直流电机模糊控制系统的MATLAB-Simulink仿真研究毕业设计

1、 XXXX届毕业设计说明书 直流电机模糊控制系统的MATLABSimulink仿真研究院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： XXX 指导教师：XXXX 职称 教授 职称 专 业：XXXXXXXXXXXXX 班 级： XXXXXXXXX 完成时间： 20XX.X.X 摘 要在当今控制技术的发展当中，模糊控制技术的发展走在了前列，成为了当今世界上最先进的控制技术之一。模糊控制技术很好的将模糊数学理论应用于控制领域当中, 更加真切地模拟出了人脑的思维方式和判断能力, 以及对产品生产的过程进行筛选和对产品质量上的控制, 从而发展出了基于模糊控制技术的智能化的新技术，为当今控制技术的发展提供了广

2、阔空间。在本文当中，主要介绍了基于模糊控制理论的直流电机模糊控制系统的原理，以及直流电机模糊控制系统的优点和缺点，并通过使用MATLAB语言中SIMULINK模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统进行仿真，把控制直流电机调速的实际情况转换成模糊控制规则，再使用这些规则，对过程经过模糊推理和模糊决策所得到的控制量，从而实现在MATLAB语言中SIMULINK模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统的建模与仿真。对仿真结果予以分析，对直流电机模糊控制系统的仿真进行总结。关键词：MATLAB；SIMULINK；模糊控制；直流电机；电机调速ABSTRACTAmong todays control

3、 technology development, one of the leading enterprises in the development of fuzzy control technology, fuzzy control technology has become one of the most advanced control technology in the world today, it will be a very good fuzzy control technology of fuzzy mathematics theory is applied in contro

4、l field, the more realistically simulate the human brains way of thinking and judgment ability, as well as to the production process of screening and the control on the quality of product, which was developed based on fuzzy intelligent control technology of the new technology, for the development of

5、 modern control technology provides a broad expansion of space.in this article, mainly introduced the dc motor based on fuzzy control theory, the principle of fuzzy control system, as well as the advantages and disadvantages of the fuzzy control system for dc motor, and by using the SIMULINK module

6、and the fuzzy control toolbox in MATLAB language for the calculation of the fuzzy control system of dc motor, the control of the actual situation of the dc motor speed control is converted into fuzzy control rules, and then use these rules, the process through fuzzy reasoning and fuzzy decision of c

7、ontrol, thus to achieve the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language modeling and simulation of fuzzy control system of a dc motor. And the analysis to the results of simulation and simulation of fuzzy control system of dc motor.Key words matlab；Simulink；fuzzy control； dc mot

8、or； motor speed control目 录1 绪论11.1 研究的目的与意义1 1.2 国内外的发展现状及发展历程1 1.2.1 直流调速系统的发展历程1 1.2.2 直流调速控制系统的发展现状2 1.3 研究的主要内容及章节介绍32 直流调速系统42.1 直流调速系统的基本概念4 2.1.1 直流他励电动机的调速方法4 2.1.2 直流调速系统的供电方式6 2.1.3 开环V-M系统的机械特性7 2.2 直流调速系统的动态分析8 2.2.1 单闭环直流调速系统的动态分析8 2.2.2 多环直流调速系统的动态分析9 2.3 直流脉宽调速系统概述103 直流电机113.1 直流电动机的

9、基本结构和工作原理11 3.1.1 直流电动机的基本结构11 3.1.2 直流电动机的工作原理12 3.2 直流电动机的运行特性14 3.3 直流电动机的起动、调速和制动17 3.3.1 直流电动机的起动17 3.3.2 直流电动机的调速17 3.3.3 直流电动机的制动174 模糊控制194.1 模糊控制原理19 4.2 模糊控制器的一般设计步骤205 直流电机模糊控制系统的MATLAB/Simulink的仿真22 5.1 建立直流电机的仿真模型22 5.2 模糊控制器的设计22 5.3 直流电机模糊控制系统的建立与仿真24 5.4 仿真结果及分析276 总结与展望28参考文献39致谢311

10、 绪论1.1 研究的目的与意义在工业现代化的发展当中，直流电机的使用非常广泛。对直流电机的控制也越来越重要，在现代的工业生产当中，对生产的过程控制要求比较严格，对生产出来的产品质量的要求也相当严格，这就要求在现代工业生产过程当中，对控制的要求控制精度准确、易于调速、运行稳定。在工业生产过程中为提高产品的质量和产品的产量，控制过程从人工手动控制慢慢向半自动控制发展，半自动控制慢慢向全自动控制发展，使得生产工艺实现全自动化生产，在全自动化生产的过程当中，离不开传动系统的调速电机对生产设备的控制，按驱动电动机的类型可分为直流传动系统和交流传动系统二大类。本文中主要研究直流传动系统。直流电动机具有很多

11、优良的调速特性，如：调速平滑、简单易控、过载能力大、正反转能快速切换、并可实现频繁地无级快速起动和制动。能够满足在现代化工业的生产过程当中不同环境下的的特殊运行要求，如：在生产机械设备的切削机床、生产用纸的纸机设备、全自动生产电子产品的生产线、水泥厂等对控制性能要求非常高的工业生产当中被广泛应用，使得直流电机在现代工业生产当中仍然充当着重要角色。1.2 国内外发展历程及发展现状1.2.1 直流调速系统的发展历程在运动控制系统的发展过程当中，交流电气传动和直流电气传动并存于工业生产的各个领域，在历史上最早出现的是直流电动机，在没有出现交流电动机之前，直流电气传动是惟一的电气传动方式，随着工业生产

12、技术的向前发展，对电气传动在启动、制动、正转、反转、调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求在工业生产当中大量的使用直流传动调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能非常好，从20世纪30年代起。直流调速系统开始应用于工业的各个领域。最早的控制系统是由旋转变流机组控制来实现的，而后慢慢发展成为由放大机和磁放大器控制系统来实现控制的，经过放大机和磁放大器控制的时代的发展，基于它们的闭环连续控制系统得到广泛应用，在改进控制的性能方面，取得了良好的效果，到后面晶闸管变流装置和模拟控制器的出现，使得控制真正实现了直流调速，一直到后面可控整流和大功率晶体管组成的PWM

13、控制电路的出现，才得以实现了使用数字化对直流的调速。而直流调速在工业应用方面具有快速、可靠、经济、稳定、方便等特性，使得直流调整系统在工业应用方面非常广泛。在直流电气传动系统中，有如下几种常用的可控直流电源：(1)使用恒定的直流电压直接向直流电动机电枢供电，改变阻值的大小来实现对电枢回路的调速。这种通过改变电阻的大小，从而改变电压值的大小来调速的方法简单，便于操作，工业生产方面也简单，而且成本低。这种方法也有着不少缺点，比如：这种调速转化率低，机械性能差，调速易于波动，不能进行平滑调速。由于这些缺点的存在，便得这种方法在工业生产当中使用率很低。(2)30年代末，发电机-电动机（也称为旋转变流组

14、）的问世，增加了调速领域的灵活性、广泛性等，同时存在的闸流管、电机扩大机、及磁放大器等控制器件共同组成的调速系统，提高了调速的各方面的性能，如：提高了调速平滑变化、调速转速精度、及加宽了调速范围、提高效率等。特别发电机-电动机的使用，很容易就实现了将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，不仅提高了效率，减少了能量损耗，而且能够很好的实现平滑制动。但是这样的调速系统还是存在着不少缺点，如因此增加的辅助设备（旋转电机和励磁设备等），造成占地面积大、转化率低、维修难度大、不易维修、成本高等。(3)直到汞弧变流器出现以后，汞弧变流器开始慢慢取代了发电机-电动机调速控制系统，进一步提高了调速控制系统的性能。(

15、4)世界上第一只晶闸管的问世是在1957年，晶闸管的问世，让整个直流调速系统发生了极大的变化，因为晶闸管具有可靠性高、反应灵敏、所占空间小、简便耐用等优良性能，使得晶闸管提到了广泛的应用，不仅提高了直流调速系统的可靠性和经济效益，而且在工业生产使用中相对其他直流控制的性能上也具有很大的优势，晶闸管变流装置比机组和汞弧变流器的放大倍数分别高1000倍和10倍，自身的放大倍数在10000以上，而机组和汞弧变流器的放大倍数分别是10倍和1000倍。因在响应速度上，晶闸管是以毫秒级来计数，而机组是以秒级计数的，所以除部分设备使用晶闸管励磁系统和机组供电以外、其他基本上已经采用了晶闸管相控整流供电。1.

16、2.2直流调速控制系统的发展现状我国第一只硅晶闸管是在60年代初研制成功的，晶闸管直流调速系统迅速应用于我国现代化工业的生产当中，并得到了快速的发展。低功率如0.4KW至200KW的晶闸管直流调速装置已经实现了系统化标准化批量生产，大功率2000KW系列产品也已经在工业生产设备中试用，在我国现代工业生产过程当中，晶闸管供电的直流调速系统已经得到了广泛的应用，直接影响着我国现代工业化的生产。随着科学技术的发展，各种新型控制元器件也相序问世，直流电动机晶闸管调速系统的发展出现了二个分支，一个是向大功率发展，另一个是向小功率发展，在向小功率发展的过程中，正在实现一体化发展，实现电动机和控制设备的一体

17、化，实现控制单元高度集成，并慢慢发展到数字直流调速装置，目前已经有数家国内外厂商已经推出了各自的产品，使得直流调速系统的理论有效的和实践结合在了一起，同时也推动了直流调速系统的发展。国外的直流调速系统比我国发展的早，相比国内的发展也更加成熟，无论是从技术上还是从性能上都远远的超过了我国直流调速系统的发展，尤其是国外的数字直流调速系统，能实现从调节器参数设定、给定信号、触发脉冲等都能实现数字化，并通过公用平台及软硬件的控制和调控，能够控制电流的大小和一定范围功率的直流电机。使用软件通过公用平台就很容易实现对直流电机的控制，强大的可控性、以及极高的抗干扰能力使得它能和PLC等其他系统组成一个完整的

18、工业控制系统。并且具有调试方法灵活、稳定可靠、高度集成、及完善的自我保护功能，弥补了模拟直流调速控制系统的缺点，而且数字控制系统还有能快速查找故障、维护简单、调速精度高等特点，使其能在工业生产方面能得到广泛的应用。而国内生产的数字直流调速装置，存在功能不完善、精度不高、且保护功能不齐全等缺点。和国外还是有一定的差距的。1.3 研究的主要内容及章节介绍本论文的主要研究内容除了本章绪论外，共分为4章，以下是对各章内容作一个简单的介绍。第2章介绍直流调速系统的原理，对直流调速系统的基本概念、单闭环直流调速系统、多环调速系统进行学习研究，了解直流调速系统的基本原理及工作方法，学习晶闸管单环直流、多环直

19、流、直流可逆调速系统的电路原理，直流调速系统的MATLAB仿真。第3章介绍直流电机的工作原理和基本结构，并说明由气隙磁场和电枢绕组来导出电枢的电动势的电磁转矩公式，通过电枢的电动势的电磁转矩公式，导出直流电机的基本方程，并对直流发电机和电动机稳态运行性能进行全面分析，初步了解直流发电机和电动机的工作原理及特性，掌握直流发电机和电动机的基本结构。第4章介绍模糊控制的基本原理和基本特性，学习了解模糊控制器的模糊化过程、模糊推理、精确化计算等，掌握模糊控制器的设计原理和设计方法。 第5章开始利用MATLAB/SIMULINK对直流电机模糊控制系统进行仿真，首先应用MATLAB/SIMULINK建立一

20、个直流电机模型，然后应用模糊控制工具箱对控制参数进行模糊化处理，设计模糊控制器，最后建立直流电机模糊控制系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。342 直流调速系统2.1 直流调速系统的基本概念直流调速系统起步早，发展快，并且具有良好的运行特性和控制特性，长期占据着调速领域的主导地位，近年来交流调速系统在现代化工业应用上也发展的很快，并期望在短时间内能够取代直流调速系统，而现代的工业生产中，如矿山开采、炼钢厂、造纸厂、纺织业等使用的自动调速系统仍然是直流调速系统，因其对调速性能的要求比较高，而交流调速系统的发展目前还不是很完善，这使得在现代工业的生产过程当中，直流调速系统仍然是自动调整系统的主要形

21、式。2.1.1 直流电动机的调速方法(1) 直流他励电动机供原理图如图1所示。图1 直流他励电动机供电原理图(2) 直流他励电动机的电气方程：Ud0=E+IdRn+Ra+R1 =E+IdRE=Cen=Ken n=EKe =Ud0-IdRKe =Ud-IdRaKe (1)R=Rn+Ra+R1Ce=Ke 式(1)中 Ud和 Ud0 分别表示的是电动机电枢电压和电枢供电电源空载电压；E 表示的是电枢电动势；R 、Rn 、Ra和R1 分别表示的是电枢回路总电阻、供电电源内阻、电枢电阻和线路或外接电阻；n 表示的是转速，单位为 rmin ； 和Ke 分别表示的是励磁磁通和电动势系数；电动势系数 Ke 是

22、由电动机的结构来决定的。(3) 直流他励电动机的调速方法为；由公式(1)可知，通过改变电枢供电电压Ud0 的大小、或降低 的励磁磁通、或者改变电枢回路中的电阻 R 都能对转速进行调节。在 和 R 的值不变的情况下，改变电枢供电电压 Ud0 的大小，能平滑的调节转速 n 的快慢，机械特性比较平稳的上下移动，如图2所示。图2 直流他励电动机调压调速和弱磁调速时的机械特性因受电动机自身性能的影响，工作调节电枢电压不能超过额定电压，导致电枢电压的调节范围只能是在其额定电压范围内进行，所以这种调速的范围也只能是在其额定转速大小之下进行。这对要求在一定范围内的无级平滑调速系统来说，这种调节方式最好，通过调

23、节电压大小来实现转速的调节是调速系统的一种主要调节方式。在 Ud 和 Ra的值不变的情况下，减小励磁磁通 （直流电动机在运行时，为了更好的经济效益，通常都是在额定转速下运行，磁路中的磁通量趋于饱和，因此只有减小励磁磁通 来对电动机转速进行调节），电动机的转速会比额定转速大，机械特性向上移动，如图2中部分机械特性，减小励磁磁通 来进行调速只能在额定转速以上进行调速，由于电动机存在机械强度和换向器的限制，其调速范围也不可能太大，在现代工业的生产过程当中，通常只是配合调压调速方法一起使用，在额定的转速上作小范围的提升转速运转，这样的调压与调磁相结合的方式，可以扩大转速调节的范围。改变电枢回路电阻进行

24、调速一般是在电枢回路中串接附加电阻，这种调速方法损耗比较大，只能进行有级调速，由于电动机的机械特性比固有特性软，通常只是用于少数小功率和场合。2.1.2 直流调速系统的供电方式要实现调压调速，就得要有一个平滑可调的直流电源，常用的可调直流电源有以下三种：(1) 旋转变流机组：使用直流发电机组和交流电动机组成旋转变流机组，可以获得可调的直流电压。在二十世纪四十年代，工业上就广泛采用旋转式变流机组给直流调速系统供电，如图3所示。图3 旋转变流机组供电的直流调速系统交流电动机M1拖动直流发电机G发电，发电机给需要调速的直流电动机M供电。调节发电机的励磁电流 If 可改变其输出电压U ，从而调节直流电

25、动机的转速 n ,此系统简称为G-M系统。若改变电流 If 的方向，则电压U的极性和转速n的转身都跟着改变，可以实现G-M系统的可逆运行。通常还要另外增加一台直流励磁发电机GE来供给电动机和直流发电机励磁电流。但因G-M系统设备多、相对比较复杂、安装运行维护不便、成本高、经济效益低、噪音大等缺点。(2) 静止可控整流器：使用静止的可控整流器，比如晶闸管可控整流器，可以获得可调的直流电压。二十世纪六十年代，晶闸管可控整流装置的出现，因其具有高效、费用底、体积小、噪音小等优良性能，面且晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上。在控制的速度反应方面，变流机组是秒级，而晶闸管整流器的反应级数是毫秒级

26、，从反应速度上来比较，晶闸管整流器的反应速度明显比变流机组快，这就大大提高了系统反应速度。(3) 直流斩波器或脉宽调制变换器：使用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。在电力牵引系统的设备上常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电源提供电能。直流电压也可以使用晶闸管来进行控制，即直流斩波器，也称之为直流调压器。如图X所示，在直流斩波器中，当VT被触发导通之后，电压 Us 加到电动机上，当断开VT之后，电动机和电源断开，电动机经过VD（二极管）的续流，电压值趋于零。经过反复作用，可以得到如图X的电枢端电压的波形。直流斩波器能通过调节晶闸管导通与关

27、断的时间来改变其平均电压的大小，以此来调节转速。2.1.3 开环V-M系统的机械特性开环V-M系统的组成如图X所示，当调节给定电压Un*时，晶闸管所组成的触发电路移相角发生改变，导致整流电压 Ud0和电枢电压 Ud发生改变，从而调节了转速n。开环V-M系统的机械特性，若电流是连续的时候，转速为 n=1CeUd0-IdR=1CemEmsinmcosa-IdR=n0-n （2）开环V-M系统的机械特性如图4中的实线所示。图4 开环V-M系统的机械特性其中式(2)中Ce表示的是电机在额定磁通下，电动势的转速比，其中Ce=Ke 。式中m表示整流电压在一个时间周期内的波头数，式中n0表示的是开环调速系统

28、在理想空载的条件下的转速，式中n表示的是开环调速系统的稳态速降。给电动机加负载，就会产生电流Id。随即产生n=IdRCe的转速降，若n越小，则开环V-M系统的机械特性硬度越大。当系统在开环条件下运行时，n的大小完全由电阻R及所加负载的大小来决定的。 晶闸管整流装置的电压输出是脉动电压，会造成在主回路电感量不足或者是在电动机负载较轻的情况下出现电流断续。当负载电流减小，反电动势快速变大，导致理想空载转速比n0高很多，如图4中的虚线所示。开环V-M系统的机械特性分为电流连续段和断续段，机械特性呈线性较硬的是连续段，呈非线性较软的是断续段。从综合特性来看，要提高系统的机械特性，需要增加反馈调节。这样

29、才能满足工业化生产的应用要求。2.2 直流调速系统的动态分析2.2.1 单闭环直流系统的动态分析(1) 单闭环调速系统的动态数学模型，通过建立系统的动态模型，能更加直观的定量分析单闭环调速系统的动态性能。建立模型的一般步骤为：例微分方程，进行拉氏变换得到传递函数，画出动态结构框图，求出系统的传递函数。电压方程式为：Ud0-E=IdR+LdIddt=RId+LRdIddt (3)晶闸管整流器的动态传递函数为:Ud0(s)Uct(s)Ks1+Tss (4)若不考虑放大器输入端的滤波，则其模型为Uctt=KpUn(t),则其传递函数为:Uct(s)Un(s)=Kp (5)不考虑反馈的滤波电路，则其模

30、型为Unt=an(t),其传递函数为根据系统间的结构关系，得到的动态结构图如图5所示。图5 转速闭环调速系统的动态结构图(2) 单闭环调速系统的动态校正，设计闭环调速系统的过程中，稳定性和稳态性指标常会发生矛盾，这就需要增加动态校正装置来校准系统，让他能同时满足各项性能指标的要求。对于一个系统，动态校正方法有很多种，在电力自动控制系统中，串联校正和并联校正是最常用的校正方法，相对并联校正，串联校正相对简单，易实现等特点。对于传递函数阶次较低的直流闭环调速系统，使用PI调节器的串联校正方法，就能实现动态校正的任务。调节器分为三类，分别是PI比例积分、PD比例微分、PID比例积分微分。这三种类型中

31、各有各的优点，也有不足之处。其中PI调节器所构成的是滞后调节，稳定性好，但调节反应慢。PD调节器所构成的是超前校正，调节反应快，但稳定性差。PID 调节器能实现对PI调节器和PD调节器性能的综合，即反应速度快，又能使系统稳定，全面提升系统的控制性。但PID调节器要比PI和PD调节器要复杂的多，在现代工业化的实际生产当中，一般对稳定性的要求要高于对快速性的要求，则一般采用PI调节器。当对快速性要求高于稳定性的要求时，则一般采用PD或PID调节器进行调节。2.2.2 多环直流调速系统的动态分析在反馈系统中，核心闭环数多于一个就称之为多环系统。常见的多环系统有以下三类：分别是带电流变化率内环系统、带

32、电压内环的三环调速系统和转速电流双闭环调速系统。最典型的就是双闭环调速系统了。带电流变化率内环系统，为提高双闭环调速系统的快速性，在启动或关闭电动机的时候，期望电流能迅速变化。这就需要在电流环内增设电流变化率环，通过它的调节，使之能保持最大变化率而又能保持电流变化率不会过高，这保证了电流波形和理想的动态波形更加的接近。这就使得转速、电流和电流变化率共同组成了三环调速系统。 带电压内环的三环调速系统，带电压内环调速系统同样能提高系统的对负载扰动的抗扰性能和动态跟随性能，但其效果没有带电流变化率内环系统。在抗电网电压扰动方面，电流环不如电压环，电压环的调节比电流环的调节更加及时。双闭环调速系统的动

33、态结构图如图6所示。若双闭环调速系统采用转速电流控制，则其动态跟随性能和动态抗扰性能都能得到有效的提高，若双闭环调速系统的内环能改变环内的传递函数，使它有利于对外环的控制，这样也能提高系统的各种性能。并且有内环的存在，内环能抑制环内的电网电压波动。图6 双闭环调速系统的动态结构图2.3 直流脉宽调速系统概述直流调压调速是现代工业实际生产中应用相当广泛的一种调速方法，利用电力电子元器件的可控性，再使用脉宽调制技术加以调制，就构成了直流脉宽调速系统。电气原理结构图如图7所示。图7 直流脉宽调速系统的电气原理结构图直流脉宽调速系统中存在有：给定环节、限幅器、速度反馈环节、速度调节器ASR、PWM信号

34、发生器等控制电路。3 直流电机3.1 直流电动机的基本结构和工作原理3.1.1 直流电动机的基本结构旋转电机主要由定子部分和转子部分组成，定子和转子之间的气隙是用来储存磁能的。直流电机的定子主要组成部件有主磁极、端盖、机座和无刷装置等。转子是电枢，转子的主要组成部件有磁极、电枢和换向器等。其结构如图8所示。图8 直流电动机的主要结构(1) 主磁极。主磁极是电动机产生主磁场的装置,如图9所示。图9中1是极心、2是极掌、3是励磁绕组、4是机座。磁极由极心1和极掌2两部分组成。在极心1上放置励磁绕组3，极掌2是调整电动机空气隙中的磁感应强度，并挡住励磁绕组。钢片叠成的磁极，固定在电机外壳上。电机外壳

35、也是磁路中的一部分。图9 直流电动机的磁极及磁路(2) 电枢。在电动机中，产生感应电动势的部分称为电枢。电枢是旋转的，由硅钢片叠成的电枢呈圆柱状，表面槽中放置电枢绕组，如图10所示。 图10 直流电动机的电枢(3) 换向器，也称作整流子。在直流电动机中，换向器是一种特殊装置。如图11所示。换向器由多个换向片组成，相邻换向片之间使用绝缘片隔开。在换向器的表面，装有电刷，在电动机转动的过程中，能使电枢绕组和外电路联接。图11 换向器 3.1.2 直流电动机的工作原理电动机的工作原理是建立在电磁感应和电磁力的基础之上。把复杂的问题简单化，能够更好的理解电动机的工作原理。直流发电机的工作原理是当一根导

36、体在磁场中进行运动时，导体所感应出的电动势 e ，则有公式：e=Blv (6)式(6)中，B表示磁通密度、l表示导体的长度、v表示导体相对于磁场的速度。正方向：可以使用右手定则来进行判断。如图12所示。电势e的正方向所表示的是电位升高。与U相反。在同一元件上，若e和U的方向相反，则有e=-U。图12 右手判断方法电磁感应原理，磁通的变化也能产生感应电动势。对电动机的工作过程进行分析：要进一步了解电动机的工作原理。电动机主要是由磁场、励磁绕组、换向器、电枢等组成。通过对其工作特性的分析，进一步了解其工作原理。磁场：在图13中， S和N是一对静止的磁极，在电动机运行过程中产生磁场，磁感应强度为正弦

37、分布在圆的四周。励磁绕组：发电机中，一般容量较小的发电机磁极，都是采用永久磁铁。容量较大的发电机磁场，都是采用直流电流的铁心绕组所产生的磁场。励磁绕组是用来形成N极和S极的绕组，称励磁绕组中的电流为励磁电流，用If表示。电枢绕组： N和 S极之间，在圆柱形铁心上绕着的线圈称为电枢绕组。并称电枢绕组中的电流为电枢电流，用Ia表示。换向器：换向器是由电枢绕组两端接在换向片上所组成的。换向器外面装有电刷。图13 换向器电枢：电枢是电动机的旋转部分，由铁心、电枢绕组和换向器组成 当发电机电枢电流增加时，电磁转矩和输出功率也随着电流的增加而增加，这时原动机的输入机械功率也增大，这样能使转矩和功率之间保持

38、平衡。由此分析得到，当发电机对外输出电功率时，原动机将需要输出机械功率给发电机，发电机的作用是将机械能转换为电能并输出给负载。直流电动机的工作原理:电磁力定律，在磁场中的载流导体将会受到磁场力的作用，当载流导体和磁场之为垂直关系时，则导体所受的电磁力的大小如公式(7)所示。f=BlI (7)可以通过左手定则来确定力的方向，左手定则方法如图14所示。图14 左手定则3.2 直流电动机的运行特性直流电动机主要分为并励电动机和串励电动机，以下对并励电动机和串励电动机做一个简单的介绍。并励电动机的运行特性，在电动机运行时，电枢电压为额定电压UN,当负载产生变化时，电动机的电枢电流、电磁转矩、转速和输出

39、功率，这四个变量的关系，构成了电动机的工作特性和机械特性。并励电动机的接线图如图15所示。工作特性是指电动机的端电压U=UN和励磁电流If=IfN时,则其工作特性可以表示为n、Te、=f(P2)。n表示的是电动机的转速，Te表示的是电磁转矩、=f(P2)表示的是效率和输出功率P2的关系。其曲线变化规律如图16所示。图15 并励电动机的接线图机械特性是指U=UN,Rf为常值时，电动机转速，和电磁转矩的关系，关系为n=f(Te)。机械特性规律如图17所示。图16 并励电动机的工作特性串励电动机的运行特性，接线图如图X所示，其工作特性是指U=UN时，n、Te、=f(P2)或者n、Te、=f(Ia)。

40、其工作特性曲线如图X所示，机械特性曲线如图18所示。图17 并励电动机的机械特性图18 并励电动机的工作特性3.3 直流电动机的起动、调速和制动3.3.1 直流电动机的起动直流电动机的启动，有三个基本要求，分别是：起动转矩要大，起动电流要小，起动设备要求操作简单、稳定可靠、安全经济。常用的三种方法有：直接启动，接入变阻器启动，降压启动。直接启动方法操作简单，在起动时冲击电流大，此方法不适用大型电动机的启动，只适用于小型电动机的启动。接入变阻器启动可以减小启动电流，待转速慢慢上升起来之后再慢慢将变阻器阻值变小直到切除。启动变阻器在启动时需要消耗更多的电能，而且设备相对笨重。3.3.2 直流电动机

41、的调速直流电动机的转速公式为：n=U-IaRaCe (8)由式(8)可知，调整方有电枢控制和磁场控制两种调速方法，电枢控制就是调节电枢电压或在电路中接入调速电阻来实现调速的。磁场控制就是通过调节励磁电流来实现调速的。3.3.3 直流电动机的制动在电动机运行过程当中，有时需要电动机能够快速停止，或者由快速运行转入低速运行，这都需要对电动机进行制动。常用的制动方式有以下三种：能耗制动、反接制动、回馈制动。能耗制动接线如图19所示。图19 并励电动机能耗制动时的接线图能耗制动过程中，将大部分转子动能转换成了电能，并消耗在制动的电阻上面，其操作简单方便，但在电动机低速运行时，在制动时的转矩很小，为了使

42、电动机能快速停下来，通常再加上机械制动闸来配合制动。反接制动接线如图20所示。图20 并励电动机反接制动时的接线图反接制动过程中，能使运行机组快速停转，并在转速为0时要及时切断电源，这就不会造成机组进行反转，因在反接时电枢电流会变大，所以要在反接时接入一个电阻，把电枢电流控制在允许的范围之内。回馈制动是指当转速受外在因素或其他自然条件的影响会继续加快转速且达到某一固定数值的情况下，限制电动机转速继续上升变大，这种方法是因把增加转速的能量转换成电能又送回电网，因此称之为回馈制动。4 模糊控制4.1 模糊控制原理模糊控制指的是在控制方法上，采用模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理来进行控制。模糊

43、只是概念上的模糊，通过模糊语言描述模糊控制算法，来控制完成确定的工作。设计模糊控制器，就能实现模糊控制。模糊控制器包括：精确量的模糊化、模糊控制算法的设计和输出信息的模糊判决三个方面。其中精确量的模糊化是指语言变量转化为论域上的模糊子集，模糊控制算法的设计是指通过模糊控制规则计算出模糊关系，输出信息的模糊判决是指把模糊量转化为精确量。模糊数学理论和模糊语言是模糊控制的理论基础。是基于模糊规则之下的控制系统，模糊控制规则是通过总结、归纳和优化得到的一种控制方式。而模糊数学以隶属函数讨论问题。建立精确的数学模型系统，实质是应用数学处理方法，在测量数据中，找出输入和输出的存在关系，并通过数学方程表示

44、出来。这也是建立模糊系统模型的基础理论，把精确量数据进行模糊化处理转化成模糊量，通过精确数学模型转化为条件语句，使用条件语句输入语言变量模糊子集IF、输出语言变量模糊子集THEN来表达的模糊关系，就叫做模糊系统模型。模糊控制系统具有以下5个特点：(1) 模糊控制系统基于对模糊规则的控制，直接使用模糊语言控制规则来实现的，依据控制经验或相关理论知识，不需要建立精确的数学模型，因而模糊控制系统设计简单，应用方便。(2) 根据现代工业化的实际生产要求，很容易就能得到控制规则要求，根据控制规则要求建立语言控制。这对于某些难以获取数学模型，不易掌握动态特性的对象非常实用，因而模糊控制系统在现代工业化生产

45、过程当中具有很强的实用性。(3) 基于模糊控制系统模型的控制算法设计方法，由于对性能要求不一样，控制算法的设计方法会产生较大差异。但模糊控制系统的语言控制规则具有良好的独立性，利用模糊控制系统的模糊控制规律之间存在的关联，会找到控制效果要好于一般控制器的方法。(4) 模糊控制是由控制要求及控制语言规则来设计的。这有利于对控制过程进行精确控制，以提高控制系统的控制能力，使其能有较好控制水平。(5) 模糊控制系统的稳定性比较强，外界的干扰和参数的变化对模糊控制系统的控制效果影响减小，非常适合在非线性、时滞后系统中的应该。对于一个很难建立数学模型的控制对象来说，很难应该现有的控制水平来进行控制，但模

46、糊控制系统能对复杂现象进行分析和判断，通过人工对控制系统的控制，能总结出控制规则，再应用模糊控制理论中模糊集合理论，把控制规则转换成模糊条件语句，建立起一个模糊模型，通过模糊模型来进行模糊控制器的设计。4.2 模糊控制器的一般设计步骤模糊控制器是直流电机调速模糊控制系统的核心。本论文的重点是模糊控制器的设计。模糊控制器的主要工作步骤为：将模糊控制器输入量转化为模糊量的输入量转化为模糊量，应用到模糊逻辑决策系统中，在模糊逻辑决策器模块中，根据模糊控制规则确定模糊关系R，应用模糊逻辑推理算法，计算出控制器的输出模糊控制量，再把模糊控制量精确化计算后得到精确的控制量，应用到控制系统中。在模糊逻辑推理

47、的过程中：模糊化、模糊逻辑推理、精确化计算是模糊逻辑推理的三个主要过程。(1) 模糊化：把测量所得到的输入变量值，使用数字形式表现出来，转化为模糊控制系统的模糊子集。通过模糊控制系统的隶属度函数实现。对任一的输入量，隶属度函数大于0的模糊子集至少有一个，这就使得每个输入量都有一个确定的模糊子集与之对应。(2) 模糊逻辑推理：模糊逻辑推理是模糊控制系统的核心，以模糊判断为基础，使用模糊语言规则，得到模糊判断结论的方法。根据模糊条件语句来确定模糊控制规则，应用模糊数学理论，对确定的模糊控制规则进行推理计算，就能计算得出模糊输出量。模糊推理主要有三种，分别是Zadeh法，Mamdani法和强度转移法

48、。(3) 精确化计算：通过模糊推理，得到模糊集合。但在模糊控制系统的实际应用中。只有确定的值才能实现控制或驱动，这就需要将得到的模糊输入量转换成精确值，也称此过程为反模糊化。常用的三种精确化方法是：最大隶属度函数法、重心法和加权平均法。采用不同方法所得到的结果是不一样的。模糊控制器的设计主要分为以下六步：(1) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量。(2) 确定输入变量和输出变量的模糊子集和论域及其隶属度。(3) 设计模糊控制器的模糊控制规则。(4) 模糊化和去模糊化。 (5) 编制控制器算法的应用程序。 (6) 选择合理的模糊控制算法采样时间。 直流电机模糊控制调速系统的主要设计步骤有以下四点

49、：(1) 根据实际情况，确定模糊控制器的结构。 (2) 确定输入变量和输出变量的模糊子集和论域及其隶属度。(3) 确定模糊控制器的控制规则。(4) 确定模糊关系和模糊矩阵。5 直流电机模糊控制系统的MATLAB/Simulink的仿真5.1 建立直流电机的仿真模型直流电机系统是二阶系统，以电枢电压U为控制输入，将电机的转速和电枢电流i作为状态变量，得到的直流电机系统的状态空间方程为:Iddidt=-iR-Kb+uJddt=Kmi-Kf-Td (9)打开MATLAB软件，在MATLAB软件的命令窗口输入simulink并回车，就可进入simulink的设计窗口，或者在MATLAB软件的工具栏上点

50、击图标，可快速进入simulink的设计窗口，然后从新建立一个模型文件，在新建的模型文件中建立直流电机模型，如图21所示。图21 直流电机模型直流电机模型参数为：Kf=0.2kgm2/s,L=0.5H,J=1.2kgm2,Km=Kb=0.2Nm/A,R=2.0.5.2 模糊控制器的设计应用MATLAB软件中的模糊推理系统工具箱，对模糊控制器进行编辑，模糊控制器的编辑方法如下：（1） 对模糊集合进行编辑和运算，在MATLAB软件的命令窗口在输入fuzzy并回车，打开模糊逻辑编辑器，在模糊逻辑编辑器的菜单栏中选择FileNew FISMamdani新建立Mamdani型模糊控制器，在菜单Edit下

51、添加偏差E和偏差变化率DE及控制增量U的输入量和输出量，如图22所示。如22 模糊控制器的编辑双击输入和输出图标，就能对输入和输出的函数进行编辑。如模糊子集个数、论域范围、函数形状等参数都可以进行编辑。（2） 选择菜单Edit-Rules进入模糊规则编辑窗口，如图23所示。图23 模糊规则的编辑 在模糊控制编辑器中，通过模糊控制规则来选择E、DE和U的值，点击模糊规则编辑窗口的的Add rule按扭，编辑生成格式为“IF e is A and de is B THEN u is C”的语句。此次直流电机系统的模糊控制规则如表1所示。表1 模糊控制规则dee NB NS ZE PS PBNB N

52、B NB NS NS ZENS NB NS NS ZE PS ZE NS NS ZE PS PSPS NS ZE PS PS PBPB ZE PS PS PB PB（3） 模糊推理的选择。因选择了Mamdani型号的模糊控制器，则采用Mamdani推理方法进行模糊推理，采用的去模糊化方法是缺省值：centroid（重心法)。如图24所示。图24 去模糊化的选择（4） 模糊关系矩阵的生成，做完（1）、（2）、（3）三步后，生成一个格式为fis的文件，保存地址为d:matlab7workmfkzq.fis(软件默认保存文件地址为“c:matlab7workUntitled.fis”，其中c为文件安

53、装目录，文件名mfkzq由自己确定)。使用函数readfis( )形成模糊关系矩阵，在MATLAB软件中，在命令窗口中输入命令hjr001=readfis(mfkzq.fis)并回车，以调用模糊关系矩阵。5.3 直流电机模糊控制系统的建立与仿真在本设计中，直流电机采用的是增量控制方法，控制量U=U0+U,其中U由模糊控制器产生，在MATLAB软件的simulink设计窗口建立直流电机模糊控制系统结构图，如图25所示。图25 直流电机模糊控制系统结构图在使用直流电机模糊控制系统之前，需要将模糊器mfkzq.fis加载到MATLAB的工作空间，在MATLAB指令界面输入的指令 hjr001=readfis('mfkzq.fis')并回车，就创建了一个名为hj