【正文】 m remains parison. MATLAB language for both dc speed control system is simulated analysis. Simulation results show that the method of fuzzy control is obtained with the speed regulator than traditional engineering setting method of the parameters obtained from the control performance is good, fast response time is short, the transition process, and basic without overshoot. Keywords: DC two— loop speed— regulation,fuzzy control,simulation 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 直流調(diào)速系統(tǒng)及其發(fā)展 直流調(diào)速是指人為 的 或自動(dòng) 的 改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,以滿(mǎn)足工作機(jī)械的要求。 直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大， 易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)， 其調(diào)速控制系統(tǒng)歷來(lái)在工業(yè)控制中占有極 其重要的地位。 在調(diào)速性能要求高或要求大轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)所，直流電動(dòng)機(jī)仍然被廣泛采用，直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉調(diào)速系統(tǒng)。 (2)交流化 隨著交流調(diào)速系統(tǒng)成本的逐步降低，不僅現(xiàn)有的直流調(diào)速系統(tǒng)將被交流調(diào)速所取代，而且大量的原來(lái)恒速運(yùn)行的交流傳動(dòng)系統(tǒng)將改為交流調(diào)速系統(tǒng)，原來(lái)直流調(diào)速所不能達(dá)到的高轉(zhuǎn)速，大功率領(lǐng)域，也 將采用交流調(diào)速系統(tǒng)。借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制如模糊控制 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自藕控制等深入運(yùn)用到 控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，各種觀測(cè)器和辯識(shí)技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，大大改善了控制系統(tǒng)的性能。人們期 望探索出太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 一種簡(jiǎn)便靈活的描述手段和處理方法，并進(jìn)行了種種嘗試。如能模擬人的思維方法，把自然語(yǔ)言植入計(jì)算機(jī)內(nèi)核，使計(jì)算機(jī)具有活性和智能。模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于諸如在測(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、一些復(fù)雜可變的被控對(duì)象等場(chǎng)合是非常合適的。在傳統(tǒng)控制器中， 參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是 根據(jù) 對(duì)一組微分方程描述的過(guò)程模型的狀態(tài)分析和 綜合 來(lái)進(jìn)行的，而模糊控制器參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是從過(guò)程函數(shù)的 邏輯 模型產(chǎn)生的規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。通常模糊控制規(guī)則是通過(guò)將人的操作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為模糊語(yǔ)言 形式獲取的，因此帶有相當(dāng)?shù)闹饔^性。模糊集 合 理論無(wú)法得到廣大學(xué)者的認(rèn)同，尤其是得到權(quán)威學(xué)者的認(rèn)可。二是認(rèn)為模糊 邏輯 實(shí)際上是改頭換面的概率理論。在歐洲，對(duì)模糊理論的研究著重在模糊控制上。模糊控制理論的應(yīng)用研究在 70年代的歐洲取得了一些成功，推動(dòng)了模糊控制理論的研究，同時(shí)模糊控制理論也不斷地得到人們的認(rèn)識(shí)和重視。近十年來(lái)模糊控制發(fā)展相當(dāng)迅速。八十年代中期，國(guó)際上已將其公認(rèn)為 “ 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ” 。 本設(shè)計(jì)將使用 MATLAB 對(duì)設(shè)計(jì)成型的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以進(jìn)一步了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能 。與傳統(tǒng)控制理論相比，模糊控制有二大優(yōu)點(diǎn)。第二 ， 模糊控制可以不需按被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)較好的控制 ， 因?yàn)楸豢刂茖?duì)象的動(dòng)態(tài)特性已隱含在模糊控制器輸入，輸出模糊集及模糊規(guī)則中。 圖 常用 Fuzzy控制器結(jié)構(gòu)框圖 由 FUZZY控制器結(jié)構(gòu)框圖可以看見(jiàn)它有三個(gè)重要功能 1)把系統(tǒng)的偏差從數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模糊量 。 3)把推理結(jié)果的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)接受的精確數(shù)字量或模擬量 (精確化接口 )。模糊化就是通過(guò)傳感器把受控對(duì)象的相關(guān)物理量轉(zhuǎn)換成電量，若傳感器的輸出量是連續(xù)的模擬量，還要通過(guò) A／ D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量作為計(jì)算機(jī)的輸入測(cè)量值，接著將此輸入測(cè)量值作標(biāo)準(zhǔn)化處理，即把其變化范圍映射到相應(yīng)論域中，再將論域中的該輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)語(yǔ)言變 量的術(shù)語(yǔ)，并構(gòu)成模糊集合，這樣就把輸入的精確量轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊變量的值。 第二步：模糊邏輯推理。 第三步：精確化計(jì)算。 模糊 控制在實(shí)際中的適用性 如用模糊控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制解決問(wèn)題，有二個(gè)選擇標(biāo)準(zhǔn)，第一個(gè)是被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型未知，但是它有較強(qiáng)的非線(xiàn)性系統(tǒng)或非線(xiàn)性帶時(shí)限系統(tǒng)，第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng) PID控制不能取得令人滿(mǎn)意的控制效果。 PID控制器只有三個(gè)控制參數(shù)可調(diào)，在許多場(chǎng)合下 PI控制或 PD控制已能達(dá)到預(yù)定控制效果。 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法 確定模糊控制器的輸入變量，輸出變量 (控制量 ) 模糊控制器的維數(shù)越高，控制就越精細(xì)，但維數(shù)過(guò)高，模糊控制規(guī)則會(huì)很復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難，通常采用二維模糊控制器。偏差 對(duì)應(yīng)的詞集分為 8個(gè)檔級(jí)，形成 8個(gè)子集來(lái)反映偏差大小，分別是 NL、 PL、 NM、 PM、NS、 PS、 NU、 PV，偏差變化率 e= ed ／ td 的語(yǔ)言變量 E分為 7個(gè)檔級(jí)，來(lái)反映偏差變化率的大小、分別是 NL、 PL、 NM、 PM、 NS、 PS、 O， 輸入變量 U分成 7個(gè)檔級(jí)，分別是： NL、 PL、NM、 PM、 NS、 PS、 O。 (3)建 立模糊控制器的控制規(guī) 則是基于手動(dòng)控制策略 的， 利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的概念，可以把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制微略上升為數(shù)值運(yùn)算，于是可以采用計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制，利用語(yǔ)言歸納手動(dòng)控制策略的太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 過(guò)程，就是建立模糊控制器的控制規(guī)則的過(guò)程。 (2)模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換方法 模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊量，這個(gè)模糊量不能直接控制被控對(duì)象，需將它轉(zhuǎn)換為一個(gè)精確量，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程稱(chēng)為清晰化也稱(chēng)判決， 判決方法有 3種 : a)最大隸屬度法。 b)取中位數(shù)法 選取模糊子集的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)和橫坐標(biāo)所圍成區(qū)域的面積平分為二部分的數(shù)作為判決的效果。應(yīng)用模 糊集合區(qū)把這些規(guī)則寫(xiě)成一串模糊條件語(yǔ)句，就可構(gòu)成模糊模型，再 根據(jù)控制規(guī)則表可寫(xiě)出模糊條件語(yǔ)句。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 3 章 直流調(diào)速系統(tǒng)的原理 方案定論 方案比較 方案一：?jiǎn)伍]環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 方案一原理框圖 方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 該方案主要由給定環(huán)節(jié)、 ASR、 ACR、 觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱(chēng)為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖 方案二原理框圖 在電路中， ASR 和 ACR 串聯(lián)，即把 ASR 的輸出當(dāng)做 ACR 的輸入，再由 ACR 得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 該方案的原理框圖如圖 所示。因此 ,除非主電路電感 L = ∞,否則晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總會(huì)帶來(lái)各種影響 ,主要有 :(1) 脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ,對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利 。并且 晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外 ,還含 有交流分量。 方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方 法，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝 要求的滿(mǎn)足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 方案選擇 ，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。 為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 直流 調(diào)速系統(tǒng)的原理 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動(dòng)機(jī) (V— M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類(lèi)型，各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2） 減弱勵(lì)磁磁通 ? ； （ 3） 改變電樞回路電阻 R 。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類(lèi)典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)?？箶_動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響。具體是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，在一條機(jī)械特性線(xiàn)上，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載由理想空 載增加到額定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 33） 顯然，機(jī)械特性硬度越大，機(jī)械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。兩條 相互平行的直線(xiàn)性機(jī)械特性的靜差率是不同的。這表明平行機(jī)械特性低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性就越差。 由圖 可見(jiàn)，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果能滿(mǎn)足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿(mǎn)足。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。任何調(diào)速系統(tǒng)都 可以得到極高的調(diào)速范圍；反過(guò)來(lái)，脫離了調(diào)速范圍，要滿(mǎn)足給定的靜差率也就容易得多了。自太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一 樣。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 ()tC 與其穩(wěn)態(tài)值 C? 的偏差越小越好，達(dá)到C? 的時(shí)間越快越好。 圖 典型的階躍響應(yīng)過(guò)程和跟隨性能指標(biāo) (b）超調(diào)量 ? ﹪ 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： %100% m a x ?????c cc? （ 34） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。 (c）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱(chēng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。對(duì)于線(xiàn)性控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論上太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線(xiàn)性等因素并不是這樣。 2) 抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見(jiàn)圖 。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 ? ?212 , ??? ? ccc 是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱(chēng)作動(dòng)態(tài)降落 maxn? ﹪ 。 實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過(guò)程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理 : 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段 ,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 (電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào) ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào) ,直流電壓迅速上升 ,電流也 隨即增大直到等于最大給定值 , 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 , 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零 ,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽 和 狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開(kāi)始起作用 。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速 調(diào)節(jié) ,可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí) ,迅速使電流恢復(fù)到原來(lái)值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 所示。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。 圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 原理圖 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 其中： ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) TA電流互感器 UPE電力電子變換器 nU? 轉(zhuǎn)速給定電壓 Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 iU? 電流給定電壓 iU 電流反饋電壓 。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話(huà)說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 (1)．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)