從c 流向 d，用 ⊙ 表示。根據(jù)左手定則可以判斷出， ab 邊受力的方向是從右向左，而 cd 邊受力的方向是從左向右。這樣，在電樞上就產(chǎn)生了反時針方向的轉(zhuǎn)矩，因此電樞就將沿著反時針方向轉(zhuǎn)動起來。 掠 當電樞轉(zhuǎn)到使線圈的 ab 邊從 N 極下面進入 S 極，而 cd 邊從 S 極下面進入 N極時，與線 圈 a 端聯(lián)接的換向片 1 跟電刷 B 接觸，而與線圈 d 端聯(lián)接的換向片 2跟電刷 A 接觸，如圖 75（ b）所示。這樣，線圈內(nèi)的電流方向變?yōu)閺?d 流向 c，再從 b 流向 a，從而保持在 N 極下面的導體中的電流方向不變。因此轉(zhuǎn)矩的方向掠 掠 7掠 掠也不改變，電樞仍然按照原來的反時針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可以看出，換向片和電刷在直流電機中起著改換電樞線圈中電流方向的作用。 掠 掠 由直流電機的速度公式 n=(UaIaRa)/CaΦ,其中 n是電機轉(zhuǎn)速， Ua 是電 樞電壓， Ia 是電樞電流， Ra 是電樞回路總電阻， Ce 是電極常數(shù)， Φ是電機的勵磁 磁通。對于極對數(shù)是 p，匝數(shù)是 n，電樞支路數(shù)為 a 的電機來說 Ca 是常數(shù)。 掠 由上式可得，直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：調(diào)節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。其中勵磁控制方法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制方法。 掠 對電動機的驅(qū)動離不開半導體功率器件。在對直流電動機電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導體器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式 。 掠 線性放大驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾??；但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產(chǎn)生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只用于微小功率直流電動機的驅(qū)動。絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 掠 在 PWM 調(diào)速時，占空比 α是一個重要參數(shù)。以下 3 種方法都可以改變占空比的值。 掠 （ 1）定寬調(diào)頻法 這種方法是保持 t1 不變， 只改變 t2，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。 掠 （ 2）調(diào)頻調(diào)寬法 這種方法是保持 t2 不變，只改變 t1，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。 掠 （ 3）定頻調(diào)寬法 這種方法是使周期 T（或頻率）保持不變，而同時改變t1 和 t2。 掠 前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的掠 掠 8掠 掠頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法用得很少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 掠 掠 第三章 模糊控制概論 掠 利用模糊數(shù)學的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的 控制理論 對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些 控制問題。 掠 模糊控制理論 掠 所謂模糊控制，是指在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現(xiàn)與操作者相同的控制。其中 “模糊 ”是指知識、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過模糊語言描述的，但它所完成的卻是一項完全確定的工作。 為實現(xiàn)模糊控制，需要設(shè)計模糊控制器，以實現(xiàn)語言控制。 掠 模糊控制器結(jié)構(gòu)包括以下 3 個方面 ： 掠 （ 1）精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集； 掠 （ 2）模糊控制算法的設(shè)計，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制 規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系； 掠 （ 3）輸出信息的模糊判決，并完成模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換。 掠 模糊控制以模糊數(shù)學理論、模糊語言形式為理論基礎(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)則是直接從專家經(jīng)驗或現(xiàn)場操作者的經(jīng)驗中進行歸納、優(yōu)化得出來的，是一種蘊涵著人類智能、推理和決策的控制方式。經(jīng)典數(shù)學以特征函數(shù)討論問題，而模糊數(shù)學以隸屬函數(shù)討論問題。系統(tǒng)精確數(shù)學模型的建掠 掠 9掠 掠立，其實質(zhì)是應(yīng)用一定的數(shù)學處理手段，基于待辨識系統(tǒng)的大量測量數(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，并通過一定的數(shù)學表達式加 以描述。建立系統(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數(shù)據(jù)進行模糊化處理，轉(zhuǎn)化成通過隸屬度和模糊子集表達的模糊量，也就是說，將原通過精確量數(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)學模型），轉(zhuǎn)化成一種相應(yīng)的由條件語句 IF（輸入語言變量模糊子集）、 THEN（輸出語言變量模糊子集）表達的模糊關(guān)系，這便是系統(tǒng)的模糊模型。 掠