【《基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统研究》12000字】

基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统研究TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 1第1章绪论 11.1直流调速系统简介 11.2模糊控制的发展状况 21.3本文研究的主要内容 2第2章双闭环直流调速系统建模 42.1双闭环直流调速系统的组成 42.2双闭环直流调速系统的工作原理 52.3双闭环调速系统的数学模型 62.4调节器的工程设计 7第3章模糊控制器的设计 133.1传统PID控制器的原理和设计 133.2模糊PID控制器的原理和设计 173.3双闭环调速系统的模糊PID控制器的设计 19第4章MATLAB系统仿真 254.1传统PID控制的双闭环直流调速系统的仿真与分析 254.2模糊PID控制的双闭环直流调速系统的仿真与分析 274.3仿真结果分析 30第5章结论 31参考文献 32摘要为了解决直流调速系统中被控对象具有弹性、间隙等非线性问题，模糊控制理论技术已成为近年来直流调速研究的热点。本文基于模糊PID算法的双闭环直流调速系统的研究，介绍了PID控制技术和模糊控制技术的发展现状，并详细阐述了模糊控制技术的原理，设计了转速电流双闭环直流调速系统，将电流环校正成典型Ⅰ型系统，使电流更稳定，把转速环校正成典型Ⅱ型系统，增加抗干扰性。其中，电流环采用传统PI控制，转速环采用模糊PID控制。采用模糊PID控制和传统PID控制相结合，使系统即具有较好的稳态精度，也具有良好的动态性能。在MATLAB/Simulink环境下系统的仿真模型，对其动、静态特性和鲁棒性进行分析，仿真结果表明，模糊PID与传统PID相结合的双闭环调速系统，其性能参数比传统PID双闭环调速系统有以下优点：控制性能好，响应快，过渡过程时间短，基本无超调。关键词:模糊算法；双闭环直流调速；PID控制；Simulink仿真第1章绪论1.1直流调速系统简介直流电机速度控制意味着电机的速度为了满足机械的基本工作条件而进行人为的或自动的变化。一般来说，从机械特性的观点来看，为了改变电机的稳定运行速度，通过变更电机参数或施加的电压，来变更电机的机械特性和工作特性的交点。直流电机具有大的起动转矩、良好的速度调节性能、在大范围内具有平滑的速度等良好的操作和控制特性。长期以来，其调速系统在产业控制领域占有非常重要的地位。近年来，交流速度控制系统发展迅速，有望取代直流速度控制系统，但现在直流调速控制还为主流。在许多工业部门仍需要高性能的调速控制。因为直流速度控制系统理论和实践成熟，所以从控制技术的角度来看是交流速度控制系统的基础。DC电机仍然广泛用于具有高速调节性能或高转矩要求的地方。调速系统发展趋势：（1）交流化随着交流速度控制系统成本的降低，现有的直流速度控制系统不仅被交流速度控制所取代，而且许多传统的恒速交流传动系统也被交流速度调整系统所取代，传统的直流速度限制无法实现高速化。高功率区域也使用交流速度调整系统。（2）高频化功率驱动装置采用能够将低频半控制装置置换为中小功率内的高频全控制装置，提高系统性能及电网的功率因数。（3）网络化在大规模多机器共同作业的高度自动化系统中，需要计算机网络的支援。传输设备和控制器连接到总线或工业控制网络作为节点，以实现对系统的实时监控，对象为集中或分散的生产过程。1.2模糊控制的发展状况模糊控制的概念是1965年由查德在他的作品中首先提出的，包括《FuzzySet》和《FuzzyAlgorithtn》。这主要是研究现实世界中的一些模糊问题，并明确使用它们。随着系统的复杂性的提高，传统控制方法将难以满足系统实时控制的要求。人们经过不断地研究和实践，发现了当一个非线性复杂的控制系统，在一个良好的操作经验的工作人员的人工操作控制下，就能得到良好的控制效果。模糊控制方法是从行动模仿人的模糊意思决定和推论过程的控制方法。这可以在很多情况下使用，例如模型参数和负载变化大、测量数据准确度较低等。在传统PID控制器中，参数基于微分方程描述的过程模型的状态分析来进行调整，而模糊PID控制器参数基于过程函数的逻辑模型产生的规则进行调整。上世纪的模糊控制理论出现时，大多数学者特别是权威学者都没有认识到模糊集合论，对模糊集合理论反对有两个主要原因。原因之一是模糊理论，实际上还是传统的概率论。其次是，模糊隶属函数的确定被认为是具有主观性的，其对系统方法的规范，不严格，所以不可靠。由于许多学者的反对，在美国发展模糊理论的速度十分缓慢。在欧洲，主要研究模糊控制方面。20世纪70年代初，Mamdani教授将模糊理论应用于控制锅炉等设备之后，模糊控制理论的发展得到了极大的进步，受到了人们的认识和评价。1980年代末，模糊控制理论进入了包括美国和其他国家在模糊控制理论和模糊控制研究产品中的发展阶段。近年来，模糊控制的开发非常快[1-3]。1.3本文研究的主要内容本文基于模糊PID控制的双闭环直流调速系统的研究，采用工程设计方法，结合传统PID控制与模糊控制，总体提升了系统的控制性能。本文章节内容安排如下：（1）介绍直流调速系统及其发展趋势和模糊控制发展状况，以及对本文主要内容进行简述。（2）介绍双闭环调速系统工作原理，建立了其数学模型，并介绍了双闭环系统中的电流环和转速环的结构，详细描述ASR和ACR的工程设计步骤。（3）介绍传统PID控制双闭环系统的的设计，采用工程设计方法，设计内环（电流环）和外环（转速环），并对ACR和ASR进行结构参数计算；介绍了模糊控制的工作原理及其作用，基于对模糊控制规则、模糊算法等分析，设计双闭环调速系统的模糊PID控制器。（4）基于仿真软件MATLAB，对双闭环调速系统，分别基于模糊PID控制和传统PID控制的方式，进行构建仿真模型，并进行仿真结果对比，结果表明模糊PID控制的双闭环直流调速系统具有鲁棒性良好、响应速度快等优点。（5）在基于模糊PID控制的双闭环调速系统的研究上，对本文所做的工作进行总结，以及阐述研究结果。

第2章双闭环直流调速系统建模本章介绍双闭环直流调速系统工作原理和组成，以及其数学模型，基于数学模型，描述了系统的起动特性，并详细给出了ACR和ASR的工程设计方法及步骤。2.1双闭环直流调速系统的组成由于单闭环系统的结构影响，电机的电磁转矩也会降低，启动处理过程变慢，影响启动速度的时间也会增加。为了提高生产效率，在允许条件下实现电机的理想启动，为了维持最大电流，需要用一段时间的恒定电流来处理。而单闭环系统不能满足理想要求，因此，导入了速度和电流的双闭环直流调速系统。双闭环调速系统结构原理图如图1所示，图中有两个环路，分别为电流环（内环）和转速环（外环）。其中内环由两大部分组成，即ACR和电流检测反馈电路，外环也由两大部分组成，即ASR和速度检测反馈电路，两个环组合得到了双闭环调速系统。图1双闭环调速系统结构原理图其中，ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电路互感器ASR—转速调节器GT—触发装置—转速给定电压—转速反馈电压—电流给定电压—电流反馈电压2.2双闭环直流调速系统的工作原理系统开始起动的时候，由于系统具有机械惯性，转子的速度不能迅速增加，系统转速还处于很小的阶段，从而使得转速的偏差电压很大，转速调节器处于开环状态，此时，电流环起作用，系统转速上升。当转速达到给定值和出现超调的时候，输入到转速环里的信号的极性发生改变，ASR退出饱和，转速环起作用，同时转速不变[4-6]。此时，系统中的两个环路同时起作用，转速环要求电流随着转速的变化迅速发生响应，而电流环则要求电流保持不变，可见，这是矛盾的，不利于系统的运作。由于转速环路起主导作用在系统里，只要其的开环放大倍数够大，通过转速调节器的积分作用，偏差就会被消除。下面详细来介绍系统的起动特性，双闭环调速系统的起动特性如图2所示。图2双闭环调速系统的起动特性双闭环直流调速系统起动特性分为三个阶段：（1）电流上升阶段突加时，电动机是不能马上就能转起来的，其原因为电机本身存在一种机电惯性。此时的值为零，为一个很大值，ASR的输出电压受其影响，迅速增大。而ACR输出为，整流器的输出为，此时，系统的迅速上升。其持续上升一段时间且增加到时，电机开始运转，在电机工作一小段时间后，ASR的输出到达限幅值，系统的电枢电流会随之到达最大值，和ACR的给定电压具有以下关系，即（2.1）（2）恒流升速阶段这个阶段中，ASR为饱和状态，而ACR则不同，其表现为线性调节，转速环呈开环，系统表现为恒定电流调节。由于的值保持为恒定的值，转速直线上升，由知，线性上升。（3）转速调节阶段此阶段，转速已经到达给定值，此时系统中有两个电压量互相平衡，分别为ASR的给定电压和转速负反馈电压，以至于等于零。但是，由于其输出仍处于积分效应所限制的振幅，电机此刻仍以最大电流来加速，且出现了超调，随后，系统中，，ASR不再饱和，ACR给定电压开始降低，此刻，由于大于负载电流，转速会持续上升一段时间。到时，电机减速直至稳定[7-10]。2.3双闭环调速系统的数学模型建立双闭环调速系统数学模型，涉及到整流器和触发器的知识，其模型结构图为动态结构图，基于传递函数或零极点来构建。在双闭环调速系统的结构原理图的基础上，采用组成系统结构的传递函数来表示，电力电子变换器的传递函数为（2.2）若系统采用PI调节器，则ASR的传递函数为（2.3）电流调节器的传递函数为（2.4）双闭环调速系统的数学模型如图3所示，很明显可以看出，模型组成里有ASR的传递函数和电流调节器的传递函数了，以及变换器的传递函数。图3双闭环直流调速系统的数学模型2.4调节器的工程设计基于工程上的设计方法，第一步就是要将问题简化，重点突出主要的问题矛盾。通常，当工程设计方法被用于设计双闭环控制直流速度控制系统时，内环首先被设计、后外环。一般的步骤为：（1）从内环开始进行必要的转换和简化。（2）根据系统对电流环路的要求，确定电流环路的校正的典型系统。（3）根据调速系统的控制对象，确定电流环ACR的类型和参数。（4）再根据（3）的电流环参数，进行校验。在设计电流环路之后，电流环路的组成部分被等效成速度环路的一部分，并且速度环路的设计方法与电流环路的设计方法相同[11-15]。双闭环调速系统动态结构图如图4所示，通常有些交流信号成分掺夹在电流检测信号中，此时需加一个低通滤波，而这个低通滤波会让系统反馈检测延迟，所以将其与加入到给定信号通道，使给定信号与反馈信号相同步，滤波环节设计尽量简化。转速环节的反馈电压有时也会含有交流成分，所以也需安装滤波环节。图4双闭环调速系统动态结构图2.4.1电流调节器的设计其设计分为以下几个步骤：（1）电流环的等效设计实际系统里，电磁时间常数远小于机电时间常数，因此反电动势作用于电流环路的工作速度，是非常缓慢的，由此可以认为反电动势的值基本不发生变化，为恒值。可以简化电流环路的结构，电流环结构简化图（a）如图5所示。图5电流环结构简化图（a）因为在电流环中存在两个器件，分别为给定滤波器和反馈滤波器，若将其位置进行等效处理，电流环可以变成单位反馈系统。电流环结构简化图（b）如图6所示。图6电流环结构简化图（b）由于系统的反馈滤波器常数、晶闸管变流装置平均延迟时间常数远远小于电磁时间常数，所以其能等效成小惯性环节，取。最终得到电流环结构简化图（c）如图7所示。可知，电流环控制的对象有两个惯性环节。图7电流环结构简化图（c）（2）电流调节器结构的选择对于系统的稳态要求，要得到理想的堵转特性，其中，电流环结构简化图（c）可见，将其校正典Ⅰ型系统足以。在双闭环调速系统的动态要求上，突加控制信号时，不允许出现太大超调，而对电网电压波动的及时抗扰作用，仅仅只是一个次要的因素，所以，可以将其校正成典型Ⅰ型系统。由于电流环控制的对象有两个惯性环节，因此采用PI型调节器，传递函数为（2.5）为了让调节器零点与控制对象的时间常数极点相互消掉，选择，则简化后电流环的动态结构图如图8所示。图8电流环的动态结构图其中，（2.6）（3）电流调节器的参数计算由式（2.5）可知，其中ACR的控制参数有两个分别为：和，其中已经确定了，只有比例系数了，其在参数选择的时候，按照工程工艺的最佳参数进行选择，即，，所以有ACR放大系数为（2.7）因此ACR参数为（2.8）（4）参数校验根据三个近似条件来执行电流环路的校正，即晶闸管的传递函数近条件为（2.9）忽略电动机反电动势影响的近似条件为（2.10）高频段微时常数惯性环节近似条件为（2.11）2.4.2转速调节器的设计其设计过程分为以下几个步骤：（1）电流环的等效闭环传递函数将电流环接入转速环里，由于电流环等效环节的输入量应为，电流环在转速环中也应等效为（2.12）因此，电流环中的被控对象，就可以近似地等效成小时间常数的一阶惯性环节。（2）转速调节器结构的选择将等效后的电流环传递函数式替换双闭环调速系统动态结构图中电流环后，得到转速环动态结构图如图9所示。图9转速环动态结构图所提供的速度滤波器和反馈滤波器等效地移动到前向信道，并且所给定的信号改变为，同时将给定的信号改为，再将时间常数和合并起来，可以近似地等效成小惯性环节，转速简化结构图（a）如图10所示。图10转速环简化结构图（a）由于双闭环速度控制系统需要满足静态速度无误差和动态干扰防止性能，所以需要在负载外扰点前添加积分环节，对比之前的系统结构，转速环要求按典Ⅱ型系统进行设计。实际运行中，通常，由于ASR的饱和非线性降低了超调量，因此ASR的结构也为PI调节器的结构，其传递函数为（2.13）由此，校正后的转速环简化结构图（b）如图11所示。图11转速环简化结构（b）（3）转速调节器的参数计算ASR里的参数为：和，根据典型Ⅱ型系统的参数关系得（2.14）（2.15）其中中频宽h的取值标准由系统的动态性能决定，没有特别要求的时候，通常选取h=5。（4）参数校验转速环按照两个近似条件来校验，即高阶系统降价近似条件为（2.16）高频段时间常数惯性环节近似条件为（2.17）

第3章模糊控制器的设计本章介绍了传统PID控制器的结构，并根据第二章的转速调节器和电流调节器的工程设计方法及步骤，代入实际参数，计算出转速调节器和电流调节器相应的结构参数；介绍了模糊控制工作原理及作用，基于模糊化、制定模糊控制规律、模糊推理决策以及去模糊的研究内容，对双闭环直流调速系统的模糊PID控制器进行设计。3.1传统PID控制器的原理和设计3.1.1传统PID控制器的控制原理传统PID控制器通过它的线性关系，进而利用其来改变偏差量的比例、积分和微分，以便控制对象。控制时，要得到系统需要的特性，就要改变三个参数的值，分别是、、。传统PID控制系统原理图如图12所示。图12传统PID控制系统原理图设计传统PID控制器时，即ASR和ACR，则有（1）先要确定时间常数。（2）其次根据性能要求选择电流调节器结构。（3）而后选择电流调节器参数。PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：这个环节的作用就是成比例地将偏差信号表现出来，当系统工作时，产生信号偏差，PID控制器立即产生相应的控制效果以减少偏差。积分环节：积分环节在系统的避免静态误差中起着重要的作用，其强度由积分时间常数决定。积分时间常数越大，积分效果越弱，反之亦然。微分环节：微分环节主要是体现出反馈系统收到的偏差信号的变化速率，并且它具备预防作用，即会在偏差信号变得很大之前，此环节会发生作用将其改善，以至于减小调节时间。在PID控制算法中，有比例，积分和微分控制功能。当系统出现错误时，比例环节会适时响应，并且PID控制对象会向错误减小的控制方向上改变。不利的是，对于具有自平衡能力的受控对象，存在一定静态错误，只能用加大比例环节来解决。同时，系统超调也会增加，也会破坏系统的动态性能。积分控制可以存储误差并执行积分操作，有利于消除系统的静差。但是，积分作用具有滞后的特征。如果积分作用过强，则会导致控制对象的动态性能劣化和系统的不稳定性。通过增加微分操作，可以加速系统的响应并减少超调量，但也会降低系统的干扰防止能力。综述，传统PID的控制规律为（3.1）3.1.2传统PID控制器的设计本设计所采用电动机参数如表1所示。表1电动机参数名称参数名称参数1500.0021000107000.00950.050.010.080.02520.81250.01100.1810其中，对控制系统的工艺要求为：稳态时，系统无静差；转速超调量；启动时，系统响应迅速。（1）电流调节器的设计电流环主要体现限制电流的能力，把电流环校正成为典Ⅰ型系统，采用PI调节器，传递函数为（3.2）1）确定时间常数晶闸管整流装置滞后时间常数为（3.3）电流滤波的时间常数：。电流环时间常数，按最小时间常数来进行近似处理，取。2）算出电流调节器的参数电流调节器的超前时间常数：。电流开环增益：1/S。电流调节器的比例系数取（3.4）把上式结果代入，就可以得到电流环的传递函数（3.5）3）参数校验晶闸管的传递函数近条件为（3.6）可见，其满足条件。忽略电动机反电动势影响的近似条件为（3.7）可见，其满足条件。高频段微时常数惯性环节近似条件为（3.8）可见，其满足条件。（2）转速调节器的设计系统在运行过程中，由于转速环为主环路，当系统收到干扰，转速环会受到影响，所以其的抗扰性能很重要，而典型Ⅱ型系统的抗扰性能良好，因此转速环采用典型Ⅱ型系统设计，采用PID调节器，求出其传递函数。1）确定时间常数电流环等效时间常数：。转速滤波时间常数：。转速环微小时间常数：。2）算出转速调节器参数当系统没有特殊要求时，h取5，转速调节器的超前时间常数为（3.9）根据上式可求出转速的开环增益为（3.10）则求出转速调节器的比例系数为（3.11）把上式结果代入，得到转速环的传递函数为（3.12）3）参数校验转速环按照两个近似条件来校验，即高阶系统降价近似条件为（3.13）可见，其满足条件。高频段时间常数惯性环节近似条件为（3.14）可见，其满足要求。3.2模糊PID控制器的原理和设计3.2.1模糊控制的基本理论在转速电流双闭环调速系统中，模糊控制的主要作用是处理系统的传递函数出现误差、自身负载等参数引起的非线性动态变化情况，模糊控制在近几年发展迅速，与传统控制相比，有如下优点：（1）可以不用知道被控对象的数学模型；（2）可以反映人类智慧思维的智能控制；（3）易被人们所接受；（4）构造容易；（5）鲁棒性好。模糊控制的理论基础。整个实现过程为：从工作的地方获取准确的控制量，这些控制量当作系统运行后的反馈量，把其与给定量相比，通过A/D转换这项环节后，就可以获得模糊的输入信号，然后转换为数字信号。此时的数字信号附带模糊属性，可作为模糊控制器的输入信号输入到模糊控制中。在模糊控制器里，输入的数字模糊信号，经过模糊控制器里的各项工序以及特定的模糊规则，模糊控制基本原理图如图13所示，经过去模糊处理，D/A转换，这样就可以通过获得现场控制信号来调节现场机器的操作。图13模糊控制基本原理图3.2.2模糊PID控制的特点及结构模糊PID控制是利用计算机技术来实现模拟人的思维，对复杂的控制系统进行合理控制。结合PID控制和模糊控制可以知道：（1）目前，大多数的被控对象，都能被模糊控制、PID控制所适应；（2）在不知道精确的被控对象时，模糊控制方法比PID控制更有优势；（3）PID稳态控制性能好，但是动态特性不良好；而模糊控制恰好相反，其动态特性好，稳态特性差；（4）PID控制不具有自适应控制能力，对于非线性系统，其达不到理想的控制效果；而模糊控制鲁棒性较好，面对大范围的参数变化，都能适应。模糊PID控制器大致分为以下三类：（1）增益调整型模糊PID控制器；（2）直接控制量型模糊PID控制器；（3）混合型模糊PID控制器。混合型PID控制器出现后，一些学者提出了应用磨合控制进行初始的快速响应调整，之后应用传统的PID控制器进行细节的调整，将两者进行结合，既有动态响应的快速，超调量极小以及极好的鲁棒性，稳态精度能达到更高。目前，二维模糊控制器已被广泛使用，本文采用混合型模糊PID控制器，即二维模糊控制器结构如图14所示。图14二维模糊控制器结构图3.3双闭环调速系统的模糊PID控制器的设计在设计模糊控制器时，基于模糊控制的基础知识，一维模糊控制器通常知道对受控对象没有高要求，并且其动态性能非常一般。因此，我们决定将双闭环系统的传统控制器与模糊控制器组合。速度环路是确定控制系统性能的主要因素。电流环路主要用于改变电机的运行特性。转速环路采用二维模糊控制器。以确保系统具有常规PID控制器的能力，以应对系统稳定工作时出现的静差，同时系统又具备动态非线性变化的模糊控制能力。双闭环调速系统模糊PID控制原理图如图15所示。图15双闭环调速系统模糊PID控制原理图电流环保留传统PID控制方式，而转速环采用模糊控制理论来设计模糊控制器。调速系统的模糊控制器的设计分为以下几步：（1）模糊化及隶属度函数的选取根据模糊控制理论可知，把模糊控制器设计为一个双输入三输出的结构，模糊控制器结构原理图如图16所示。图16模糊控制器结构原理图模糊化的方法为，假设误差e的论域为[-He，He]，误差变化量ec的论域为[-Hec，Hec]，输出变量的论域为[-Pe，Pe]，然后将这些论域分为n类，得到模糊子集论域即[-n，-n+1，…，0，…，n-1，n]常用的模糊化方法是将普通论域（b，c）转换成模糊论域（-n，n）的公式为（3.15）通常选择模糊论域中所含元素为模糊词集总数的两倍以上。隶属度是指，一个确定的变量在模糊语言变量中的归属度。其确定的方法包括模糊统计法等。输入输出变量采用负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）7个模糊控制状态，描述偏差e。其中e的范围为[-3，3]，ec的取值范围为[-3，3]。e离散后所对应的论域为：E∗=（同理采用相同的方法描述转速偏差变化量de和控制量U，其中，输入输出变量都采用三角形隶属度函数，转速偏差e的隶属函数表如表2所示。表2转速偏差e的隶属度函数表隶属度模糊集合-6-5-4-3-2-10123456NB10.70.30000000000NM0.30.710.70.300000000NS000.30.710.70.3000000ZO00000.30.710.70.30000PS0000000.30.710.70.300PM000000000.30.710.70.3PB00000000000.30.71（2）确定模糊控制规则目前，制定模糊规则的方法有专家经验法、观察法等。本文采用专家经验法，基于PID控制的控制算法，对输出输出量进行模糊理论控制。PID控制器的控制算法为（3.16）式中，为积分系数，为微分系数，为比例系数，ec(t)为偏差变化率，e(t)为偏差。模糊控制器建立的基础就是，使这些系数与偏差变化率、偏差之间产生联系。根据专家经验法，他们之间的关系应满足：1）如果e较大，则系统的响应可以被加速，并且由于取到积分过大和较小的，从而防止由于e的瞬时增加而导致的微分溢出，因此，必须限制积分效果，取比通常小的值。2）如果e是个中间值，则要降低系统的超调量并适当降低以确保一定的响应速度。同时，应该对和的适度取值。3）如果e小，由于要解决此时稳态误差的问题，和取大，避免给定值附近的输出响应，发生振荡，在考虑系统的抗干扰性能的情况下，通常，取中间值。e由以上规则，经过推理可得到表3的模糊控制规则表；表4的模糊控制规则表；表5的模糊控制规则表。表3的模糊控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNB表4的模糊控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPBPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表5的模糊控制规则表eceNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB综述，其输出U的模糊控制规则如表6所示。表6输出U的模糊控制规则表ecUeNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNBNMNMNSZONMNBNBNBNMNSZOPSNSNBNMNMNSZOPSPMZONBNSNSZOPSPMPBPSNMNSZOPSPMPBPBPMNMNSZOPSPMPBPBPBPSZOPSPMPBPNPB（3）模糊推理决策模糊决策是模糊控制的核心，其实质是模糊逻辑推理。要进行模糊推理决策，需有以下几个要素：1）模糊命题其值在闭区间[0，1]中取，类似于隶属度函数值，它的形式一般为：A：e（模糊变量）isF（模糊集合）。2）模糊语句模糊陈述句主要针对于具有清晰概念的一般陈述句而言。模糊判断句的形式为：x是a。模糊推理句的形式为：“IFaTHENb”。3）模糊推理其最常见的有：Mamdani推理法、CRI法等，其中Mamdani法常见的形式有以下三种：“ifAthenB”的推理；“ifAthenelseC”的推理；“ifAandBthenC”的推理。本文采用“ifAandBthenC”的推理方式，根据工作系统中某一个时间的模糊输入量，推理判断后得出输出量。若在t时刻e的论域上对应的单点模糊控制矢量为，ec在论域上的单点模糊控制矢量为，那么根据下式(3.17)推理出来的是输出量在论域上的模糊矢量。根据式(3.17)就可以来算基于系统不同的输入量下，所对应的模糊向量，对于表5第1行第1列的规则，若e=NBandec=NBThenU=NB，可以得到=[10.70.30…0],=[10.70.30…0]，=[10.70.30…0](3.18)(3.19)(3.20)(3.21)后面可以一次算出，…..，，最终求得输出量U。（4）模糊处理在模糊推论系统中，决策的产生取决于所有模糊规则，并且需要以某种方式组合通过模糊推论获得的模糊输出以获得结果。本系统采用加权法对求出来的输出模糊量进行去模糊处理，则(3.22)据此步骤，可以求出当e，ec为其他值时的输出量。

第4章MATLAB系统仿真本章介绍了双闭环调速系统建模，分别基于模糊PID控制和传统PID控制的方式，进行仿真模型搭建，并详细分析比较了仿真结果。4.1传统PID控制的双闭环直流调速系统的仿真与分析4.1.1传统PID控制的双闭环直流调速系统仿真首先，模拟传统PID控制的双闭环直流调速控制系统，并通过仿真结果分析其性能参数。在MATLAB里打开Simulink选项，点击新建一个项目，在IibraryBrowser选择相关的结构进行仿真模型搭建，其中系统的额定转速为1000r/s。传统PID控制的双闭环直流调速系统仿真模型如图17所示。图17传统PID控制的双闭环直流调速系统仿真模型仿真模型搭建完成后，把各个结构的参数设置进去。然后设置系统仿真开始时间为0秒，持续时间为2秒，其中在达到1秒时，令负载转矩发生变化，从这过程中采集仿真波形。4.1.2传统PID控制的双闭环直流调速系统仿真结果分析传统PID控制的双闭环直流调速系统仿真结果波形如图18所示，三个波形从上往下看，参数分别为电流、电磁转矩、电机转速。根据仿真波形图分析系统的性能。图18传统PID控制的双闭环直流调速系统仿真波形由此可见，可得出以下结论：（1）系统快速性能上升时间为；调节时间；峰值时间。（2）超调量，稳态静差分析超调量σ%≈13%；稳态工作后，转速无静差。（3）在系统抗负载扰动分析在1s时，给系统加额定负载10，观察系统的波形如下图所示。可以看出在系统仿真到1s时刻时，出现了动态速降，这个动态速降为∆nmax=1000-951.4=48.6r/min。传统PID控制加上额定负载的转速波形如图1图19传统PID控制加上额定负载的转速波形由此可见其超调量虽然符合工艺要求，但是其提升的空间还很大，还有系统起动的响应速度较慢。在一些要求工艺要求或者启动要求极高的复杂被控对象，传统PID控制双闭环直流速度控制系统的控制性能仍需要改进。4.2模糊PID控制的双闭环直流调速系统的仿真与分析4.2.1模糊推理系统的建立在仿真软件的命令窗口执行Fuzzy命令，就能激活模糊推理系统编辑器，其图形界面如图20所示。这个界面可以添加模糊控制器的输入、输出或者删除语言变量，编辑隶属度函数。其中打开View菜单，还能执行修改模糊推理系统的特性、打开模糊规则编辑器等操作。图20基本模糊推理系统编辑器图形界面4.2.2模糊规则的编辑在仿真软件命令窗口打入Ruleedit的命令，就可以激活模糊规则编辑器，此辑器中还提供了添加、修改和删除模糊规则的图形界面。根据前章节对模糊规则的研究分析，采用专家经验法对模糊规则进行操作，即If(eisNB)and(deisNB)Then(isPB)and(isNB)and(isPS)，得到7×7=49条模糊规则。图21规则编辑器界面4.2.3模糊PID控制的双闭环直流调速系统模型的搭建模糊PID控制的闭环直流调速系统的仿真模型如图22所示。图22模糊PID控制的双闭环直流调速系统的仿真模型模糊PID控制子系统结构图如图23所示。图23模糊PID控制子系统结构图模糊PID双闭环直流调速系统仿真波形如图24所示。图24模糊PID双闭环直流调速系统的仿真波形图中，由模糊PID控制的仿真结果，分析得出以下结论：（1）在快速性能分析上升时间为；调节时间（的误差范围）；峰值时间。（2）在超调量，稳态静差分析超调量。系统运行时转速无静差。（3）在抗负载扰动分析图25为模糊PID控制加上额定负载的转速波形，在系统仿真运行1s时，突加一个额定负载10，可以看出，出现了动态速降∆nmax=1图25模糊PID控制加上额定负载的转速波形图4.3仿真结果分析通过对上述两种控制系统的仿真结果分析比较。可以得出以下结论：模糊PID控制的双闭环直流调速系统可以得到满意的控制效果。具有超调量小、稳态无静差、抗扰性能良好和一定范围内保持系统快速响应的优良特性。第5章结论本文基于对模糊PID控制的双闭环调速系统