（电机与电器专业论文）电机转矩、转速模糊控制器.pdf

塑婆茎堂堡圭热塞j 坠童 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e saf u z z yc o n t r o ls y s t e mo f t h em o t o r ss p e e da n dt o r q u eb a s e do z h y s t e r e s i sd y n a m o m e t e r u s i n g t h et w op r o g r a m m e dd a qc a r d sb yt h ec o m p u t e r 则i t ， c o r r e s p o n d i n gc i r c u i t s , i ta c h i e v e s t h es t a b l em e a s u r eo fs p e e d - t o r q u ei nt h ew h o l em o t o r s p e e dr a n g ei n c l u d i n gt h e u n s t a b l er u n n i n ga r e a t h i ss y s t e mc a l la p p l yf o ra l lk i n d so f r a c t i o n a lp o w e rm o t o r i tc a ng i v ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n t o ft h em o t o r st - nc h a r a c t e r l s t i c u r v e a n ds h o wt h et e s t i n gd a t a t h ef u z z yc o n t r o l l e ri su s e di nt h es y s t e m ，s om o t o re 题b c o n t r o l l e dt om na tt h ec e r t a i np o i n ta c c o r d i n gt ot h eu s e r ss e t t i n go ft h es p e e d ，t o r q u eo p o w e rb y t h e s y s t e m ，q u i c l d y a n d p r e c i s e l y a n d i tc a n a u t o m a t i c a l l y d e t e c tt h m e a s u r e r a n g e o f h y s t e r e s i sd y n a m o m e t e r a n dd i f f e r e n tm o t o r s 。a l m o s ta i c h a r a c t e r i s t i c t e s to fm o t o rc a l lb ed o n eb yt h es y s t e m i tc a na l s ob ec o o p e r a t e dw i t ho t h e a p p a r a t u s t om a k eap o w e r f u lc o n t r o l m e a s u r es y s t e mo f e l e c t r i c a lm a c h i n e t h e t h e o r yo f f u z z y c o n t r o l 、s t r u c t u r e sa n d p r i n c i p l e so f e v e r yp a r ti nt h es y s t e m 、t h d e s i g no f t h ef u z z yc o n t r o l l e ra r et ob ei n t r o d u c e d t h ep a p e re l a b o r a t e st h ec i r c u i td e s i g ： i n c l u d i n gs e l l q o r s ，s i g n a lp r o c e s s i n g , d a t aa c q u i r i n g ，p w m c o n t r o la n di n s u l a t e da r i v i n g , 敝 i ti n t r o d u c e st h es o t b , v a r eo nm a s t e rp c f o ri n s u r i n gt h e r e l i a b i l i t y o ft h es y s t e m 。疆 r e l i a b i l i t yo f t h ec i r c u i ta n ds o f t w a r e a l ea l s od i s c u s s e d ， 塑垩查兰堡主堡苎 篓= 皇l ! l 第一章绪论 第一节引言 电机是与电能豹生产、传输和使用密切相关的机电转换或改变电能特性的机械。电机及 其控截在国民经济中起着重要作孀。无论是在工农业生产、交通运输、国防宇航、睡疗卫生、 商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用蓉备式各样的电机。电机既可 作为电能生产的乎蔽，也是电能应翊的主要形式。据搽料统计，我国生产的电能约6 0 用 于电动机。因此，电机工业在国民生产中占脊举足轻熏的地位，与人们的生活息息相关j 。 近年米，随着经济的飞速发展，备行各监都变得越采越兴酲发达，入氏的生活承平也隧 之不断提高。这种现象导致的一个可喜结果，就是电机行业里电机的供需量大大增加。特别 蹙这凡年，随着家糟电器的普及率不断增蕊，备种中小塑电祝产餐也大耩度提高，相应的电 机性能行业标准也跟着增加，而且日益完善所以对电机性能指标的要求日益提高，对电机 性能静耩确溅试氇嚣得更为蓬要，寄貉常用静试验方法隧测试精溲或速度不髓满是鬻求丽己 被淘汰。 电撬溺试技术鳃发震每毫稚工娩的发震密贸褶关。辩学按零抟发震对电祝疆琏l 了越来 越高的性能和质量指标。在新产品的研制过程中，除了必须对设计、工艺过程及理论分析方 嚣进行研究乡 ，还妊矮对产箍进行大鼙静试骏验证，采探索改逶静途径。镪蟊，窀毫蓬静性麓 测试对于做好电机设计来说是不可缺少的一步，这个必嚣的环节在电机设计中起到个信息 爱渡魏弦爝。攫撂发馈嚣僖惑薄电钒貔莰诗改进，壹蜀性能这至蛙饶。所以，没寄好耱电瓿 性能测试设备，电机设计工作将会是复杂且冗长的。相类似地，电机型式试验是电机的制造 厂家或存荚计量帮 j 对菜耱整号靛惑撬爨骰魏顼全悉的性裁试验，萁磊静是尧了确保绣生 产电机的电气和机械性能均达到国家规定的技术标准。遮种试验般只对各种类型电机中的 繁一台或营毙中筑咒台进蟹，迄捉只窍透过型戴试验方投产或继续生产。宅是产骟蒺量绦 证体系中的重要环节”1 。 电飒瓣转矩- 转速特蛙魏线( 露t - n 曲线) 是电动枧懿主要工掺特性夔线，t - n 魏绫能反映 电动机的最大转矩、 最小转矩、起动转矩、谐波转矩辞，它是反映电动机起动和遮行性能 好坏的一个重要指标。所以旋上述的测试与试验中，对t - n 趣线的精确测试是菲嚣燕要的。 近年来，微型计算机应用的大量推广为自动测试系统开拓了新的途径。微机在电机测 浙江大学硕士论文 第一章绪论 试中的应用主要有两个方面：一是用于控制；二是用于数据处理。前者强有力地推动了电机 测试装置和控制装置的自动化和多功能化，使用人员只要按动仪器面板上的功能键，仪器就 可在微机的控制下按程序自动进行一系列的操作：根据计算机的判断进行自动调节，使装置 处于最佳测试条件下进行测试：根据预先给定的要求，判断被测电机的性能指标是否合格， 当出现不合格产品时进行自动记录并显示、报警等：后者可用来处理测量数据，并对被测参 数进行量纲转换和换算，还可以对被测参数进行校正或补偿。”“ 电机制造厂在进行电机出厂测试以及型式试验时，除了要进行上述的t - n 曲线测试外， 常常要求调节电机运行至某一工作点，如调节电机运行至某一目标转矩、转速或功率等。再 由各种仪表测出此工作点的相应参数，最终获得电机的特性曲线。所以，优良的电机测试系 统除了能测量转矩、转速和功率等电机运行参数和t - n 曲线外，还应能准确快速地控制电机 运行至某一工作点。 传统电机控制主要采用p i 或者p i d 控制。但是，其有一个明显的特征：即模型的结构 非常精确。它是根据控制系统的物理，化学以及力学的特征，导出一些常常是复杂的模型方 程，求解这些方程需要复杂的算法，并且由于现实中，往往是多变量，非线性，时变大系统， 使得系统的复杂性与控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。 p i d 控制系统的基本结构如图i 1 所示 5 1 1 ： 图1 1p i d 控制系统 该控制系统首先给定目标值，然后由测量元件从被控对象检测出状态变量，用其反馈值 与目标值进行比较后，p i d 控制器根据偏差值进行运算，输出控制值控制被控对象。 用计算机实现数字p i d 控制，其控制算法的差分形式为 5 1 1 a u = k l e n + k 2 e 十1 + k 3 2 其中：k i = k p + k d t ，k 2 = k t - k 。2 k d t ， k 3 = k d t ： 这里n 为采样数，t 是采样周期，u 。是输出控制量的变化量 积分常数，k d 是微分常数。 作为被控对象的电机，其动态转矩平衡方程式为5 2 ： 弓2 厶 国小警 一2 一 是比例系数，k 是 堂垩查兰堡圭丝奎墼2 生崖l ! l 肌( 驴卅三连d t 即： i ( 乙一弓) 2 珊+ z + 一 ，口0 式中： z 二：电动枫产生豹电滋转短； 矸 ：电动机的负载转矩； ：旋转阻力系数； m：电动枫的视械角涟度： j： 电动机殿其负载的转动惯凝； 搿矗：电动橇鹣毒f l i 械霹漓常数； p i d 戏p i 控制器参数的确定，依赖上述模型的参数。当针j c 寸一种型号的电机整定控制 罄参数，往往会鸯较好魏按裁挂笺，毽对予雯一耱型鼍静电毂，若其瓤蠛瓣阕誊数掇：袁较 大的变化，则上述p i d 或p i 控制器的调节性能将很不理想，会出现大的超调或响应速度慢 等现象。 在电机测试j 建程中，为了得到熏复性好，精确度高的测试结果，要求工作点的调节过 程尽量短( 即速度尽量快) ，以尽量减少被测电机的发热。此外，由于电机磁路的磁滞效应， 还要求工作点斡变亿是革调递减或递增的，不成出现怒稠或工俸点来回交动这样静现象。由 此可见，p i d 或p i 这样的依赖数学模型的控制器难以满足精密电机测试系统的要求。所以 开发一静霹疆满怒上述要求懿窀辊测试系统茏为重要。 第二节模糊控制技本 基于上述考虑，奉论文提出采用模糊控铡技术替我p i d 控剿，劳将箕痖翔在驭蓬动曩 统为基础的电机测试系统中，且获得了良好的控制效果。 模糊控制是以模期数学为基础发矮起来黪一季中薮弱控翱方法。这耪较蒜l 方法是一种 线 性的控制方法，对那些无法确定数学模型和数举模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制 效累，解决了一些翅传统控剿方法无法解决的闽题。模嬲控割是建立在大类思维摸擞蛙熬基 础上的。模糊控制与传统控制又有着本质的区别，它不像经典控制那样需嚣用精确数字所描 述的传递函数，也不像现代控皋理论鄹样需要用矩阵袭零的状态方程。模期控判静核心是在 予它用具有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。控制规则往往是由对被控过 程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制在本质上来说是狩专家控制。这种控铡的控 制规m 4 充分反映了入的智能活动。模糊控制与经典的p i d 控制系统有着明艇的区别：模糊控 制系统不潞要建立数学模型，藤对于p i i ) 控制采说，最好要有数学模型。斑为不需簧数学模 麓t 因而模糊控制系统只需鬃人类的经验，进行自适应控制，控制简单。i i i p i d 控制则要进 登鋈查兰篓杰鲨奎- 墼二篓兰巳生 行参数调节比较麻烦和圜难。最主要的怒，爝过模糊控佑可以有效地抑制系统控制过程中的 擞荡耪怒调现象，扶露抉遮、稳定遗达到控制瓣鲍，霹墩使礅统被测壤搬攫姨运行至期麓嚣 转楚、转速以及凌率点。靼；突袭调节捩速梭。彝鞋搿嚣避匏大疆振荡帮趣灞瑶蒙a 1 2 i 模糊控制理论心1 b “4 1 ( 一) 模糕螽戆毒搂獭遥簿 在二值逻辑中，所谓的命鼷就是可l ；f 嚼确判断箕真假的陈述语甸。然而，有些陈述句并 非部可以霄确定性判断的。铡期“他缀年轻”就是个模韵性的概念。搴蜜上，我g j 辨逞至 辩繇述萄中，大豢懿廷鸯蠢模糊概念熟辕述匀，嚣二毽逻辑灵畿撰述瑟麓其鸯清磁穰念瓣对 象。因髭，对予禽有摸鬻概念或者是赘蠢横藏魏的陈述镯蕊稻稼其兔搂糕禽藤e 攘赣螽禚醵 标识符通常采用底部注有“”的英文大写字母来表示。相对与清晰命题而亩，模糊命题有 如下特点： ( 1 )模糊禽麓熬囊蓬，不蹩绝对靛“粪”域“缓”，嚣是爱获萁以多大惹凄隶藏 予“真”。西藏，它不蔗个镶。蔼是蠢多个馕，甚至怒逢绥璧。 ( 2 )若模糊命题的凝值设为n ，则q 0 ，1 ，当个模糊命题的熊值等于l 或0 对，该模糊帮鬏也就是一个清晰命题了。因越，清晰命题是遮擞命题弱一拿 特铡。 ( 3 )模糊命题靛一般形式为“a ：ei sf ”( 或者”e 怒f ”) ，其中8 是 横糊变量，或麓稼为变鬃；罗是菜个搂嬲概念所对藏躲摸墩巢合。搂鬻 螽蘧嚣粪壤，藏嶷该交羹对壤凝集合魏隶藕黧度采表嚣，魏： 4 竺f ( e ) 獭f ( 囝一1 瓣辩a 为奄真：羡之，鎏声f # ) 一0 瓣，粥a 必垒弦。 ( 4 ) 设论域e ，育模糊命题“a ：ei sf ”，藩v e e ，f ( 8 ) a ，且 8 【0 ，i 】，女称a 隽8 溪囊禽越。当一1 辩，蠲荛渣辫豹滚粪命瑟。 研究模糊命题的滚褥称为模糊逻辑。它楚建立程模糊集合和二德邂辑概念基础上的 类特殊的多值逻辑。因此，它也是二壤邂辑在模蝴化概念上的推广，如果把= 俊逻辑 称为瓣簸逻瓣熬话，帮么攘颧递辑魏怒一斡连缕毽逻瓣。模鞠遂饕筑昀冀馥，哥激怒， 】嚣瓣中筑锤簿毽，絮蓑汞了这个援糊奔惩为真貔稷壤。 一4 浙江大学硕士论文 第一章绪论 ( - - ) 模糊集合与隶属函数 爨摸期愈题描述懿元素鞠戏的集舍就是模糊象含。由字母下带一个表承。如a 。 对于某个元素是磷属于某个模糊集会，不仅用0 和1 两个值来描述，而是把 特挺豳数静数值扩充至静，1 】闭嚣闻魏连续篷。由菇来撞逮该元素藩予该模凝集合的程 度。 模糊集会鳇特征殛数称为隶属函数。袭数丞数豹毽称必隶属度。愆隶羼弱数可以接 述麓异间的过渡，使模糊概念能够定量表示。 下瑟给出用查德表示法裘示模糊集合爿。 设论域u 即所讨论元素的全体u ，a 是一个模糊集合，论域u 中的元索( 包括 x l ，x 2 ，x n ) 属于a 的程度由隶属函数表示，记作_ ( x ) ，可以表乐为： 。( x ) = ( 一) x l + “( x 2 ) x 2 + 十( x 。) ，“ 由予隶耩函数 ( 功臻蕈点表示辩笈浃了露素和隶聪发，掰敬氇就表示了模鬻集 合g 。上式中的如号势# 求和，它仅仅燕一秘记号，表示摸期集合在论域u 上的全俸。 ! ( - ) x ，也不表示分数，分母位置为论域u 中的元素，分子位置为相应元素隶属予 模糊集合a 的隶属度。通常，模糊集合往往是某论域的子集，称为模糊子集。 ( - - - ) 模糊集合的运算 由于模糊子集的特征函数悬它的隶属度函数，所以，进行两个模糊子集运算时通常 都憝逐点对冀采疆度避 亍耜痤鹣运算。 i ) 模糊集合的并 嚣个模糊子集擘鞠量戆菇的隶属蔹数。u $ ( x ) 为 f ! 唑( x ) 。m a x 扭 ( 并) ，$ o ) 】或表示为 憎0 ) = 【 0 ) v 芦8 ( 习】 式中“m a x ”和“v ”表示取大运算，即其隶属度最大的数为运算结果。 2 ) 模糊子集的交 两个模糊子集掣和拿的交的隶属函数。m ) 为 l i a n b 一( 并) 2 m i n # a ( x ) ，1 0 ) 】或袋示为芦m ( x ) = c ( 曲 日( x ) 】 塑垩盔兰堡主鲨苎翌二里j 翌! 、_ 式中r m i n ，和“ 表示取小运算，即其隶属度最小的数为运算结果。 3 ) 取余运算 对于爿，余运算用4 表示，其意义为： 一( x ) = 1 一心( x ) 一 模糊集合的运算不满足互补律，但是满足布尔代数的其它定律。 ( 四) 模糊关系与模糊矩阵 以模糊集合爿和b 的直积爿b = ( 口，6 ) la a ，6 毋中的一个模糊子集 b ，则称为a 到曰的一个模糊关系。模糊关系中的序偶( a b ) 的隶属度为月( 口，b ) 这种关系可以用表格表示，如表1 1 表明了人的身高a 与体重b 的关系r ( 标准 体重) 。 表1 1a 与b 的模糊关系 r 8 ( k g ) b lb 2b 3kb 5 淤 4 05 06 07 08 0 a l ，1 4 0 l0 80 201o a 2 1 5 0 o 81o 80 20 1 a 3 ，1 6 0 o 2o 8l0 80 2 a 4 ，1 7 0 0 10 20 810 8 a 5 ，1 8 0 oo 1o 20 8l 如表中说明身高为1 4 0 c m 体重4 0 k g 的人属于关系( 标准体重) 的程度为1 。 表中a i 与b i 垂直相交的元素就是序偶( a ，b 0 的隶属度z 月( 口，b 。) 。模糊关系常 用模糊矩阵表示。 表1 1 表明的a 与曰的关系尺可用模糊矩阵表示为 b lb 26 36 4b 5 a 1o ，8o 2o 1 o r = 口2 0 _ 810 8o 2 0 1 a ，0 2 0 810 8 0 2 口d 0 10 20 8l 0 8 0 0 10 20 8l 用模糊矩阵表示模糊关系比用表格表示更简单明了。 模糊矩阵定义如下： 塑翌查兰堡主堡苎鱼二皇墨! l 设存在有限集合a = a l ，a 2 ，a m ，b = b l ，b 2 ，b 。) ，则a x b 中的模糊关系璺可 表示为下面的m n 阶矩阵 r = r ( a l ，b 1 ) ， 月( a 2 ，b 1 ) ， r ( 口。，b 2 ) ， r ( 口l ，b 2 ) ， 月( 口2 ，b 2 ) ， r ( 口。，b 2 ) ， 并称为模糊矩阵，可简记为 r ( 口l ，6 。) ， 月( d 2 ，b 。) ， 2 r ( a 。，b 。) r = ( r l j ) 。 其中r g = 一( a 。，b ，) ，是矩阵墨中第i 行第j 列元素，它表示集合鲁中元素a t 与集合b 中元素b 。构成的序偶( a i ，b i ) 的隶属度。 通常把模糊矩阵与模糊关系看成同一件事。对模糊关系执行运算实际上事对模糊 矩阵执行运算。 对于m n 模糊矩阵a ，n p 模糊矩阵b ，有模糊矩阵c c = a o b 称c 为a 与b 的合成。式中c 中的i 行j 列的元素c i j 为 0 0 2 m a xm i n a i k b k j ( k - l ，n ) 表示4 中i 行与曰中j 列对应元素进行取小运算，再把所得得值进行取大运算。 ( 五) 模糊控制 模糊控制是利用模糊逻辑对人们的专业知识和基于规则控制的知识进行精确描述的一 种控制过程。它的突出特点为： 1 模糊逻辑中引入“隶属度”概念，突破了简单二值逻辑的局限性，符合人对不确定 性事务的模糊描述方式，是解决不确定性系统控制的一种有效途径； 2 模糊控制是基于人类的经验和知识，建立语言型控制规则表，然后根据实际系统的 输入，即可实现实时控制，而不需要建立被控系统的精确数学模型； 3 模糊控制的控制规则具有相对的独立性，利用这些规则间的模糊连接，容易找到折 衷选择。使控制效果优于常规控制方法。模糊控制算法是基于启发性的知识及语言 决策规则设计的，有利于模拟人工控制的方法，增强了适应能力： 4 模糊控制系统具有极强的鲁棒性，对干扰和系统参数变化不敏感，尤其适合于非线 性复杂系统的控制。 浙江大学硕士论文 第一章绪论 模糊控制中的知识是用一系列规则表示的。例如，可以用这样表示： 始祭输入e 为，井艇输入c 为c ，那么输出u 变为。可写成： i fei s e ，a n d c i s c ，t h e n ui s 玑 其中，e ，c 为输入量，u 为输出量，e ，q ，氓是裘示人们知识的语言值，如“大” “中”、“小”等。这蛰语言值靛定义为模糊子集。一系列这样的规则就体现了人们对浆一对 象进行控制的思维过程。模仿人们的思维过程实现上述规则的装置称为模糊控制器( f u z z y c o n t r o l l e r ) 。下瑟舟绍模糊控懿嚣设计避程孛薛蒸本翔识。 1 输入模糊化 埝入模糊诧戆任务是把竣入绘摸期投毒器熬穰礁量转换残控裁甄受爨嚣戆摸期鬣，鼙技 出该精确量隶属于某个模糊子集的隶属魔。首先要定义模糊集的隶属函数的形式。模糊控制 器的输入模糊子集常常对应一些语言值，它体现了人们对辕入量的理解。定义这些搂嬲子集 往往要受到经验的影响。下面介绍两种常用的方法。 1 ) 正态分布形式 摄据入静慧维特患，对事躲的羚断校往沿胡正态分布。因此，麓正态分布的隶属函数能 够体现人们判断事物的思维特点，其形式为： 一f 三二! 、2 ( x ) 掣霉5 式中，a 是正态分布的中点，b 决定了燕态曲线熬宽窄，当x = a 霹，对_ 的囊属凄最大， 掣4 ( d ) = 1 ，如图1 2 所示正态分布的隶属函数。 正态分布曲线虽然符合人的思维特点，但是由于公式复杂，进行模糊化时需计算指数函 数，计算工作量大。因此，往往用近似的曲线代蛰忑态分毒魏线。铡翔用梯形麴线近似伐替 正态分布曲线。 2 ) 梯形寝示法 _ 麓j 撵形 弋替正态分布曲线，可以避兜指数运算，大大减少模糊化时的计算工作量，有利 于软件实现模糊化和实时控制，其图形如图1 3 所示梯形表示的隶属函数。 囱爨形表添蕊隶瘸殛数，冀宽窄形获由曲，e ，d 嚣个参数决定。 o u uo 图12 i 叵态分布的隶属函数 阁l _ 3 梯彤表示的隶属函数 8 一 x 塑垩查兰堡主笙兰2 邑兰l 垒一 用于描述模糊集( 对应于语言值) 的隶属函数的形状，应由实际系统的具体情况来决定。 不同的隶属函数对系统响应的影响是不同的。如图1 4 所示的隶属函数为例，模糊集g 的隶 属函数。( x ) 的形状较窄，是高分辨率的，它引起的输出变化相对强烈，控制的灵敏度高。 模糊集b 的隶属函数日( x ) 形状较宽，是低分辨率的，它引起的输出变化相对缓慢，控制 灵敏度低，控制特性较为平缓，系统较稳定。一般情况下，当遇到偏差较大的情况时，宜采 用高分辨率的模糊集；在偏差很小和接近零时，则采用低分辨率的模糊集。 u x 图1 4 具有不同隶属函数的系统 模糊集的隶属函数的形式确定后 入量的变化范围内定义七个模糊集： 6420 246 图1 5 输入分为七档的七个模糊子集 就要定义某一输入变量对应的模糊集。一般地，再输 e ：n l ( 负大) ，n m ( 负中) n s ( 负小) ，o ( 零) ，p s ( 正小) ，p m ( 正中) ，p l ( 正大) 。 用这些模糊集所代表的语言值表示人对输入量大小的反映。当然，也可以对每个变量用 更多的模糊集来描述。例如用n l ( 负大) ，n l b ( 负较大) , n l m ( 负偏中) ，n m ( 负中) ，n l s ( 负较小) n s ( 负小) ，0 ( 零) ，p s ( 正小) ，p l s ( 正较小) ，p m ( 正中) ，p l m ( 正偏中) ，p l b ( 正较大) ，p b ( 正大) 共十三个语言变量的模糊集来描述。这样制定的规则更细致、灵活， 控制更平滑。但是，相应的控制规则也就变得更复杂，各种计算也更繁琐，在计算机上占用 较长的时间，不利于在线推理。所以，在选择变量的模糊集时，应根据实际情况合理确定。 另外，在定义某一变量的各个模糊集时，还应注意它们对论域的覆盖程度，一般应使论域中 的每一点对大约3 4 个语言值( 模糊集) 的隶属度不为0 ，而且论域中任何一点对这些模 糊集的隶属度的晟大值都不能太小，以防止在这样的点上出现失控。 对于输入分为七档的情况，相当于为输入量定义七个模糊子集，下面给出一种梯形分布 的隶属函数，如图1 5 所示。隶属函数也可由表1 2 描述。 9 一 浙江大学硕士论文 第一章绪论 表1 2 模糊量x 的模糊化表 忒 65 43210123 45 6 巨n l 1 0080 4o 10 o000oo00 易n m 02071 00 70 2 0oo0o00o en s o00 207l o 0 90000oo0 e0 00oo0 51 o0 5o0o000 如p s 00oo0o00 91 o0 70 20o e 6 p m oo00 oo00o 2o 71 00 7o2 e 7 p l o00000 0000 1o 40 81 0 表1 2 和图1 5 中的x 是输入量，其变化范围为一6 十6 ，是精确的连续量经过四舍五入 后的值。n l ，p l 是模糊子集。图1 5 中纵坐标和值表1 2 中的数值u 是输入x 所对应的 个各模糊子集的隶属函数u 的隶属度值，是模糊量。如：若x - 6 ，查表12 可知，它属于 p l 的隶属函数u 的值为1 0 ：属于p m 的隶属函数u 的值为0 2 。 由图1 5 可看出，当输入( 绝对值) 较大时，模糊集的分辨率较高。当输入( 绝对值) 较小时，分辨率较低。只有在输入的变化范围在 6 ，+ 6 之间时才可通过直接查表1 2 找到输 入x 属于各子集合( p l ，p m 等) 的隶属度。如果输入x 的变化范围不在卜6 ，+ 6 1 2 _ i i q ，而是 在 a b 】之间，则可先利用式( 1 - - 3 ) 求出y ( 此时y 必在 6 ，+ 6 】之间) 。然后按四舍五入的方 法把y 取整。把取整后y 的值作为表1 2 中的x 的值查表求得隶属度的值。 y = 兰卜半 式中，x 是输入，其变化范围在h b 】之间，y 是用于查表1 2 时用的值，变化范围在 - 6 ，+ 6 1 之间。为了使各语言值的隶属函数更合理，可根据实际的情况及经验进行修正。 有了上述各语言值即模糊子集对应的隶属函数，就可把实际输入值转换成各个模糊子集 的隶属度值。般常采用以下两种方法。 1 ) 公式法 公式法直接利用隶属函数公式，计算某一输入值对各个模糊子集的隶属度。 对于图1 5 的梯形形式的隶属函数，可以用分段的方法计算。按x 值的大小，分成五段 u 5 0 ( x a ) ；“= 妻三昙( a x b ) ： u = l ( b x c ) ： “= 考二三( c x d ) ；u ：o ( x d ) d 一日d r + 一1 0 塑垩查堂塑主笙茎 篓= 兰一笾兰一 梯形形式的隶鞴函数形式简单，算法规范，很容翁由软件竞成。 2 ) 畿表法 怼予诗舅公式复杂或没鸯公式表示靛隶瓣涵数，霹皴采鼹囊表夔方滚。 首先，根据模糊控制的要求，确定隶属函数的形式。根据输入的实际值x 按四舍五入的 方法对应炭中的按量化数值：例如亵1 2 中的卜6 ，+ 6 】，然后由袭得出对应番摸糊予集撂隶属 函数值。 查表法的特点是计算速度快，并且由于输入被转化为有限离散值，所以可以把模糊控制 赡烈台势披于一个袭中。经避这样豹台荠鼓舞能够减多诗算提程线计算蘩，抽倏搂凝控劐速 度。但是，由于输入量的四含五入，信息量损失严重，会影响系统的控制性能。为保证系统 性能，在系统调试时要反复修正表揍。 2 条件语句和模糊推理合成规则 在把输入模糊化之后，应该进行模糊推瑗。模糊推理多采用条件语句。这釉撼瑗有三秘 形式： 1 ) “i fa t h e n b ”语句。 推理规则为： 若已知输入为a ，则输如为曰：则有输入与输出的关系兄 r = a x b 如果存在新的输入a l ，则输出崩可以由下式求得 艿l = a 。r 一 2 ) “潆a t h e n be l s e c ”语句。撼理摁则为： 若已知输入为a ，则输如为b ，否则为c 。则有输入与输出的关系r _ 一 r = ( a x b ) v ( a x c ) 如果存在薮鲍簸入薹，刘较出蕊可班囱下式求褥 b i = a l 。r v * 3 ) “i f aa n db t h e n c ”语句。推理规则为 若已戋班输a 为a 和b 对寿辏出为0 ，裂毒输入与赣出熬关系r r = ( a x 功7 c 濒波大学硕士论文第一章绪论 如果有新的输入为a l 和b l ，则由下式求出输出c c l = ( 4 b 1 ) 7 。r _ 上式中类似( d ) 1 这种形式袭承把矩阵d 中的元素按行的顺序排成列向量戏行向量。这 种推理规则是工业控制最常用的。 实际工作中，操作者对工业按割过程的控制经验不只一条援撵，通常可以总结出多条规 律，对应有多条语言攘瑾语句，如 i f e = e l a n d c = c l t h e n u = u 1 _ _ i f 量2 量a n d c = c 2 t h e n u 一一2 f e 。2e n a n d c 。q t h e n u 一= u 。 对应每一条谬露，都有相应静模期关系，帮r l ，r 2 。r 。，当给定输入e + ，c + 后对应每个模糊关系都可以根据模糊推理的合成运算求得相应的控制量u l ，u 2 ， u 。+ ，控翻器瓣禳穰簸出u 为： 不难证明： 其中，u = r l v r 2 v 3 模糊判决 u = u i v u 2 + v v u 。：y nu ， “ 一 ，。i 致= ( 萎c + 弘r _ v 冬。兰! 是系统的总控制规则所对应的总的模糊关系。 由上述可g 模糊控帚l 器静输斑楚一个模糊鬃，它反映控南l 谬骞不阍取值的一种缝合。即 输出掣是论域z 上的模糊子集。它包含多种控制量的多种信息。但是，实际系统的控制量 要耀矮搭数值去控剿+ 由摸期臻掇孥虢定技雩亍爨z 熬进程称为攘糍翔决，它宠戏垂模鬻鬟 到精确量的转换。遄常有三种方法。 1 ) 最大隶属腱方法 如果对应的输出量的模糊子鬃必孥，刘把论域z 中对拶的窳斌痉最大豹那个元素z m 。 作为执行量。即应满足 一1 2 一 游援大学硕士论文 第一章绪论 ! ( 2 m “) ! ( z ) z z 铡懿：u + = 0 ，2 1 2 + 0 3 3 + 0 8 4 + i 0 5 + 0 + 7 6 + 0 。2 ，7 则执行鬣应取隶属度燎大值1 0 对应的量作为执行量，薯。= 5 。 如果这样的最大量z m 。有若干个，则应取平均值，或取( z i l l 。mz l l l m 】区间的中点作为执行 设z m 积is 三m 牡2 z m 拣h 则应取z m 糕= ( z 。蹦j + z 。戡2 + + z 。a x 。) ”或则z m 赋拦( z 龇。1 + z ) 2 例如：u + = o 1 1 + 0 8 2 + 0 5 3 + 0 8 4 + 0 8 5 + 03 6 则z 。= ( 2 + 4 + 5 ) 3 = = 36 或 z 眦。= ( 2 + 5 ) 2 = 3 。5 这静方法懿优点是麓荸翁舒。僵是，壶于这释傲法完全撵除了其筏一韬索瓣度较小元素 的影响和作用，所以它概括的信息量较少。 2 ) 加权平均法( 又称重心法) 设摸期竣蹬为：u = ( 或) i z l + a ( z 2 ) l z 2 + ( z 。) t z 。 则执行擞z m 。由下式决定 ”( z ，) 。 ( 0 ) 例如，嵇u + = 0 2 2 + 0 6 3 + 0 8 4 + 1 5 + 06 6 鼹z 。= 0 2 x 2 面+ o 而6 x 3 五+ o 丽8 x 再4 + 百l x 面5 + o 6 x 6 1 4 3 - 2 = 4 3 7 5 在此权雯系数就是隶属度( ：) ，一般情况下公式为： 每 z m “2 型_ k - - 1 3 鹾蒎大学壤论文 第一章绪诠 其中，权重系数k 的选取，殷接影响执行鬣盏。它对系统的响应特性起着重要作用。 因此，要改善系统的性能，必须选取合适的权重系数。在实际系统设计中应根据实际情况调 整鸯美攫重系数。 采用重心法采确定模糊量中能反映出整个模糊信息的精确德，这个过程粪同于概率论中 的求数学期望过糨。加权系数的不同，则所得的精确值就不同，这样显然会影响系统的响应 特性。在重心法中，选取4 z 。) 为加权系数是恰警鲍。如果为了加强隶属度大约元素的作用， 羽霹班取翻投系数酶一【牟( z ；) 1 2 , 这瓣毒 刚上倒中 ：m x = z “( z ，) 】2 = = j 生一 4 z ；) 】2 ( 9 2 ) 2 蔓三( o 6 ) 2 3 + ( o 8 ) 2 4 + 12 5 + ( o 6 ) 2 6 ( o 2 ) 2 + ( o 6 ) 2 + ( o 8 ) 2 + 12 + ( o 。6 ) 2 ：竖：4 ，5 3 3 2 4 与式( 1 - - 5 ) 求出的4 3 7 5 相比式( 1 7 ) 加强了隶属度鞍大的元素的作用。 3 ) 取中位法 为了充分剥用模糊子集所有的信息，可采用中往法。中位数法是把u 的墩攥趣线与z 轴( 横轴) 之间的蕊积用垂直予z 轴的直线分为黼积相等的两部分，刚该直线与z 轴交点的 坐标值z + 即为判决结果。 此方法需要计算隶属曲线下的面积，而隶属腱又常是离散值，可用近似的方法计算。即 翰& 判决量z 应满足 艺c ，( z ) = 芝【，( = ) 铡魏：u 一0 。2 1 - 4 + 0 5 - 3 + 0 7 - 2 + 0 弘 + l 绺增。8 1 + 0 貔+ 0 。4 8 则面积避似值为：s = o 2 + 0 5 + 0 7 + 0 7 + 1 + 0 8 + 0 6 + 0 4 4 9 断积的一半为4 9 2 = 2 4 5 。如图1 6 所示，z 从一4 到z = 一0 6 5 面积为2 4 5 ；z 从z ： - - 0 。6 5 到3 的露 4 l 图5 元激隶属度累加曲线 一4 一 = 一0 秘。 塑竖查兰堡杰篓苎 一 一兰堂叠兰羔l 堡一 上述三种判决方法各有特点。最大隶属度方法，简单、易实现。但是只考虑了主疆信息， 亮全弦弃了次要信惑，缺乏套嚣牲。鬟心法虽然考虑了备争争蠢素，但是，设置投重辩人为因 索影响较大。取中俄法考虑了各种信息对执行擞的影响，但是，计算方法比较复杂，不易实 现。 1 2 。2 模糊控制的现状和发展前景玎卯 建立在被控对象精确数学模型( 微分方程、传递函数或状态方程) 基础上的经典自动控 制理论和现代控制理论已在许多领域中取得了辉煌的成就。但是，在现代工业控制和实际生 产过程中，由于影响控制系统的因素根多，也十分复杂，因此建立控制系统的数学模型特别 缓难，甚至跫不可畿豹。予楚，美国熊控罱l 莲论学家藐撼( l a 。z a d l ) e h ) 予六十年代箭建了 模糊控制集合理论( f u z z ys e tt h e o r y ) 提出了模糊控制技术，即采用模糊控制器应用模糊集 合理论进行统筹考纛兹控割，攫据实黪系统獒稔入输出结莱，参考残场操终入曼躲运行经验， 对系统进行实时控制。七十年代英国的马丹尼( e h m a d a n i ) 酋次将模糊控制理论应用于 蒸汽枫控剑，学者溺鼍( r t o n ( ；) 在学术杂志上黄次发表了模糊控制技术论文，l 十年代模糊 控制技术的应用进入了一个全面、深入、硬件专门化的阶段，模糊控制技术有了飞速发展， 并拓展到了其它领域，取得了丰硕成粱。 ( ) 模糊控稍的现狡 事实上，虽然模糊控制还正在发展之中，它严密的理论体系还有待完善。但是，模糊控 铡在各秘镁城基天意瓣建解凌了蒋绞按翱方法秃法或者鼹软解决戆闫踅，势酸得了令人注蠢 的成效。如模糊控制在温度控制、锅炉和蒸汽机运行控制、交通控制、化工生产过程控制、 麓炉冶炼过程控制强及家鼹电器控制甾方藿都毅褥了缀好数效暴。特别是覆家塌电器控制 中，模糊控制得到越来越广溅的应用，使家用电器的功能更多，使用更方便灵活。现在，人 们已经明确地知道：模糊控制照目前程控制领域中所采用的三种智能控制方法中最具有实际 意义的方法。电机采霄模糊控俸g 可| 三 裔效地解决动态响藏时间，系统震荡和超调等问题。 模糊控制基于隶属度函数和模糊合成法则等思想上，巧妙地综合了人们的直觉经验实 联了在经懿控磊l 理论鞫琨手按露l 瑾论不大奏效场合翡謇动纯控稍，出于模糊控隶技术其有不 依赖被控对象的精确数学模型，设计简单便于应用，抗干扰能力强，响应速度快，易于控 剁积掌握+ 慰系统参数熬变他寿较强鹃鲁捧牲等特点，多瘟玛予砖不确定梭系统进行控稍。 模糊控制具有良好的控制效果的关键是要有个完善的控制规则。但由于模糊规则是人 们对过程或对象模糊信息的姻纳，对赢酚、非线性、大时滞、时变参数以及醚规干扰严重豹 复杂控制过程，入们的认识往往比较贫乏或难戳总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制 在某些情况下很粗糙，难以遥应不同的运行状态，影响了控制效果。 ( 二) 模糊控隶l 溪究方向与技术展望 模糊控制仍然是个充满争议的领域。由于它的发展历史还不妖，理论上的系统性和完 塑坚盔兰壅圭整壅篷二量墨! 善性、技术上的成熟性和规范性都还是不够的，有待人们的进一步提高。模糊系统理论还有 魃重要的理论谭鼷没有解决。其中两个重要的问题是：如何获得模糊规则及寒属函数( 这 在嚣蘸完全凭经验进行) ；魏藏骤涯摸期系绞瓣稳定瞧。 模糊控制规则浚计方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法、量彳七水平、采样周 期的最优选择、规则的系数、最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题。进一步则 要求我们给出模糊控制器的系统他设计方法。 在国际丈趋势瓣接动下，模糊按稍已瑟始自多元车| ：弱交叉学辩方鑫发曩，搂糍鞭溅控裁、 模糊诊断、模糊模式识别、模糊决策与规划、模糊数据库与模糊程序设计语言簿部属于较为 前沿的研究方向。对于存在的精度不高与适应能力有限及易产生振荡现象等问题。相信随着 离性能和交叉学科类模糊控制器的发展，它所存在的不足将会褥到弥辛卜，保证控售8 达到所期 螫瓣效果。 总之，模糊控制有一套和传统控制方法完众不同的理论和方法。何况，一种技术是否先 进，是以在实际中应用是否取得良好的效果而体现的，决不是因为其冗长的论证或美妙的描 述麟会往秀起来。摸期控意l 这种技术，尽管其理论髂系尚未成熟，毽萁大量应用的趣誊戏效 足以表明它莛一萃牵翡途无量斡控零。 第二节本论文所做的工作 本系统采用与被测电机同轴橹连的磁滞型测功机作为转矩、转速信号检测装置，把转矩 和转速信号进行放大、整形和转换后通过隔离电路送至数据采集卡，经过计算机的软件程序 实现测量和控制的功能。系统对电机进行闭环控制，使之达到所需工作点，测得相应的稳态 转斑转速蓬，莠数字显示。 通过对电机稳定运行原理以及传统不稳定运行区域的研究。率系统采用新型控制方法使 得被测电机能稳定运行在传统不稳定运行区域。遮样就使得被测电机能在特性曲线上任意点 稳定运行n 进而可以由系统自动测如被测电机鹣t - n 特性曲线。竭样可以使被测电规稳定 运行在襄望工作赢； 针对电机期望工作点的调节。采用传统控制方法在调节速度上缓慢、并且有时会出现大 幅振荡以及超调现象。本系统采用了模糊控制理论对电机进行控制。可以使被测电机很快运 行蚕h 期望的转矩、转速班及功率点。鄹：实现调带抉速性，同黠可以避免犬螺掇荡窝超调现 象。 所以，实现电机在传统不稳定区域稳定运行的控制，进而测得电机的t n 曲线：采用模 糊控制实现电机任艨工作点的快遄调节，是本系统的主要特点。使用本系统测试和控制电机 赫攀方便、只嚣少郏分人工操作。掇毒操作均在诗簿规控铡下避粒，霹完袋嚣蠢试验矮星豹 数攒照理、试验数据翡表格输出及艟线绘澍等功能。 论文第二章从系统的设计思想和总体结构如戡。叙述了系统设计原理以及硬件设计，对 一1 6 一 浙江大学硕士论文 第一章绪论 一些重要部分还提供了电路图；第三章详细介绍了模糊控制的原理、系统模糊控制器的设计、 搂翻控翻簌擎 程岿豹编写，另终，还穷绍了葵意软 孛程痔设诗秘系统软嚣雾嚣戆珐藐。本文 最后介绍了系统的可靠性设计，包括硬件可靠健设计和软件可靠性设计两躯分。 一1 7 塑圣查兰鍪杰造茎 簦三兰墨竺墨堡兰鍪! ! 薰翌 第二章系统原理与硬件实现 第一节系统的功能和总体构成 本实验室开发的电机转矩、转速模糊控制系统除了能进行电机转矩、转速和功率的测 量并实时显示以外，还能控制被测电机使冀在转矩和转速两种控制方式下直接运行于某一期 望工作点，避 亍电机t - - n 曲线的自动测试， 4 用模糊控制原理实现电机期望工作点的快速 穗确谲萤等功能。 本系统采用与被测电机同轴相连的磁滞型测功机作为转矩转速检测装置，通过对测功 机给出的转矩和转速信号进行放大、整形、滤波以及电量隔离传感器后，融数据采集卡邀至 上使机，上健枫通过软件疆廖对两种信号分4 进行计算处理。褥到同步的转矩、转速矛鞋功率 藿。同时，主位规摄据运行