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硕士论文 基于直流伺服系统的模糊自适应控制的应用研究 摘要 本文以直流伺服系统作为研究对象，依据设计任务书所提出的动静态精度和响应 快速性的要求，针对直流伺服系统的非线性、时变性、大惯量及变负载等恶劣情况之 下的位置修正问题，提出了基于模糊模型的修正因子自适应控制算法，并在实践中进 行了验证。 对伺服系统来说，控制算法的快速性是一个很重要的性能指标，论文中对网络参 数先进行离线学习，初步修正：随后在实际控制中进行在线学习。当误差较大时，采 用帮帮控制算法，以使系统能够最大速度的运动。上述措施较好地解决了控制精度和 响应实时性之间的矛盾。 实验结果表明：所设计的控制器能够较好地解决直流伺服系统在复杂、恶劣情况 下的位置修正问题，达到了设计要求。 关键诃： 直流伺服系统、模糊自适应控制算法、参数学习 硕士论文基于直流伺服系统的模糊自适应控制的应用研究 a b s t r a c t i nt h is p a p e r t h er e s e a r c ho b j e c ti s ad i r e c t e dc u r r e n ts e r v os y s t e m a c c o r d i n gt o t h er e q u e s tt h a tw a st h es t a t i c s t a t e d y n a m i cs t a t ep r e c i s i o n a n dt h ec e l e r i t yo fr e s p o n s eb r o u g h tf o r w a r db yt a s kb o o k ，a i m e da tt h eb a d c i r c so fl a r g ei n e r t i av a r i e t yl o a da n dt h es w a yo fl a u n c hf l a t ，w eh a v em a d e d e e p l yar e s e a r c h a tt h es a m et i m ea t t e m p t i n ga n dg r o p i n gf o rt h ec o m b i n a t i o n o ff u z z ya n da d a p t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，p u t t i n gf o r w a r di t sc o n t r o l a l g o r i t h m t h a ti sins e r i e sa n dv a l i d a t i n gi ti n p r a c t i c e a ss o o na st h es e r v os y s t e mi sc o n c e r n e d ，t h ec e l e r i t yo fc o n t r o la l g o r i t h m i sav e r yi m p o r t a n tc a p a b i l i t yg u i d e l i n e a tf i r s tn e t w o r kp a r a m e t e ri n t h e p a p e ri sp r o c e s s i n g ，l e a r n i n go f f l i n ea n dr e v i s i n ga c c i d e n c e ，t h e nl e a r n i n g o n 一1 i n ea tr e a lc o n t r o l s y s t e m w h e nt h ee r r o ri s v e r yb i g ，i tw o u l db e c o n t r o l l e db yt i m e b e s tc h o i c e n e s s t h es y s t e mi s p e r m i t t e dt om o v ea tt h e q u i c k e s tv e l o c i t y t h em e a s u r e sa b o v ec a nr e s o l v et h ec o n t r a d i c t i o no fc o n t r o l p r e c i s i o na n dt h er e s p o n s er e a lt i m ew e l l t h er e s u l t o fe x p e r i m e n t a t i o n i s i m p l i e d ：d e s i g n e dc o n t r o lc a ns e t t l e p o s i t i o nr e v i s i n gq u e s t i o na b o v ea 1 1a b o u tc o m p l e xa n db a dc o n d i t i o n v e r yw e l l i ts a t i s f i e dt h er e q u e s to f d e s i g n k e yw o r d s ：d i r e c t i n gc u r r e n ts e r v os y s t e m 、f u z z ya n d a d a p t i v ec o n t r o l a l g o r i t h m 、p a r a m e t e rl e a r n i n g y 5 7 1 4 8 8 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：基2 东 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 缈嗲 只镯 硕士论文 苎三皇鎏望壁至竺望堡塑鱼垩些笙型竺些望竺窒 一 第一章绪论 近一个世纪以来，直流电动机以运行效率高和调速性能好等诸多优点，作为机电 能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。 伺服系统亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角( 或 位移) ，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。伺服系统的服务 对象种类繁多，如：机器人的手臂各关节的运动控制；电动伺服阀阀门的位置控制等 等，这些都需要用到伺服系统。 1 1 课题背景 本课题源于某重型武器随动控制系统的研制。该系统是大惯量、变负载的随动系 统，在系统的工作过程中要受到多种干扰因素的影响。按设计要求，要保证在大惯量、 负载变化和力矩干扰等恶劣的情况下，使整个系统的响应速度快、超调幅度小、跟踪 精度高。 由于在该重型武器的工作过程中，负载惯量和负载力矩不断变化；同时，发射平 台的晃动对系统产生一个附加的力矩：在系统机械加工和装配中产生的间隙、误差以 及结构变形等等，因为有这些强干扰因素的存在，要想达到设计要求，一般的控制方 法显得不是特别理想。本课题的目的也就在于：探索使用模糊自适应控制算法，以寻 找一种有效的控制方法使系统达到所要求的设计目标。 1 2 直流伺服系统概述 伺服系统是构成自动化体系的基本环节之一，它是由若干元件和部件组成的、具 有功率放大作用的一种自动化控制系统，它的输出量总是相当精确地跟随输入量的变 化而变化，或者说，它的输出量总是复现输入量。随动系统的基本职能是对信号进行 放大，保证足够能量推动负载( 被控对象) 按照输入信号的规律运动( 即输出) ，并 使输入与输出之间的偏差不超过允许的误差范围。 用直流伺服电机作为执行元件的伺服系统，叫直流伺服系统。随着电子技术，特 别是电子计算机的高速发展，带来了伺服系统向智能化方向的快速发展。从当前情况 看，直流电动机能在大范围内实现精密的位置和速度控制，所以，要求系统性能高的 场合都在广泛使用直流伺服系统。由于直流电机容易进行调速，尤其他励直流电机又 具有较强的机械特性，所以在数控伺服系统中早有使用。直流电机具有良好的机械特 堡圭鲨塞 薹王重鎏鱼墅墨丝塑堡塑旦重壁丝型塑生旦塑茎l 一 性，使之能在大范围内平滑调速、启动、制动和正反转等，目前在传动领域中仍占重 要的地位。 随着电力电子技术、单片机和微型计算机的高速发展，外围电路元件专用集成电 路的不断出现，使得直流伺服电动机控制技术有了显著进步。这些技术领域的高速发 展，可以很容易地构成高精度、快响应的直流伺服系统，因而近年来世界各国在高精 度、速度和位置控制场合( 比如机床进给伺服系统、军用伺服系统) ，都已由电力半导 体驱动装置取代了电液驱动】。 从传动系统来讲，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛发展，在许多方面正向直 流电机调速技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交流传动的基 础。直流调速系统也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装置已经成功地用于 生产。以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障 处理等多功能电气传动系统正在形成和不断地完善。由于近年来微电子和电力电子技 术突飞猛进的发展，促使各种伺服电机控制的智能化功率集成电路得到应用，使得这 类系统正朝着数字化、模块化的方向发展。 1 3 智能控制理论简介 随着控制系统复杂性的提高，传统控制理论不能满足日益复杂化的控制过程。为了 提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制系统。智能控 制是传统控制理论的高级阶段，它是当代科学技术的高度分化，走向高度综合的重要产 物。传统控制，即古典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频 率特性、根轨迹为基础的频率分析方法。所研究的系统多半是线性定常系统，对非线性 系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，古典控制理论能够很好地解决生 产过程中的单输入单输出问题。由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。古 典控制理论中的高阶微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程， 即所谓的状态空间法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统可以是线性的、 定常的，也可以是非线性、时变的。 智能控制是控制理论发展的高级阶段，它的建立和发展是以众多新兴学科为基础 的。智能控制的基本出发点是仿人的智能实现对复杂不确定性进行有效的控制。因此， 必须研究人的思维形式和特点，人的智能主要体现在人脑的思维规律，思维科学是研 究智能控制的重要认识论基础。要模拟人的智能，就要模拟人的思维形式。主要是从 三方面着手：一是模拟人的抽象( 逻辑) 思维，二是模拟人的形象( 直觉) 思维，三 是模拟人的灵感( 顿悟) 思维【2 ”。 从6 0 年代中期开始，由于l a z a d e h 和e h m a m d a n i 等人分别在模糊集理论和 模糊控制中的开创性工作及一大批先驱者的推动模糊控制逐渐发展成颇具吸引力而 2 又富有成果的研究领域。从应用的角度看模糊控制主要是为了对付那些因过程本身的 不确定性、不精确性以及噪声而带来的困难。特别在处理复杂系统( 如大时滞、时变、 非线性系统) 时显示出它的优越性。第一个有较大进展的商业化模糊控制器是在丹麦 诞生的。1 9 8 0 年，工程师l p h o l m b a n d 和l s t e r g a r d 在水泥窑炉上安装了模糊控制 器并获得成功。 模糊控制发展主要经过以下几个阶段：( 1 ) 第一阶段，基本模糊控制器的应用 阶段。模糊控制器的主要工作是建立在人工手动控制的基础上，操作人员往往没有从 精确的数学模型出发去了解被控系统，但他们却能根据在实践中积累的经验，采取适 当的对策，对被控过程进行定量的控制。这便是设计基本模糊控制器的指导思想。这 类模糊控制器的特点是：1 ) 控制器的核心是根据某一特定过程制定的模糊控制规则 表。2 ) 一个控制器一般只适用于某一类特定的过程，而不是像常规仪表那样具有可 调参数，可以适用于不同的过程。( 2 ) 第二阶段，自组织模糊控制器应用阶段。为了 克服基本模糊控制器的缺陷，人们基于某控制器研制出一种能在运行中自动修改、完 善和调整的模糊控制规则，使被控过程的控制效果不断提高，甚至达到预定的理想效 果。这种具有自动调整功能的模糊控制器称为自组织模糊控制器。这种模糊控制器的 特点是：1 ) 控制算法不是固定的。它可以通过在线修改控制规则或改变某几个参数 而变化。2 ) 控制器的适应性往往不局限于某一类对象，而是通过自组织可以适应几 类对蒙。3 ) 可以产生具有通用性、仪表化的模糊控制器。( 3 ) 第三阶段，智能模糊 控制器。智能模糊控制器的基本内容如下；1 ) 在不断掌握了解过程机理的同时，结 合操作经验，利用模糊语言及模糊条件语句构成原始的人工智能专家系统。2 ) 在通 过产生式学习系统，对照实际生产过程不断修改、完善、扩充，从而构造机理、操作 经验性的专家系统，利用产生式学习系统较快决定处理问题的过程，并对原有知识进 行反馈修正。3 ) 如此不断进行，这便是所谓智能模糊控制系统。 1 4 本人承担的工作 设计一种智能控制器，确保所设计的伺服系统对于那些存在着参数时变、非线性 的复杂系统在大惯量、变负载，干扰因素大的条件下，能够使其达到响应快、超调量 小、精度高的要求。由于以上的条件限制，对控制方法提出了很高的要求。在本课题 的研究过程中，本人主要全力解决以下问题： 1 ) 伺服系统总体方案设计。为了对被控系统进行仿真实验，需要确定被控系统 的数学模型，首先从理论上确定系统的大致的传递函数，然后通过在实际的硬件系统 上进行测试，推导出实际系统传递函数中的参数。 2 ) 伺服放大器的设计、调试。为了确保主控微机的d a 输出、速度反馈校正信 号和负载角度反馈信号的叠加、运算及放大，应该使所设计的伺服放大器连接至电机 硕士论文基于直流伺服系统的模糊自适应控制的应用研究 扩大机的控制绕组，从而通过电机扩大机来控制执行电机带动负载。 3 ) 模糊自适应控制器的研究。为使所设计的伺服系统在大惯量、变负载等复杂 情况下具有响应快、超调量小、精度高的特点，采用智能控制的方法来满足要求。针 对直流伺服系统非线性和参数时变，提出了基于模糊模型的修正因子模糊自适应控制 算法。 4 ) 实时控制软件编制、调试。在系统的数学模型确定的情况下，将被控系统的 传递函数转换为差分方程，通过m a t l a b 和c 语言编写仿真程序，将智能控制器的算 法嵌入到仿真程序中，不断的修正控制器中的参数直至使控制效果达到随动系统所要 求的性能指标。 一 - 4 堡主堡苎兰王皇鎏塑墅墨竺塑堡塑皇垩查垄塑塑窒望竺茎 第二章直流伺服系统硬件设计 2 1 直流伺服系统的构成 伺服系统是指在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变 化而变化的系统。该输出量是高精度的机械位移、速度或加速度。伺服系统由伺服驱 动装置和驱动元件( 或执行元件) 组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际 的输出状态。伺服系统的主要特点口】： 1 ) 准确的检测装置，以组成速度和位置闭环控制： 2 ) 调节范围广、低速性能好、抗干扰能力强： 3 ) 减少误差环节，有利于提高系统精度； 4 ) 反应灵敏、响应速度快、自动化程度高； 对于一个完整的系统而言，系统所要达到的性能指标、整个系统的综合性价比 以及系统的运行稳定性、工作的可靠性等都是相当重要的，这就要求我们考虑问题要 非常周全，能够考虑到各方面因素对整个系统运行所产生的影响。 由于本课题所涉及到的重型武器随动系统的性能指标和实际的工作环境，考虑到 系统运行的稳定性和可维护性，由于在电气传动系统中，直流电机具有良好的调速性、 启动力矩大、大功率等优点，故采用直流伺服电机调速的系统控制方案。 整个伺服系统的原理框图如图2 1 所示： 图2 1 直流伺服系统的原理框图 整个直流伺服系统由控制微机、数据采集板、伺服放大器、旋转变压器、r d c 转 换模块以及直流调速系统构成，下面将详细介绍各组成模块的功能和特点。直流伺服 系统的工作过程如下：由控制计算机根据该武器系统给出的方向和高低角度，计算出 当前的控制信号，经过d a 转换后，传递到伺服放大器中；在伺服放大器中对输入的 - 5 - 翌主笙苎 茎三皇壅塑竖墨堑堕堡塑垒垩窒丝型堕壁星塑茎一 信号进行放大，随即传送至直流调速系统中；直流电机扩大机根据进来的信号大小， 通过速度反馈来调节伺服放大器；最终经过减速器把机械动力传到负载中。负载的实 际位置又经过多级旋转变压器和r d c 转换模块反馈回控制计算机中，构成一个完整 的闭环控制系统，实现对目标的位置跟踪。 2 2 控制计算机和数据采集卡 2 2 1 控制计算机 考虑到该武器随动控制系统的跟踪速度和精度要求，例如较快的处理速度、扩充 能力、插槽数目等优点，同时充分使用实验室现有设备的原则，我们选择了研华 ( a d v a n t e c h ) 公司的8 0 4 8 6 d x 工业计算机作为系统的主控制计算机。同时，该机的 扩展插槽比较多，可以满足数据采集卡的需要，它适用于工业控制现场，具有很好的 抗电磁干扰能力、稳定性和计算能力。 2 2 2 数据采集卡 由于系统在运行过程中，瞄准装置的目标方位和角度信息都需传递给控制计算 机，由工控机发出控制信号，一方面信号需要经放大后来驱动电机转动；另一方面工 控机还要发出信号以控制r d c 模块的工作状态。本系统在设计时选用了研祥( e v o c ) 公司的p c l 一8 1 8 l 和p c l 一7 3 0 两个数据采集卡。 2 2 2 1 p c l 一8 1 8 l 数据采集与控制卡 p c l 一8 1 8 l 数据采集卡是一种适用p c 机的高速数据采集卡，可以完成各种信号的 采集，例如a d 、d a 信号以及实现定时和计数的功能。该板卡在本系统中作为数据 采集和d a 输出板使用，用来采集方向旋变的解码输出信号，同时利用它的两路d a 端口作为方向和高低两组系统的控制输出。p c l 一8 1 8 l 数据采集卡具有如下特点】： 1 2 位分辨率，4 0 k h za d 采样速率 1 6 通道单端或8 通道差动输入，软件选择a d 输入范围 单信道1 2 位d a 输出 d a 转换时间3 0 微秒( ，t s e c ) ，负载最大5 m a d a 输出采用双缓冲模式，避免产生尖锐噪声 1 6 位数字量输入和1 6 位数字量输出，t t l 兼容格式 6 硕士论文基于直流伺服系统的模糊白适应控制的应用研究 板载定时芯片8 2 5 4 ，可编程产生方波信号 脉冲频率范围：0 0 0 4 6 h z o 5 m h z 可选择中断引脚i r q 2 i r q 7 ，i r q 9 i r q l 3 ， i r q l 5 2 2 2 2p c l 一7 3 0 数据采集与控制卡 该板卡在本系统中作为数据采集和解码控制信号输出板使用，输出r d c 转换模块 的启动和闭锁控制信号，同时采集高低旋变的解码输出信号。p c l 一7 3 0 数据采集卡具 有以下功能”】： 1 6 路隔离开关量输入和输出 1 6 路t t l 电平开关量输入和输出 商输入驱动( s i n k ) 能力 软件选择模拟量输入增益范围 板载定时芯片b 2 5 4 ，晶振2 m i i z ，可编程产生方波信号 可选择中断引脚i r q 3 i r q 7 ，i r q 9 i r q l 2 ，i r q l 5 2 3 伺服放大器 伺服放大器由两部分电路组成：伺服放大电路和r d c 模块的解码控制电路组成。 这两部分的组成机理是不同的，放大电路部分是采用模拟电路来实现，而r d c 模块的 解码控制电路是采用数字电路来实现的。 2 3 1 伺服放大电路 伺服放大器采用的是晶体管差动放大电路，两个功放三极管的集电极分别送到电 机扩大机的控制绕组，再通过电机扩大机来控制执行电机带动负载的运转。伺服放大 器的输入是主控微机的d a 输出、速度反馈校正信号和负载角度反馈信号。各输入信 号在伺服放大器内通过电路进行叠加和运算，增益大小均设计有可调电位器进行调 节。放大器输出级采用三级管放大电路，为直流伺服电机的控制信号。伺服放大器的 电路原理图见附录。 运算放大器【16 】是该伺服放电路的主要信号处理元件，该元件具有开环电压放大倍 数高、输入电阻高、输出电阻低、漂移小、 用运算放大器，很容易完成如比例、加减、 可靠性高和共模抑制比非常大等特点。采 积分与微分与对数以及乘除等运算。 7 一 硕士论文基于直流伺服系统的模糊自适应控制的应用研究 2 3 21 1 1 ) 1 2 模块的解码控制电路 该电路把旋转变压器的输出端与r d c 转换模块连接起来，同时把计算机输出的 解码控制信号( i o 开关量) 和r d c 转换模块的b u s y 、e n a b l e 和i n h i b i t 端相连。 2 4 旋转变压器与r d c 转换模块 2 4 1 数字测角装置 对一个控制系统而言，反馈元件的精度直接关系到系统的控制品质，对伺服系统 的动态、静态指标能否达到设计要求，起着至关重要的作用。我们所设计的武器伺服 控制系统，要求数字测角装置能够准确的测出目标的实际位置，并能迅速地传递给控 制器，同时还要求性能稳定，可靠性高和测量精度高。 基于上述原因并参考工程实际经验，我们选用双通道多极旋转变压器作为数字测 角装置，该装置的优点是测量精度高，完全能满足系统定位精确的要求。它在系统中 的工作原理如下：首先将系统输出轴转角位置转换成模拟电压值，然后再通过r d c 轴 角数字转换模块完成对位置信号( 模拟电压值) 的采集、处理、数字编码，从而得 到负载位置转角的精确数字量并送入计算机。其原理框图如下图2 2 所示： 负载位置角 ( 模拟量) 2 4 1 多级旋转变压器 图2 2 数字测角原理图 角度 ( 数字量) 当多极旋转变压器的定子绕组加入参考电压一= 心跏耐时，其转子相对于定子 的偏转角0 的信息就包含在转子绕组输出电压的调幅信号之中。其精度主要有精通道 决定。它具有粗略和精确两组电压输出： 当多极旋转变压器的定子绕组加入参考电压一= s n ( a t 时，其转子相对于定子 的偏转角目的信息就包含在转子绕组输出电压的调幅信号之中。其精度主要由通道决 定。它具有粗略和精确两组电压输出： 粗略输出 u 。( f ) = s i n o 。s i n c o t u 。( f ) = u c m c o s o 。s i n c o t ( 2 1 ) ( 2 2 ) 8 堡主笙苎茎三皇堕堡里墨竺塑堡塑皂垩皇丝型竺皇望竺茎 精确输出u 。o ) = u ，s i n 0 ，s i n o j t u ，。o ) = u ，c o s 0 ，s i n c o t 其中：睨，u 。概略正余弦输出电压： u u ，精确正余弦输出电压； u 。，u 。概略、精确绕组输出电压峰值 酸，口，概略、精确角位置： 励磁角频率； 2 4 3r d c 转换模块 r 2 3 ) ( 2 4 ) 系统采用m t s l 6 r 作为轴角数字转换模块，其分辨率分别为1 6 位，是闭环二型 系统，跟踪反馈式混合集成同步机分解器数字转换器，其1 6 位数据是采用并行自 然二进制码，由三态门输出，通过b y t es e l e c t 、e n a b l e 和i n h i b i t 信号实现数据传 输到8 位或1 6 位数据总线。其原理图【”1 参见图2 3 所示。 跟踪反馈式s d 转换器可以看作一个数字随动系统。它在任意时刻的数字输出值 ( 代表某一角度驴) 都反馈到系统的正、余弦乘法器上，产生s i n 中和c o s 西，分别与 k = 吃s i n c o t c o s 和k = s i n m t s i n o 相乘，得出误差信号盥hr 口一函j 。误差处理电 路根据位置信号的幅值和极性，经过调整后得出值驴，使误差趋于零，系统稳定后， 西= 口，于是得到输入轴角目的数字值。 9 堡主笙苎垩王皇鎏塑望至竺塑堡塑鱼垩翌笙型塑窒望塑壅 2 4 4 转换模块的数据传输 转换后的位置信号可以直接从转换器中输出。传输的方法有两种：1 种是检测 b u s y 信号，当b u s y 信号为低电平时，加e n a b l e 信号输出( i n h i b i t 为高电平) ，输 出必须在数据有效期间完成：另一种方法是随机读取，在i n h i b i t 信号端和e n a b l e 信号端加上低电平，然后读取数据。在数据输出期间，由于i n h i b i t 信号具有闭锁作 用，在该信号失效之前，数据不会被刷新。 2 5 直流调速系统 直流调速系统是整个伺服控制系统的核心，它的性能将直接影响到整个控制系统 性能的优劣。控制系统的性能指标不仅用来评价系统的性能状况，而且是设计系统的 主要依据。本系统采用电机扩大机一执行电机构成执行机构。 2 5 1 电机扩大机 交磁电机扩大机川具有过载能力强，输出稳定可靠等优点，所以本课题的控制系 统采用电机一扩大机来进行功率放大。交磁扩大机广泛用于直流发电机的自动调压系 统、直流电动机的自动调速系统和自动控制的随动系统中。它具有以下优点： 1 ) 功率放大系数大。额定功率在7 5 0 瓦以下的扩大机，k 。高达o 5 1 0 4 , 7 5 0 瓦 以上则高达1 0 ； 2 ) 输入功率小，这就有可能使控制绕组有半导体器件供电； 3 ) 快速晌应信号，即交磁扩大机电磁时间常数小； 4 ) 可靠性高，使用寿命长，功率控制范围大； 5 ) 可用调节补偿度的方法，改变交磁电机扩大机的特性。 系统采用湘潭电机厂所生产的k y 0 4 0 0 型电机扩大机，额定功率为4 千瓦，额定 电压为2 3 0 伏，额定电流为1 7 4 安培，额定转速为3 0 0 0 r m i n 。 2 5 2 直流伺服电机 该系统采用直流伺服电动机，把电机扩大机输出的电压信号作为输入，然后转换 成电机轴上的角位移和角速度输出，从而带动负载。直流伺服电动机具有输出功率大、 调速范围广、机械调节性能线性化、快速响应性能好等优点，满足随动控制系统的要 求a 本系统采用包头电机厂生产的z y k 型电动机，额定功率为3 5 千瓦，额定电压为 2 2 0 伏，额定电流为1 7 安培，额定转速为3 0 0 0 r m i n 。 1 0 第三章模糊与自适应控制 3 1 智能控制概述 传统控制是经典控制和现代控制理论的统称，它们的主要特征是基于模型的控 制。由于被控对象越来越复杂，其复杂性表现为高度的非线性、高噪声干扰、动态突 变性以及分散的传感元件与执行元件，分层和分散的决策机构，多时间尺寸，复杂的 信息结构等，这些复杂性都难以用精确的数学模型来描述。在这样复杂对象的控制问 题面前，把人工智能的方法引入控制系统，将控制理论的分析和理论的洞察力与人工 智能的灵活的框架结合起来，才有可能得到新的认识和新的控制上的突破。在这样的 环境下，智能控制的研究就开始不断的发展起来了。 传统控制和智能控制的主要区别就在于它们控制不确定性和复杂性及达到高的 控制性能方面，显然传统控制方法在处理复杂性、不确定性方面能力低且有时丧失了 这种能力。相反，智能控制在处理复杂性、不确定性方面能力高。传统控制是基于被 控对象精确模型的控制方式，也就是我们所说的“模型论”，而智能控制方式相对于 “模型论”可称之为“控制论”，这种控制论实际上是智能决策论州。 智能控制”系统的核心集中在“智能”上，智能从何而来? 智能控制要靠模拟人 类的智能。因此，模拟人类模糊逻辑思维的模糊理论集合论、模拟人的大脑神经系统 的结构和功能的神经网络理论，以及模拟人的感知一行动的进化论等，都已成为研究 智能控制理论的新学科基础的组成部分。 智能控制的研究领域心8 1 十分广泛，一个智能系统一般都离不开控制，因此，在这 个意义上说智能系统都是智能控制系统。从广义上讲，智能控制研究的是复杂的不确 定性被控对象，采用人工智能的方法有效的克服系统的不确定性，使系统从无序到期 望的有序状态的方法及其规律。模拟人的智能控制行为，不仅要从信息的获取、处理、 综合、利用方面，而且还要从信息的反馈、控制决策方面，全面的模拟人的智能行为。 为此，需要研究、设计、开发新型的模拟人感官功能的智能传感器，模拟人操作行为 的智能执行器，模拟人脑控制决策功能的智能控制器。由上述的智能传感器、智能控 制器、智能执行器和被控过程构成的智能信息反馈控制系统，才能在控制过程中更全 面有效的模拟人的智能控制 3 2 自适应控制概述 人们对自适应控制的研究最初起源于2 0 世纪5 0 年代的航空航天问题，由于当时 经典控制器难以适应高性能的飞机和火箭的姿态控制，需要有种能自动的适应被控 - 1 l - 塑主鲨苎茎王皇鎏塑塑墨竺竺丝塑旦垩壁丝型竺窒望竺窒 过程变化特性的更复杂的控制器。6 0 年代，现代控制理论的蓬勃发展为自适应控制理 论的形成和发展创造了条件。 7 0 年代以来，由于空间技术、机器人控制和过程控制的 需要，自适应控制理论和设计方法获得了迅速的发展，它已经成为现代控制理论中的 一个十分活跃的重要研究领域。 自适应控制器必须同时具备两个功能： ( 1 ) 根据被控对象的运行状态给出合适的控制量，即控制功能； ( 2 ) 根据给出的控制量的控制效果，对控制器的控制决策进一步改进，以获得 更好的控制效果，即学习功能。 因此，自适应控制器是同时执行系统辨识和控制任务的。自适应控制器有各种类 型，而自适应模糊控制器的本质是通过对控制器性能的观察，作出控制决策，并用语 言形式描述策略。 3 2 1 自适应控制的基本原理 圈3 1 自适应控制系统的方框图 图3 1 表示个自适应控制系统的基本原理【1 1 的方框图。在这个系统中，根据被 控对象的输入输出信号对对象的参数或性能指标连续地或周期地进行在线辨识，然后 根据所获得的信息并按照一定的评价系统优劣的性能准则，判断决定所需的控制器参 数或所需的控制器信号，最后通过修正装置实现这项控制决策，使趋向所期望的性能。 由图3 1 可见，自适应控制系统的工作特点是：辨识、决策、修正。辨识通常是 指对于待研究的对象，通过测量其输入输出量并经过适当的计算来判明对象的模型结 构和参数值的问题。这是自适应系统中必不可少的一环。在自适应控制系统中，决策 机构一般来说是个需要完成一组数学运算的设备，常常是用电子计算机来实现的。 该机构根据辨识所获得的关于对象的当前信息，按规定好的性能准则，利用某种最优 化策略促使系统的运行性能逼近最优状态。在自适应控制系统中，修正作用就是利用 实际的机电产品设备来实现决策机构所作出的决策，也就是修正加到被控对象上去的 控制信号。 - 1 2 - 堡主至茎 茎主重亟塑竖丕丝塑堡塑鱼重窒笙型塑壁岂堕堑一 3 2 2 自适应控制在直流系统应用中存在的问题 自适应控制系统的设计方案很多，理论上比较完整、应用比较广泛的自适应控制 系统有两种：模型参考自适应控制系统和自校正控制系统。 自适应控制技术最早在航空方面获得了应用，这是由于飞机的动力学特性决定于 许多的环境因素和结构参数。在电力拖动方面，已经用自适应控制对直流电动机的转 矩、转速、位置和功率进行有效的控制。对于直流传动系统来说，用自适应控制主要 解决以下可能存在的影响及其性能的主要问题【5 】： 1 ) 传动系统转动惯量的变化。一般来说，转动惯量的变化如果是缓慢的，或者 相对于参考信号的变化不是频繁的，则采用自适应控制来解决转动惯量变化的适应问 题是让人满意的。 2 ) 驱动装置放大倍数发生的变化。这里主要指当驱动装置工作在电流断续条件 下所引起的控制系统性能的恶化，尤其在低速运行条件下，这种影响可能变得很严重。 以往解决这个问题的方法是，在低速运行时改变速度和电流调节器的参数，但电流的 断续情况实际还和负载的轻重有关。 3 ) 为进一步提高伺服系统的低速跟踪性能和定位精度，一方面主要靠改善驱动 装置的性能，例如：采用直流脉宽调制技术来增加响应速度、减少失控时间和消除电 流断续，以及提高加工精度和测量精度：另一方面是实现控制器参数的优化设计，而 当系统中实际上存在某些不确定或随机干扰因素时，就有必要采用自适应方案。 4 ) 参数自测试和调节器参数自设定是现代传动系统的主要特征之一，这种参数 自测试和调节器参数自设定是建立在参数辨识算法和控制器参数优化设计方法之上 的。自适应参数调整算法，使得参数自测试和调节器参数自设定可以在电动机运行过 程中自动完成，而且更有效和更准确。 5 ) 为完成比较复杂的控制任务，控制算法可能有必要是自学习性质的。一个典 型的学习过程是，在几次反复进行的示教过程中，通过某种学习算法，渐进的得到某 种意义上最优的控制序列。为新的控制任务，又需要进行新的学习过程。 6 ) 对于多机同步控制系统来说，当不仅提出过程静态的一致性要求，而且提出 过程动态的一致性要求时，模型参考的自适应控制方案是很合适的。 自适应控制系统的进一步发展将走向所谓“自学习”系统和“智能控制”系统。 这类系统将拥有大型记忆，模式识别，以及带有各式各样具有智能性的高级决策功能， 这类系统能够记住系统过去的经验和教训，识别曾经发生的情况，并能基于过去的经 验来逐步改进其自适应动作。 - 1 3 硕士论文基于直流伺服系统的模糊自适应控制的应用研究 3 3 模糊控制概述 3 3 1 模糊逻辑的形成 模糊数学 2 0 1 诞生于1 9 6 5 年，它的创始人是美国加利福尼亚大学的自动控制专家 扎德( la z a d e h ) ，在他的第一篇论文模糊集合( f u z z ys e t s ) 中，首先引入了 隶属函数( m e m b e r s h i pf u n c t i o n ) 的概念。隶属函数的取值范围是闭区间 0 ，i 中的任何实数，从而打破了经典数学“非对则错”、“非0 则1 ”的局限性，用e o ，1 间的数来描述中间过渡状态。扎德建立了模糊集合论的基础，首次运用数学方法来描 述模糊现象，这无疑是一件具有开创意义的工作。 控制论的创始人维纳在谈到人胜过任何最完善的机器时说：“人具有运用模糊概 念的能力”。人脑的重要特点之一就是能对模糊事物进行识别和判决。如何使计算机 能够模拟人脑思维的模糊性特点，使这部分自然语言作为算法语言直接进入计算机程 序，让计算机完成更复杂的任务，这正是模糊数学产生的直接背景。 模糊数学是研究和处理模糊现象的，所研究的事物概念本身是模糊的，即一个对 象是否符合这个概念难以确定，这种由于概念的外延模糊而造成的不确定性称为模糊 性( f u z z i n e s s ) 。在f o ，i 上取值的隶属函数就描述了这种模糊性。模糊数学一经 出现就表现出其强大的生命力和渗透力。2 0 世纪7 0 年代以后，在控制领域内得到了 很快的发展。 3 3 2 模糊推理 人类对于模糊信息之所以具有很好的处理能力，正是因为人们的思维以及语言表 达都具有模糊性。在人类的思维中除了对些单纯、清晰、易判断的问题迅速作出确 定性的判断和决策以外，大多数情况下是粗略的综合，所作的判断和推理结论也是定 性的，相应的语言描述也是不确定的。为模拟人脑思维的模糊性，对系统实现模糊控 制，关键技术是要建立了一个模糊模型一模糊控制规则库，而模糊控制规则库是人们 在控制过程中的经验总结所表达的一些不确定性推理规则的集合。因此有必要研究模 糊信息的处理方法，即模糊语言、模糊逻辑尤其是模糊推理的规律。 3 3 2 1 模糊语言 语言是思维的物质外壳，这里所说的语言是指日常中所使用的自然语言，并非机 器所使用的人工语言。在人们运用概念作出判断和进行推理的思维活动中，一刻也离 1 4 硕士论文 基丁二直流伺服系统的模糊白适应控制的应用研究 不开运用语词、语句等语言形式，因为概念是通过词语、命题来表达的，而推理则是 通过一组有联系的语句来表达的。然而，人类思维的模糊性使语言表达也相应具有模 糊性。模糊语言1 就是指具有模糊性的语言，它作为模糊数学的一个分支正处于深入 研究和发展之中，同时也在模糊控制、人工智能等方面得到了广泛的应用。 一个模糊词表示的模糊概念，实际上对应的是在某一论域中的一个模糊子集，在 对它进行模糊性定量刻划的基础上，在与语言算子构成的派生词( 即为新的模糊子集) 仍可用隶属函数来定量刻划。比如对模糊词一、b ，设相应的模糊集合的隶属函数为 儿、。，则隶属函数为：翱= 1 一。所谓的语言算子，除了上面的否定、连结 算子外，主要是表示模糊修饰词诸如“非常”、“大约”、“有点”、“偏向于”等等的 算子并与所修饰的语词一起进行模糊程度的定量刻划，常见的还有语气算子、模糊 化算子和判定化算子。 3 3 2 1 模糊推理 在逻辑推理中，命题一般称为判断。所谓推理就是从一个或几个已知的判断( 前 提) 出发推出另一个新判断( 结论) 的思维形式。例如： 大前提i 如果p ，那么q 小前提：现p 结论：所以q 只要前提为真，并且推理和结论之间的关系合乎逻辑规则，那么推理结论为真。 当推理所用判断具有模糊性时，也就是在推理规则( 大前提) 和事实( 小前提) 中含 有模糊命题，称之为模糊推理”1 ，所得结论为一个新的模糊判断( 模糊命题) 。目前， 模糊推理有许多种方法，常用的是玛达尼( m a m d a n i ) 方法和扎得( z a d e h ) 方法。尽 管它们的数学基础不是非常严密，但推理所得结论与人类的推理思维结论是接近的， 并能很好的用于解决实际问题，故在模糊控制中得到了广泛的应用。 3 3 3 模糊控制的基本原理 模糊控制就是在控制方法上应用模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知 识来模拟人的模糊思维方法，以实现对某些无法用精确数学模型描述的对象或过程进 行成功的控制。模糊控制器的输出是通过观察过程的状态和一些如何控制过程的规则 的推理得到的。它的构造基于三个概念：测量信息的模糊化、推理机制和输出模糊集 的精确化。 模糊控制系统的一般构成如图3 2 所示： 1e 硕士论文基于直流伺服系统的模糊自适应控制塑鏖旦婴窭 2 二写 图3 2 模糊控制系统的组成 它的核心部分为模糊控制器，如图3 2 虚线框中部分所示。模糊控制器的控制规 律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算法的过程是这样的：微机经中断采样获 取被控制量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号e 。一般选误差e 作为 模糊控制器的一个输入量，把误差信号e 的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差e 的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集 e ( e 实际上是一个模糊向量) 。再由e 和模糊控制规则r ( 模糊关系) 根据推理的合 成规则进行模糊决策，得到模糊控制量”( 模糊量) 为：“= e 。r 。模糊控制器的控 制规则由计算机实现，主要有四部分组成： 1 ) 模糊化。这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量。其中输入量包括外 界的参考输入、系统的输出等。 2 ) 知识库。知识库中包括了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常 由数掘库和模糊控制规则两部分组成。数据库主要存放的是所有输入、输出变量的全 部模糊子集的隶属度矢量值，若论域为连续域，则为隶属度函数。规则库包括了用模 糊语言变量表示的系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。它是按人的 直觉推理的种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连续而成，如i f t h e n 、e l s e 、a l s o 、e n d 、0 等。可以给出一组模糊控制规则： r 1 ：i fei sn 1 3a n de ci sn bt h e nu i sp b r 2 ：i fei sn ba n de ci sn st h e nu i sp m 通常把i f 部分称为“前提部”，而t h e n 部分称为“结论部” 3 ) 模糊推理。模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的 推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。首先计算 控制律中每条规则条件的满足程度，然后依据条件的满足程度推断单一规则输出的大 小，最后将所有规则的输出累加，得到总的模糊输出。 4 ) 清晰化。清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于 - 1 6 一 硕士论文 茎三兰鎏望里墨竺塑堡塑望兰壁兰型望窒望竺至 控制的精确量。清晰化的方法很多，其中最简单的清晰化的方法是最大隶属度法。在 控制技术中最常用的方法还有重心法、面积重心法、左取大法、右取大法、最大平均 值法。 综上所述，模糊控制算法可概括为以下的步骤：首先，根据本次采样得到的系统 输出值，计算所选择系统的输入变量；然后，将输入变量的精确值变为模糊量：接着 根据输入变量( 模糊量) 和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则计算控制量 ( 模糊量) ；最后，由上述得到的控制变量( 模糊量) 计算精确的控制量。 3 3 4 模糊控制器设计的基本方法 模糊逻辑控制器( f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ) 简称为模糊控制器( f u z z y c o n t r o l l e r ) ，因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件语句描述的语言控制规则， 所以模糊控制器又称为模糊语言控制器。模糊控制器的设计包括以下几项内容【6 l ： 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) ； 2 ) 设计模糊控制器的控制规则； 3 ) 进行模糊化和去模糊化( 又称清晰化的方法) ： 4