模糊PID控制在直流调速系统中的应用毕业设计

1、模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用摘 要： 本论文将 PID 控制和模糊控制相结合， 解决了直流调速系统中转 速响应速度慢的问题。 在论文中主要针对了电压对传统 PID 控制时双闭环直 流调速系统性能下降的问题 , 提出了模糊 PID 控制的方法。 这种控制方法主 要是根据根据调速系统的偏差 e和偏差变化率 ec, 经过模糊逻辑推理 , 然后 对直流电机系统进行调节控制后，系统的动态特性有明显的提高。论文主要 针对双闭环直流调速系统进行了仿真分析。 为了对直流电机的控制选择出更 好的控制方法，本设计中对转速环进行 PI 控制，由于在直流调速系统中转

2、 速环起主导作用，电流环只是调节电流，所以在设计中将转速环中的 PI 调 节器用模糊控制器代替， 在这两种情况下进行仿真实验。 虽然传统 PID 控制 结构简单，但是转速环 PI 控制的情况下，系统达到稳定状态的时间较长而 在转速环模糊控制的情况下 , 能使系统更快恢复到平衡状态 , 且具有更小 的转速降。因此 , 本控制方法能够保证系统具有较好的动态性能。 关键词 直流调速, PID 控制,模糊PID 控制,双闭环ABSTRACTThis paper combines PID control and fuzzy control,to solved DC speed-regulating sy

3、stem for speed in slow response problem. Thesis when main voltage to the traditional control in double closed-loop DC speed system performance issues, proposed fuzzy control method. This control method is based mainly on according to the deviation and deviation of rate of change of speed regulating

4、system, through fuzzy logic inference, then adjust the DC motor模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用systems control, dynamic characteristics of the systems has significantly improved. Thesis focused on double closed-loop DC speed-regulating system for the simulation. In order to select better control for DC motor co

5、ntrol method, designed to control the speed ring, because of the speed loop in DC speed regulating system play a leading role, current loop is regulating current, so design your speed controller using a fuzzy controller in place of the ring, in both cases conducted simulation experiments. While trad

6、itional control structure is simple, the speed control of cases, however, the system reaches a steady state for a long time, and in the case of speed-loop fuzzy control, can make your system faster return to equilibrium, and has a smaller rpm drop. Therefore, the control method to ensure the system

7、has good dynamic performance.Key words： DC speed governing Double closed loop PID control Fuzzy PID control目录模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用1 绪论 11.1 选题背景及目的 11.2 直流调速系统的发展过程 11.3 模糊控制的发展概况 21.4 本设计的主要内容 42 模糊控制的基本理论 42.1 模糊控制理论 42.2 模糊控制的核心部分模糊控制器 5将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值 72.3 模糊化的具体步骤 72.4 精确化的过程 82.5 逻辑推理 9

8、2.6 语言变量值的选取 103 双闭环直流调速系统的仿真 103.1 直流电机系统采用控制的主要原因 103.2 系统采用控制主要解决的问题 113.3 电机参数的选取和计算 123.4 搭建模型 123.5 双环的设计 123.6 双闭环直流调速系统的仿真结果 164 模糊 PID 在直流调速系统中的仿真 204.1 模糊 PID 控制器的设计 204.2 模糊规则表的建立 214.3 仿真模型的建立 224.4 仿真结果 244.5 小结 255 总结与展望 25参考文献 27致 谢 错 误！未定义书签。模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用1 绪论1.1 选题背景及目的直流电机是直流

9、电能和机械能相互转换的旋转电机。 它的主要特点是调 速范围广，易于平滑调速；起动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较 高等优点。因此，近几年来在各个领域中得到了广泛的应用。随着当今社会 科学技术的迅猛发展与提高，它的产品质量、性能、精度、功能以及功耗、 自动化程度等广泛受到世界的关注。 直流电机在结构方面的特点主要是结构 简单，线路容易检查，而且在设备出现问题是维护方便，运行可靠。现在直 流电机已经被广泛应用于各种调速驱动场合。 但是最主要是应用在工作环境 较差（温度较低或者比较潮湿的工作环境下） 、对控制器的价格、性能比要 求较高的场合。在工程实践中，正是由于直流电动机具有稳定的工作性能和

10、 良好的调速性，所以在当今的工业生产中得到了认可和广泛的应用，由于被 广泛应用，所以才会出现较多的问题，进而使直流电动机的控制成为了很多 专家学者研究的重点问题。 直流电动机的控制主要采用 PID控制技术。 其中 智能 PID 控制器和仪表已经非常多， 这些产品已经在工程实际设计中得到了 很广泛的应用， 市场上已经有了各种各样的 PID控制器产品， 其中 PID控制 器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。1.2 直流调速系统的发展过程 4直流调速系统从开环发展到闭环，从有静差发展到无静差，其中的关键 是由运算放大器等电子模拟电路所组成的调节器所起的作用。 它把转速定量 和

11、反馈量进行比较后对误差进行控制，使电动机的转速保持在某一恒定值模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用 上；直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的一门技术。在 20 世纪 60 年代，随着晶闸管的出现，电力电子技术和控制理论相结合结合促 进了电力传动控制技术研究和应用发展。尽管目前交流调速发展很迅速，交 流调速技术越来越成熟，交流电动机也有经济性和易维护等优点，使交流调 速广泛被应用。 但是直流电动机调速系统一直利用其良好的调速性能占领着 主市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制 的基本原理。 在科技日益发展成熟的今天直流调速装置和交流调速装置都是 数字化的，

12、它们各自使用的芯片和软件都有其特殊的优点，但基本控制原理 有其共性，本论文主要通过 MATLAB仿真研究证明直流调速的基本工作原理 和调速性能。1.3 模糊控制的发展概况1.3.1 模糊控制理论的产生及发展概况 6在 21 世纪随着科学技术的迅速发展，越来越多的工业发展对自动控制 系统的精度以及系统的稳定性、系统的自适应能力的要求也越来越高，在工 业发展的过程中，所研究的系统也变得更加的复杂。然而在很多情况下被控 对象的模型是很难建立，但是就算被控对象的模型能建立出来，也是高阶系 统，处理起来更加麻烦，对象性能的分析更是不容易。还有工业系统中的模 型相互之间有复杂多变的交叉耦合关系，使其模型变

13、得更加复杂、难于求解 和分析它的主要性能。在科技变得复杂，工业对象也变得复杂的时代，需要 自动控制的设备和对象越来越多，传统的自适应控制有一定的局限性，因为 它只能解决被控对象的数学模型确定的以及一些简单模型方面的问题， 对于模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用被控对象的数学模型无法建立的对象无法进行控制。 因为人脑可以对模糊事 物进行正确的识别与判断，然后对问题作出分析与解决，虽然这样的识别与 判断的模糊手段看着似乎非常不确切，但是它就是可以达到精确控制的目 的。而自适应控制技术不一定能达到这样的控制效果。操作人员是在通过不 断的尝试之后，积累大量的经验，然后应用这些经验以及理论知识来确

14、定对 被控对象的策略及性能指标的判据。 而这些操作人员的经验都是以自然语言 的形式表达出来的， 自然语言是人们在传递信息的过程中最常用到的符号系 统，尽管其中包含了不确定性和模糊性，利用清晰的经典逻辑很难解释，但 它蕴含信息的能力是最强的。 由于种种控制问题的出现和发展迫切需要一种 更先进的控制方法的出现。 1965 年首先提出来模糊集合的概念， 1973 年又 提出了一种把逻辑规则的语言转换成相关控制量的思想处， 为理客观世界中 存在的一类模糊性问题提供了有力的工具。1.3.2 模糊控制的概念及特点 6模糊控制是指模糊理论在控制技术上的应用。 它用语言变量代替数学变 量或他们两者结合应用；

15、模糊控制的函数关系是用模糊条件语句的形式表达 出来的，模糊控制是和人类学习有相似的地方和具有自适应能力的控制系统 6 。模糊控制的优点是：无需预先知道被控对象的精确数学模型 容易学习和掌握模糊逻辑控制方法（规则由人的经验总结出来） 有利于系统知识的处理模糊控制系统中的控制逻辑更加接近于人类得思维。 所以操作人员通过 不断的尝试积累下的经验可以直接应用到控制系统中。 与常规的控制系统相模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用比较，很多复杂系统中的问题都可以依靠模糊控制来解决，并可以达到更好 的控制效果。1.4 本设计的主要内容本设计主要是转速环和电流环的设计。利用MATLAB中原有的 Power

16、System 模块搭建双闭环直流调速系统的模型，在转速环和电流环的设计中 都使用 PI 调节器，再进行参数设置，通过不断的调试，得出仿真结果。然 后根据制定的模糊规则设计出合适的模糊控制器， 将原先搭建的模型中的转 速环里的 PI 环节用模糊控制器代替，然后进行调试。最后将以上两种调试 结果进行对比分析，得出对于直流电机的最优控制方法。2 模糊控制的基本理论2.1 模糊控制理论 6模糊控制理论是是建立在模糊集合论、 模糊语言以及模糊逻辑基础之上 的一种计算机数字控制先进控制理论方法。 模糊控制将该领域专家知识转化 为某种数值运算，是处理控制系统中不精确性和不确定性的一种有效的手 段。在这种控制

17、方法中首先将技术人员的实践经验或专家的理论知识转换为 模糊规则，然后把实时信号进行模糊化，将模糊化的结果作为模糊规则的输 入，完成模糊推理，最后再将推理后得到的输出量加到执行器上。其结构图 如图 2.1模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用给定值图 2.1 模糊控制过程图2.2 模糊控制的核心部分模糊控制器2.2.1 模糊控制器的介绍 6在模糊控制中最重要的是模糊控制器的设计， 人们根据大量的不精确的 信息进行模糊逻辑推理， 将多次的控制经验进行总结后得出更加有利于控制 的结论和控制规则。模糊控制系统的应用对那些测量数据不精确、需要处理 的数据量过大以至于无法判断他们的兼容性、一些复杂、可变

18、的被控对象的 场合时有利的，利用模糊逼近去表示他们是非常合适的。一般来说，优化模 糊规则便可以对模糊控制的性能进行改善。模糊控制器有如下特点 :1) 设计简单。模糊控制主要是一种依靠模糊规则的控制。 它直接采用了语言 型控制规则，并且应用了现场技术人员的控制经验或相关专家的理论知识， 使得控制机理和策略易于被多数人接受与理解， 最重要的是它的模糊控制规 则设计简单，便于利用。2) 适用于数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象。模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用3) 容易被人们所接受。依据专家或者是操作者的多年的经验来制定容易被 人接受的模糊规则，然而这些规则便是控制的核心

19、内容。所制定的规则会特 别容易的就被人类接受和理解。例如“小明很饥饿，则小明要多吃一些饭。 ”4) 它反映出人类的思维。模糊控制运用模糊量，例如“长短” “高矮”“胖 瘦”“轻重”“大小”反映人类的思维。2.2.2 模糊控制器的基本结构在理论上讲，模糊控制器由 N 维关系 R表示。关系 R 可视作受制于 11 区间内 N 个变量的函数。 r 是几个 N 维关系的组合，每个 ri 代表一条规则 r i ：IF THEN 。控制器的输入 x 被模糊化为一维关系 X ，对于多输入多 输出控制时， X 为(N 1)维。模糊输出 Y可以应用合成推理规则进行计算。 当对Y进行解模糊，便可以得到一个精确的输

20、出数值 y 。图 2.2 便是具有输 入输出的理论模糊控制器的原理框图。xXYy图 2.2 理论模糊控制器的原理框图2.2.3 模糊控制器需要解决的三大问题 61) 第一个问题是怎么样把确定量转化为与之相对应的模糊量2) 第二个问题是模糊控制规则形成和推理。3) 第三个问题是怎么样把模糊量转换为与之相对应的确定量从以上的三个问题可以知道， 模糊控制器的设计需要解决的问题就是模模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用糊化过程、知识库、推理决策和精确化。2.2.4 模糊控制器的三大模块库模模化将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量模糊推理 将已有的控制经验和输入变量作为设计的理论依据，通

21、过模糊变换得 出新的模糊经验作为结论清晰化将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值2.3 模糊化的具体步骤 121）根据确定数 错误！未找到引用源。 及量化因子 错误！未找到引用源。 求错 误！未找到引用源。 在基本论域上的量化等级 错误！未找到引用源。 。2）查找语言变量 E 的赋值表，找出 错误！未找到引用源。 在与最大隶属度对 应的模糊集合，该模糊集合就代表确实数 e1 的模糊化结果。模糊化过程主要完成测量输入的变量值， 并将数字表示形式的输入量转 化为通常语言值表示形式的隶属度函数值。模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用对于一个测量值可以对应 2 个以上的模糊子集，即可以隶属

22、于“中” ， 也可以隶属于“大”，知识隶属的程度不同而已。图 2.4 给出了模糊化过程 的结果，即测量值 x隶属于“中”的程度为 0.55 ，隶属于“大”的程度为 0.35 。为了使得任意物理量输入 x都能够映射到模糊集系统中去，即在所有 论域内的输入量都可以与某一模糊子集相对应， 模糊子集的数目和范围必须 遍及整个论域。每一个物理输入量至少一个模糊子集的隶属度必须大于零。 模糊化过程主要任务是定义域内所有的语言值的隶属度函数。2.4 精确化的过程通过模糊推理可以得到一个模糊集合或者是一个隶属度函数， 但是在控 制系统中，只能是由确定值去控制驱动结构。在推理得到的模糊集合中取一 个最佳代表的这

23、个过程就被称为精确化过程。 常用的精确化过程的方法主要 有三种：1 ）最大隶属度法2 ）重心法3 ）加权平均法模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用其实精确化的算法还有左取大、右取大、去大平均等。根据隶属度函数 的形状、推理方法选择合适的精确化计算方法。2.5 逻辑推理在模糊控制中最主要的是建立合适正确的模糊控制规则表。 为了实现模 糊控制的控制效果达到最佳状态，就必须研究不确定性推理的规律，而模糊 逻辑推理就是主要研究不确定性推理的重要方法之一。 扎德于 1972-1974 年 间系统的建立了模糊逻辑理论，提出了模糊限定词、语言变量、语言变量、 语言真值和近似推理等概念，制定了模糊推理的规

24、则，为模糊推理奠定了基 础。模糊逻辑原则上是一种拟人思维，要用从 0-1 之间的确切数值一个模糊 命题的真假程度，有时候是很困难的，人们在日常生活中交流信息用的大多 数是自然语言， 而这种自然语言是用充满了不确定性的描述来表达具有模糊 性的现象和事物。 自然语言的模糊性是由于使用率大量的模糊化词来组成自 言语言。因此，从理论上讲，一切具有模糊性的语言都可以称为模糊语言， 在不同的条件下一种模糊概念可以代表不同的含义。通常推理方法都是很严格的，而二值推理只需要有确定的小前提，则一 定会得出确定的结果。例如，前提：如果 A，则 B:如果 B,则 C。结论：如果 A，则 C。可是，在生活中，人们得到

25、的信息却不是精确的，反而大多数都是 模糊的，或者事实本身就很模糊。2.5.1 模糊推理常用的四种方法（ 1）Mamdani 模糊推理方法（ 2）Larsen 模糊推理的方法模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用（ 3）Takagi-Sugeno 模糊推理算法（ 4）Tsukamoto 模糊推理算法 在本次设计中，主要选择 Mamdani模糊推理方法， Mamdani模糊推理是模糊 控制中普遍使用的方法，它本质上是一种合成推理方法。2.6 语言变量值的选取根据系统控制精度的要求不同，误差、误差变化率和控制量的变化量， 可以选择 3个，7个，8个等级甚至更多。分为 3 个等级：大、中、小。如 果

26、分为 7 个等级，则常选用正大、正中、正小、零、负小、负中、负大等 7 个语言变量值，在本论文中，用一下 7个变量 NB、NM 、NS、ZE、PB、 PM 、 PS来表示语言变量。3 双闭环直流调速系统的仿真3.1 直流电机系统采用控制的主要原因由于PID控制用途广泛、 使用灵活， PID系列的产品已经快要到成熟的 地步。而且 PID 控制结构简单，所以 PID 控制器只需对比例、积分和微分 3 个错误！未找到引用源。 参数的进行设定。有的时候在系统控制中也可以只 有两个参数，但是不管怎么操作它的比例控制单元是不可或缺的，那么我们 有以下三个主要原因使用 PID 控制来对电机进行控制。1） P

27、ID 应用范围广虽然许多工业过程是时变的或非线性的， 但是我们只需通过对它进行简 化就可以改变成动态特性不随时间变化和基本线性的系统， 这样就可以达到模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用PID 的可控制。2) PID 参数较易整定PID 的参数 K p ，错误！未找到引用源。 和错误！未找到引用源。 可以 根据控制过程的动态特性及时进行参数整定。 如果在控制过程中动态特性变 化，比如在电机运行过程中由负载的变化而引起系统动态特性变化，那么， PID 参数就可以重新整定。3) PID 控制器在实践中也不断地得到改进在科技不断进步的同时， PID 控制器也在不断地升级和完善。 PID 控制 器

28、也逐步发展为最简单、最实用的控制器。3.2 系统采用控制主要解决的问题 41) 启动的快速性问题由于 PI 调节器具有非线性的特性，所以在电机性能容许的情况下，让 电机起动的速度加快。在系统调节的过程中，比例环节在反映速度控制过程 中的偏差的同时还可以自动按照比例进行调节，在最短的时间内减小偏差。 虽然比例环节可以减小偏差但还会产生静差， 此时可以加入积分环节来消除 静差，而积分环节作用的强弱主要取决于积分时间常数 T的大小， T越大积 分作用越弱，反之积分作用就越弱。2)提高系统的抗扰性能在设计中转速环和电流环的设计都应用 PI 调节器，如果系统中加入 PI 调节器，就可以提高系统的抗干扰性

29、能，还可以对于电网电压以及负载转矩 的波动产生的扰动进行抑制和调节，而且还可以加快调节时间。模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用3.3 电机参数的选取和计算在本次设计中，设计指标定为电流的超调量为 i 5% ，空载起动到额 定转速时的转速的超调量为 n 10%。过载倍数1.5 ，取电流反馈滤波时间常数 Toi 0.002s，转速反馈滤波时间常数 Ton 0.01s 。取转速调节器和 电流调节器的饱和值为 12V ，输出限幅值为 10V ，额定转速时转速给定 Un 10V 。仿真观察系统的转速、 电流响应和设定参数变化对系统响应的影 响11。3.4 搭建模型在本次设计中主要使用 MATLAB

30、中 Power System 模块来搭建直流电机 模型。主回路部分、交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电 动机等环节使用 Power System 模型库的模块。控制回路的主体是转速和电 流两个调节器，以及反馈滤波环节，将这几部分拼接起来，即组成了晶闸管 - 电动机转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型 11。3.5 双环的设计 4在本次设计中主要遵循转速外环，电流内环的原则。先设计电流环，再 设计转速环。电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，避免出现过电流的 现象。而在转速负反馈控制中，系统的被调节量是转速，所检测的误差也是 转速。所以在直流电机的调速系统中只用一个调节器很难实

31、现对转速和电流 的控制，所以必须选用两个调节器，把转速环定为外环，电流环为内环。在 设计时需要将电流调节器串接在转速调节器的后面， 这样就可以形成以转速 环作为外环、电流环作为内环的双闭环直流调速系统。模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用在电机起动和制动的过程中，刚开始电流环开始运行并保持系统的电 流，在一定的范围内减小过渡过程的时间。当系统系统的转速到达给定转速 时，系统就会自动进入转速控制的方式， 此时转速闭环控制开始起主导作用， 而电流内环起跟随作用，使实际电流迅速跟随给定值，以保持转速的恒定。 在设计中对于转速环和电流环的调节都选择采用 PI 调节器，这样就可以更 好的改善系统的静

32、、动态性能 4 。电流双闭环调速系统的原理如图 3.1，系 统动态结构如图 3.2 。图 3.1 转速、电流双闭环调速系统的原理图ASR转速调节器； ACR电流调节器； TG测速发电机； TA电流互感器；GT触发器；模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用图 3.2 转速、电流双闭环调速的系统动态结构图3.5.1电流环设计电流调节器的参数计算如下： 电流反馈系数为UimimInom100.051.5 136电动机转矩时间常数为3.53 2.8520.161sTGD2RTm 375CeCm 375 9.55 0.1322电动电磁时间常数为2.85T1 LR (200 16) 10 3S 0.07

33、6s三相晶闸管整流电路平均失控时间为T 0.0017s电流环的小时间常数为T i Ts Toi 0.0017 0.002 0.0037 s模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用其传递函数为根据设计要求以及选取的参数，电流环设计为 I 型系统，1WACR(S) K pi 1K1is1isKi其中：i T1 0.076SKiiR0.076 2.852T i Ks2 0.0037 0.272 37.842.84K1iKi02.08746 0.02683.5.2 转速环设计 转速调节的参数计算如下：转速反馈系数为U 10nom V min r 0.00667V min rnnom 1500为了加快电

34、机转速的调节速度，转速环设计为 型，并且选中频段h 5 ，其传递函数为WASR(S) K pn1 1 sK11nsKn1 nsns其中：n hT n h(2T i Ton) 5 (2 0.0037 0.01)s 0.087sKn(h 1) CeTm2h RT n6 0.272 0.132 0.1612 5 0.00667 2.85 0.017410.49K1nn 0.087Kn 10.480.0083模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用simulink 系统可搭建如图3.6 双闭环直流调速系统的仿真结果根据以上的参数计算、设计原则以及原理框图，在3.3 的仿真模型 。模糊 PID 控制在直

35、流调速系统中的应用1+s20.50.2ncFrefsnaretfinecapskroWoTa4nia-K-kcolC01edonRCRS1ncFrefsnarnoitaruta01tnatsnorotareneGesludezinorhcnykcolApma1noitarutabiugrewopegdirBlasrevin-D01edonmw-+v1bdC+cau图 3.3 仿真模型模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用转速环的子系统如下图 3.4图 3.4 转速环子系统电流环的子系统如下图 3.5 ：图 3.5 电流环的子系统仿真结果如图 3.6模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用图

36、3.7 直流电机调速系统仿真结果结果分析：从上图可以看出，加入 PI 之后，系统稳定时间较长，控制 效果不是最佳的，但最终转速可以稳定在额定转速。其中比例环节是一种简 单的调节作用，由于控制输出作用力的大小与系统的偏差有很大的关系，并 且是正比例关系。比例调节的作用不仅与偏差的产生有关系，而且更主要的 是取决于比例增益的大小。但是比例增益太大时，会引起自然振荡。比例调 节的缺点就是不能消除静态误差，影响控制的精确度，而消除静态偏差有效 的方法就是加入积分环节。在系统运行过程中如果出现静态偏差，那我们就 可以对输入的偏差进行积分，使调节器的输出不断的变化，直至达到新的稳 定值消除静态偏差为止。加

37、入积分环节后可以改善系统的静态性能。模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用4 模糊 PID 在直流调速系统中的仿真4.1 模糊 PID 控制器的设计要设计一个模糊控制器最重要的是要将输入输出的变量进行模糊化， 在 论文中我将误差和误差变化率作为模糊逻辑控制器的输入， 输出量为系统控 制量kp、ki 。首先将输入量进行模糊化， 再根据模糊规则得出模糊控制决策 输出控制量，最终将模糊化计算后得到精确的控制值来控制被控对象。现在的工业过程越来越复杂，许多被控对象会随着外界干扰的增加，它 的结构会发生一定的变化，为了使控制效果达到最佳状态，人们把自己的经 验、理论知识以及 错误！未找到引用源。 相结

38、合改善了系统的控制效果。模 糊错误！未找到引用源。 控制也是以误差和误差变化率为输入量，以此满足 PID 参数子整定的要求。模糊 错误！未找到引用源。 控制同样是以误差和误差变化率作为输入的 其结构图模糊化糊制法 模控算模糊判决被控过程图4.1 模糊 PID控制结构图模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用在图 4.1 中，错误！未找到引用源。 为系统的设定值， y 为系统输出， eu和e分别是系统的误差和误差的变化率， 同时 eu和e也是作为模糊控制器 的输入，而 u为控制器输出的控制信号， E、EU 、 EC为模糊化后的模糊 量。由系统框图可以知道模糊控制系统属于双闭环控制系统，模糊控制器

39、主 要包括 3 个功能环节：模糊化环节（用于输入信号处理） ，模糊控制算法功 能单元，以及模糊判决环节（用于输出解模糊化） 。4.2 模糊规则表的建立4.2.1 模糊规则库的建立方法（1）对模糊模型的控制（2）专家经验法（3）观察法（4）自组织法4.2.2 模糊规则库建立过程模糊规则是根据人的直觉思维进行推理判断，然后通过对系统输出的误 差及误差的变化率的调节来消除系统误差的模糊控制规则。 模糊控制器通常 由计算机或单片机构成，控制过程为先由计算机采集被测参数的精确值，并 同时将精确值值与结定值相比较后得出误差 e，再将误差的变化率 ec 错误！ 未找到引用源。 作为模糊控制器的输入变量。将

40、e、 ec经过模糊化后得到模 糊量 E 和 EC 。再利用 E 和 EC 得出模糊规则表。为了简化设计，先设定输 入输出的语言变量值相同， 分别为 NB、NM 、NS、ZE 、PB、PM 、PS， 经过以上的步骤就可以得出相应的隶属度函数表。 。如表 4.1 所示模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用表 4.1 Ki 模糊控制规则表kpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZEZENSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSPENSNMNMNBNBPBZOZONMNMNMNBNB表 4.

41、2K p模糊控制规则表kiNBNSNMZOPSPMPBNBBBNMNMPMNMZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPMPMNMPBPB4.3 仿真模型的建立在整个直流调速系统中，转速环起主导作用，而电流环只是调节电流，所以在设计过程中转速环选择采用模糊控制器， 可以建立如下的仿真控制模模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用1ecapskrnkcoly+oCsesegdirBlasreviniai11ncFrefsnarTnoitarutaS1niaG

42、1 -K-dezinorhcnycv+-kcolAC1tnatsnorotareneGesluP-dAt2It2u2nO3ncFrefsnar图 4.2 仿真控制模型将模糊控制器的部分封装为子系统，仿真模型如图4.3所示模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用图 4.3 FUZZY 控制器子系统图4.4 仿真结果图 4.4 模糊 PID 仿真结果图仿真结果分析：从图 4.4 可以看出，在加入模糊控制器后，电机起动速 度很快，系统的响应也速度快 , 调节精度高 , 稳态性能好 , 而且超调量较 小。模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用4.5 小结通过以上两种方法仿真结果的对比， 从图 4.4

43、 方案仿真结果对比图中可 以明显的看出，模糊 PID 控制效果优于 PI 调节器的控制效果。从下面两个 图的对比中可以得出：在 PI 调节器的控制下，电机的转速稳定大概在 0.8 秒之后，调节时间较长，而且有较大的超调量，抗干扰能力比较差，震荡也 很大。而在模糊控制器的控制下，电机的转速稳定是在 0.2 秒之后，调节时 间快。图 4.5 方案仿真结果对比图5 总结与展望PID 有个在拿到设计题目之后，先从字面意思大概构想了论文的总体方向，之后我开始查阅大量的书籍和相关资料对直流调速和模糊控制以及模糊 PID 控制在直流调速系统中的应用全面的了解！在明确了课题的背景、目的以及意义之后，在老师的指

44、导下制 定了课题研究的方向和实施方案。实施方案主要为：整体采用双闭环直流调 速，其中转速环和电流环的设计都采用 PI 调节器，仿真结果可以看出调节 时间较长，而且有较大的超调量，震荡也很大。所以 PI 控制器并非为最优 控制方法，提高系统动态品质等方面，光靠调整 PI 参数难以获得满意的控 制效果。然后对直流电动机的模糊 PID 控制进行仿真。最后将两种控制方法 进行对比分析后可以发现模糊控制器具有系统响应速度快， 动态性能好等优 点。在本次论文设计中主要的收获就是使用 MATLAB里原有的模块进行模型 的搭建，由于直流电机的发展已经很成熟，如果只是应用一个二阶的传递函 数代替电机的模型，那仿真结果就