毕业设计（论文）基于模糊控制的直流电机调速系统的研究.doc

基于模糊控制的直流电机调速系统的研究摘要： 模糊控制技术是当今世界最先进的控制技术之一, 它是将模糊数学理论应用于控制领域, 更真切地模拟人脑思维和判断, 对产品生产过程进行选择和控制, 从而发展了智能化的新技术。本文简要介绍了直流电机调速系统技术的发展及现状和模糊控制的概念及它的优缺点, 并对模糊控制的原理作了说明, 还介绍了以模糊控制理论为基础的直流电机调速模糊控制系统。通过把人们用自然语言描述的控制直流电机调速经验转换成模糊控制规则, 利用这些规则经过模糊推理和模糊决策得到控制量。本文最后论述了一种基于MATLAB语言的直流电机模糊控制仿真系统, 通过MATLAB语言中SIMULINK模块和模糊控制工具箱的有机结合，实现了直流电机模糊控制系统的建模与仿真。关键词： SIMULINK 电机调速 模糊控制 MATLAB 直流电机毕业设计外文摘要Title : Fuzzy control of DC motor speed control system Abstract: the technology of fuzzy control is the most advanced in the world to apply fuzzy mathematical theory to the control field. It can imitate the thought and the judgement of the brain，select and control the process of production，and developing a new intelligent technology. In this article ,it introduces the development of the governing system of the direct current motor , concept of the fuzzy control system and the advantage and the disadvantage. Also It introduce the fuzzy control system of direct current motor which is based on the fuzzy control system. thought turning the experience of direct current motor which can be discribed in natural language into the rules of the fuzzy control. By using this rules and regulations we can get a controlled quantity through the fuzzy inference and fuzzy decision. In the last of this article ,It discuss a simulation system of fuzzy control in a direct current motor which is based on the language of MATLAB. We bring about the model building and emulation of the control system of the direct current motor, through the Simulink module link judiciously with workbox of fuzzy control of language to the MATLAB.Keywords：SIMULINK ;Motor Speed ;Adjust Fuzzy Control; MATLAB; Direct Current Motor目 次 1 绪论1本课题研究的背景和意义11.1 1.2 2模糊控制和直流电机的研究现状及发展趋势21.2.1模糊控制理论概况以及它的优缺点31.2.2直流电机调速系统技术的发展及现状41.2.3直流电机调速系统及模糊控制的发展方向1.3 论文的主要研究内容及结构安排2 模糊控制及直流电机的数学模型2.1模糊控制及其工作原理2.1.1确定量的模糊化.2.1.2模糊控制知识库的生成2.1.3模糊控制算法2.1.4模糊量的清晰化2.2模糊控制的应用3 直流电机的建模与仿真3.1应用SIMULINK 建立直流电机模型3.2应用模糊控制工具箱设计模糊控制器3.3模糊系统仿真和结果分析总结参考文献致谢1 绪论1.1引言在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式1.2直流电机调速系统的发展：1.2.1直流调速系统的发展史直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性；另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机电动机调速系统的主要缺点是需要加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需有地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点：维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（1000）高10倍；在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，绝大部分都己改用晶闸管相控整流供电了。1.2.2直流调速控制装置的国内外发展现状我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，用于中、小功率的0.4-200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产；用于大功率的2000KW系列产品也开始在某些大型轧机上试用。晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。随着各种新型控制器件的发展，直流电动机晶闸管调速系统除向大功率（单机容量己达数千千瓦，输出电压达1200V）发展以外，正在实现控制一单元标准化、集成化、小型化、结构积木式组合化。对某些中小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组合一体化。尤其是近年来，国外各厂家竟相推出全数字直流调速装置，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈出了一个新台阶。国外数字直流调速装置从技术上能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些诸多优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。与国外全数字直流调速控制装置相比，目前国内还没有生产出功能完善、控制精度高且可靠、保护功能齐全等优点的数字直流控制器。1.3 论文的主要研究内容及结构安排除了本章绪论外，论文共可分为五章，下面对各章内容进行一一介绍。第二章对电磁调速异步电动机的基本原理、组成及其特性进行分析，对电磁调速异步电动机转差离合器的基本特性就行研究，为了解决电磁调速机械特性较软的特缺点，引入速度负反馈，从而使电磁调速异步电动机的机械特性变硬。以及电磁调速异步电动机励磁方式的实现。第三章对电磁调速异步电动机的控制系统进行设计，与分析。对各部分的作用进行介绍。简述各个部分的工作状况。2 PID和模糊控制的发展2.1 经典的PID控制：PID控制是工业控制过程中应用最多的一种控制方式，其原因是：第一，由于PID控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性；第二，给设计人员提供了一种简单而直接的调节方式。三种不同形式的控制作用组合用来跟踪被控对象的不同变化速度，使调节系统的动态误差更小。对于一些非线性复杂对象，尽管PID大多数采用了近似描述和线性化原理，但其最终的模型表示形式应该是确定的，而且利用它能够容易地得到精确定量解。PID具有结构简单，参数物理意义明确，动态和静态特性优良等显著优点，在各种新控制理论不断出现的今天，在工业过程中仍占据主要位置。在PID控制算法中，存在比例、积分、微分3种控制作用。比例控制作用对系统误差及时响应，使PID控制的对象朝误差减小的方向变化，缺点是对于具有自平衡能力（即系统阶跃响应终值为一有限值）的被控对象存在静差，加大比例作用可以减小静差，但会导致系统超调量增大，使系统的动态性能变坏。积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差，不足之处在于积分作用具有滞后特点，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。微分控制作用能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减小，缺点是对于干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。在工业过程中，被控对象数学模型己知的情况下，应用PID的3种控制作用的控制效果正确调节调节器的各个参数，可以获得比较满意的控制效果。因为其算法简单，参数调整方便，并具有一定的控制精度，并在实际中取得良好的效果，因此它已成为当前最为普遍采用的控制算法。但由于控制对象变化的随机性和复杂性，既要获得足够的精度又便于系统分析设计的合适的数学模型是相当困难的，同时，由于控制参数多，多个参数之间的相互影响，难以取得好的效果。虽然可以采用一些近似的工程整定方法来选择PID参数，PID算法本身也有它的局限性和不足，PID参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此PID控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度之间的矛盾。另外，PID控制器的主要局限性在于它对被控对象的依赖性，一般需要预先知道被控对象的传递函数才能进行设计，而且PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当一个调好参数的PID控制器应用到模型参数时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。在工程上，直流电机的数学模型不难得到，这使得经典控制在已知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大部分数字直流调速控制器就是建立在此基础上。然而，在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数（转动惯量）并不如模型那样一成不变，在某些应用场合随工况而变化。同时，直流电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，因此，被控对象的参数变化与非线性特性，使得线性常参数PID调节器顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规PID调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。上述因素的影响，即一个调好参数的PID控制器对于在另外一个环境下对具有同样铭牌数据的直流电机进行控制，系统的性能可能会变差，有时甚至造成系统不稳定，工业现场的调试人员不得不重新调节PID各参数，这给工程现场调试人员带来很大的不方便。2.2模糊控制2.2.1模糊控制原理所谓模糊控制，是指在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理来模拟人的模糊思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。其中“模糊”是指知识、概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的，但它所完成的却是一项完全确定的工作。为实现模糊控制，需要设计模糊控制器，以实现语言控制。模糊控制器结构包括以下3个方面：（1）精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集；（2）模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系；（3）输出信息的模糊判决，并完成模糊量到精确量的转换。模糊控制以模糊数学理论、模糊语言形式为理论基础，是一种基于模糊规则的控制系统，这些模糊控制规则是直接从专家经验或现场操作者的经验中进行归纳、优化得出来的，是一种蕴涵着人类智能、推理和决策的控制方式。经典数学以特征函数讨论问题，而模糊数学以隶属函数讨论问题。系统精确数学模型的建立，其实质是应用一定的数学处理手段，基于待辨识系统的大量测量数据，找出体现系统输入与输出之间的内在联系，并通过一定的数学表达式加以描述。建立系统模糊模型的基本思想也是这样，只是将采集到的精确量量测数据进行模糊化处理，转化成通过隶属度和模糊子集表达的模糊量，也就是说，将原通过精确量数据描述系统输入输出之间的内在联系（精确数学模型），转化成一种相应的由条件语句IF（输入语言变量模糊子集）、THEN（输出语言变量模糊子集）表达的模糊关系，这便是系统的模糊模型。模糊控制具有以下特点：（1）模糊控制是一种基于经验规则的控制，它直接采用语言控制规则，依据现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于应用。（2）由于从工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。（3） 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标不同，容易导致较大差异。但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器；（4） 模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平；（5） 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果影响大大减弱，尤其适合于非线性、时滞后系统的控制。一个缺乏精确数学模型的被控对象，很难用现有的控制理论来处理，但是人工智能对复杂现象的分析和判断能力是很强的，特别是有经验的操作人员，通过对系统的操作、控制，总是可以总结一套控制规则，应用模糊集合理论，把这些控制规则写成一串模糊条件语句，构成一个模糊模型，利用这个模型可以设计出比较理想的控制器。模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大的特点是将专家的经验和知识表示为语言控制规则，并应用这些语言控制规则去控制系统，这样它可不依赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被控对象的参数变化具有较强的鲁棒性。它不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人员的操作运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制器的特点（5）中阐述模糊控制对干扰和参数变化不敏感和模糊控制不用建立数学模型的特点，使得模糊控制对在不同环境下的同一直流电机对象（在不同环境下，同一对象的参数或许己经发生了不小的变化）进行控制，或是己经调好的模糊控制系统应用于参数稍有变化的控制对象时，系统性能没有多大变化，使得现场调试人员不必为同一控制对象设置不同的调试参数。2.2.2模糊控制理论的发展模糊数学是1965年由美国加利福尼亚大学著名的控制论专家L.A.Zadeh所创。他在深入探索和研究“大系统”、“模糊性”、“计算机”和“人脑思维”间的关系中，从数学与人脑思维的分离处入手，结果发现Contor所创的集合论实质上是剔除了模糊性而抽象出来的数学概念，是把思维过程绝对化，从而达到精确和严格的目的。为此，他将模糊性和数学统一起来，并且不是让数学放弃其严格性去迁就模糊性，而是让数学回过头来吸取人脑对于模糊现象认识和推理中的优点，于是在1965年发表了第一篇开创性经典论文“Fuzzy Sets”，这就标志着模糊数学的正式诞生。模糊数学在工业生产控制中的实际应用要晚近十年，突破性工作当首推英国剑桥的E. H. Mamdani，他于1974年首次应用模糊控制器实现了对蒸汽机的控制，并获得了比传统DDC控制更好的效果。进入80年代，曾掀起一股模糊控制的研究热潮。模糊控制技术开辟了自动控制的一条新途径。模糊控制器理论的早期应用是在一些特定的专用控制系统中。现在，模糊控制器的发展异常迅速，通用模糊控制器和软件的研究更引人注目。国外很多厂家已纷纷推出商品化的通用模糊控制器和通用软件，模糊控制器开发支持工具等。1987年日本出现了利用模糊推理芯片制作的模糊计算机。紧接着，1988年又成功研制了世界上第一个模糊计算机微处理器。随后不久，美国制成了具有模糊化、模糊推理和反模糊化命令句的第三代模糊微处理器。这意味着模糊控制技术己开始深入到硬件技术之中，而硬件系统的实现将会带来模糊控制系统的更新飞跃。多年来，模糊逻辑的应用日益广泛。据文献资料报导，从金融系统到地震预报工程等各个领域，均有不少应用实例。并且，许多应用实例都证明基于模糊逻辑控制器（FLC）的系统，具有比传统控制系统更优良的性能。模糊控制在工业中的应用已经取得显著效果的有：热交换过程控制，交通管理，水泥窑，模型小车停靠和转向，机器人，汽车传动与速度控制，以及水净化，电梯，电力系统及原子核反应控制等。模糊控制理论除了在大型工业设备和过程控制领域中得到广泛应用以外，至今在计算机制造、故障诊断、图象识别、天气预报以及家电产品等各个领域中，也得到越来越普遍的应用。模糊控制的发展可大致划分为以下三个阶段：第一阶段：（1965-1974）萌芽阶段。主要是模糊数学的发展和成形时期。第二阶段：（1974-1979）简单模糊控制器阶段。这种控制器的模糊控制表通过离线运算，在线调试完成后一直保持不变，因此其自适应能力和鲁棒性有限，稳态精度也不是很理想。第三阶段：（1979-）高性能模糊控制器阶段。人们在使用过程中针对简单模糊控制器的不足，提出了很多高性能模糊控制策略。特别是1979年由T. 7.Procky和E. H. Mamdani共同提出了给模糊控制器增加学习功能，使之能在控制过程中不断获取新的信息，并对控制量作适当的调整，系统性能大为改善。近些年来，模糊控制发展迅速，这主要是由于模糊控制器可以应用专家的控制经验，对难以建立精确数学模型的复杂过程实现自动控制。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务，于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。模糊技术作为一门引人注目的应用科学，越来越受到全世界人们的关注，专家们认为它有可能成为21世纪科学发展的一项基础技术。为了确保21世纪的科技竞争力，各国争先恐后地发展模糊技术。在日本，模糊控制得到了广泛应用。许多公司成立了模糊系统研究机构专门从事模糊系统的研究，并取得了很好的进展。表现在模糊控制在洗衣机、吸尘器、冶金、制造等自动控制行业中的应用。除此外，模糊逻辑芯片和模糊计算机的研制也取得了进展。模糊集合理论是模糊控制器的基础，模拟人的知识表达、知识推理方法是模糊理论的表达方法，其基本内容包括：模糊化、模糊控制规则、模糊推理和精确化。模糊控制是一种类人智能控制，可以实现非线性控制，可以得到比常规控制更优良的控制效果，能实现对复杂过程的控制。然而，模糊控制要有较好的发展，必须具有较完善的控制规则。对于某些复杂的工业过程，有时难以总结出较完整的经验，并且当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰的影响时模糊控制的效果为了促进模糊控制的深人发展。至今为止，国际上召开了五届IFSA全世界学术大会，众多学者也进行了卓有成效的工作，对常规模糊控制进行了改进。我国在模糊控制技术的理论和实践两方面也有了长足的发展，国家经贸于1994年所立的国家重大技术项目“模糊控制技术的开发与应用”中特别包含了一个子项目模糊控制技术标准化。这个项目，由国家技术监督局标准化司直接承担并负责组织实施，迄今已有两年时间，取得了重大进展。这个子项目的实施必将对我国模糊控制技术的发展产生深远的影响。可以说，模糊控制无所不在，且与人们的生活息息相关。专家认为模糊控制技术高深莫测，它还有很大潜力可挖，未来的某一天，它将会以更使人出乎意料的面目出现在世人的面前。目前，在模糊控制理论方面应加强研究的主要课题为：寻找适合于解决工程普遍问题的稳定性分析方法，稳定性的评价方法和可控性的评价方法。模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数的评定方法，关于量化水平，采样周期的最优选择，最小实现以及规则和隶属函数参数的自动生成等问题。模糊控制器参数的最优调整理论的确定及修正推力规则学习方式。模糊动态模型的辨识方法。模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。模糊控制向三个方面发展：如前所述，模糊控制是控制难控被控对象的先进算法，能够显著提高难控被控对象的控制品质。目前发达国家正在全面推广现有的模糊控制技术，企图将难控被控对象都换成模糊控制改善控制性能。完善模糊控制智能研制自适应、自组织、自学习、带积分的模糊控制器完善智能。研制廉价模糊控制技术。2.3模糊控制和数字PID控制性能比较PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统，PID控制之中最关键的是PID 参数整定，传统方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定参数。但在实际应用中，许多被控对象具有机理复杂，高非线性，时变不确定性和滞后性等特征。对于大滞后、非线性的复杂系统，常规PID控制很难保证其控制效果始终处于最佳状态。模糊控制不需要控制对象的精确数学模型，它是一种基于规则的控制，依据操作人员的控制经验和专家的知识，通过查表就可以得到控制量，实现简单，控制效果好，因而模糊控制的控制性能比传统的PID控制有明显的优势。模糊控制和PID控制性能各有特点，针对模糊控制和PID控制对被控对象参数变化的自适应能力方面进行比较，可以发现，常规的PID控制尽管能达到一定的效果，但基本上对电机参数变化基本上没有适应能力，模糊控制器较PID调节控制不仅对被控对象参数变化适应能力强，而且在对象模型结构发生较大改变的情况下，也能获得较好的控制效果。模糊控制有许多传统控制无法比拟的优点，例如：1.使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型； 2. 采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性； 3. 对于具有一定操作经验、而非控制专业的工作者控制方法易于掌握； 4. 工作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。 3 模糊控制直流电机调速系统设计方案3.1直流调速控制决策今后控制理论面临的突出问题是既要继续发展身理论，又要在应用方面留下实实在在的成果。最近，新技术发展日新月异，通常使机电设备性能更加完善与提高，但往往不能很好地发挥。这是因为机电性能越提高、越完善，对用户知识和熟练技术的要求也越高，要百分之百地发挥机器性能就越难，特别是与计算机相关联的技术中，这种倾向的感受更为激烈。因此，从机器（系统）方面来说，应该具有迎合使用者的能力，这就要求构成一种“人机友好系统”。这就要求这种系统一方面对于人具有高度的“友好性”；另一方面要求对“谁”都是易于使用的。作为人类真正友好系统，必须像人们彼此间相互讨论、相互交流那样具有理解自然语言的能力。人类彼此间之所以能进行美好的对话，是因为有共同的语言、知识和思维方法，且具有模糊性，容易推敲对方意图与问题关键，而模糊理论是目前能用来表示现代水平自然语言的模糊意识的唯一理论。现代控制理论和经典控制理论，都需要建立系统的精确模型，往往由于某种原因对象参数发生变化，使数学模型不能准确地反应被控对象特性，现代控制和经典控制无法达到期望的指标。模糊控制把人类具有的比较单纯的宏知识移植到被控对象上来，这将比现有的自动化机械具有更好的功能，而且是以现场操作人员的丰富经验为基础，这将使得操作变得容易，一个生手就可以即兴操作。由于模糊控制对被控对象数学模型的依赖性不强，因此，对于那些因过程本身的不确定性、不精确性及噪声而难于建立数学模型或模型粗糙负载（如非线性、具有大时滞、时变十分严重等）的系统，用模糊控制更具有优越性，即对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的自适应能力，同时对噪声也具有较强的抑制能力，即鲁棒性较好，具有实时性好、超调量小、响应时间短、抗干扰能力强、稳态误差小、自动化程度高等优点，它集经典控制与经验控制于一体，尤其对于经典手段难以控制的对象或只能靠有经验的操作人员才能控制的对象更为适用。随着控制技术向前发展，研制出一种基于控制理论的智能调节器，即采用模糊控制原理设计一套调节器控制规则，不需要用户调节参数，只需在调节器中接入模糊控制器即可。基于模糊控制较PID控制对被控对象模型参数变化自适应能力强的特点，提出控制核心部分采用模糊控制算法来改变这一现状，因此本系统设计中的调速系统拟采用模糊控制。3.2模糊控制的实现3.2.1模糊控制器的一般设计步骤直流电机调速模糊控制系统的核心是模糊控制器，所以本论文的重点就是模糊控制器的设计。模糊控制器的工作过程可以描述为：首先将模糊控制器的输入量转化为模糊量，供模糊逻辑决策系统使用，模糊逻辑决策器根据控制规则决定的模糊关系R，应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模糊输出控制量。最后经精确化计算得到精确的控制值去控制被控对象。因此，模糊逻辑推理的过程主要有三个步骤：模糊化过程，模糊逻辑推理，精确化计算。（1） 模糊化过程：即测量输入变量的值，将数字表现形式的输入量转化为相应的模糊子集，通过隶属度函数实现。对于任一个实际输入量，至少有一个模糊子集的隶属度函数大于0，所以每个实际输入量都必有一个模糊子集与之相对应。（2） 模糊推理：是模糊控制的核心，以模糊判断为前提，运用模糊语言规则，推出一个新的近似的模糊判断结论的方法。根据事先已制订好的一组模糊条件语句构成模糊控制规则，用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理，得到模糊输出量。模糊推理有Zadeh法，Mamdani法以及强度转移法。（3） 精确化计算：通过模糊推理得到的是一个模糊集合，但实际应用中， 特别是在模糊控制中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就是精确化过程，也成为反模糊化。可采用很多不同的方法，用不同的方法所得到的结果也是不同的。常用的精确化方法有以下几种：最大隶属度函数法、重心法、加权平均法。模糊控制器的设计可以分为以下几个步骤：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.设计模糊控制器的控制规则。 4.模糊化和去模糊化（又称清晰化）的方法。 5.编制模糊控制器算法的应用程序。 6.合理选择模糊控制算法的采样时间。 3.2.2直流调速系统中模糊控制器设计按照一般步骤对模糊控制直流电机调速系统进行设计：（1）在设计模糊控制器时，首先根据被控对象的具体情况来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）确定模糊控制规则（4）模糊关系和模糊矩阵4直流调速系统的建模与仿真4.1用MATLAB编辑模糊控制器模糊控制直流电机调速系统的工作过程是：给定一个转速值，根据检测到的转速值，计算转速偏差。由于此时的转速偏差e是精确值，需要经过模糊化处理，得到模糊量。模糊控制器根据输入变量（模糊量），按照模糊控制推理规则，计算得到控制量（模糊量）。最后，把模糊控制量去模糊处理变成精确量。通过第三章分析已知，本仿真中所用模糊控制器为一维模糊控制器。直流电机调速模糊控制系统的核心是模糊控制器，所以本论文的重点就是模糊控制器的设计。采用MATLAB 中模糊推理系统工具箱来编辑模糊控制器，下面简述编辑过程：（1）模糊集合的编辑和运算（2）确定个输入出变化量的变化范围及量化因子：（3）模糊规则编辑（4）模糊推理（5）输出预览4.2在Simulink中建立模型模糊控制直流电机调速系统的工作过程是：给定一个转速值，根据检测到的转速值，计算转速偏差。由于此时的转速偏差e是精确值，需要经过模糊化处理，得到模糊量。模糊控制器根据输入变量（模糊量），按照模糊控制推理规则，计算得到控制量（模糊量）。最后，把模糊控制量去模糊处理变成精确量。通过第三章分析已知，本仿真中所用模糊控制器为一维模糊控制器。直流电机调速模糊控制系统的核心是模糊控制器，所以本论文的重点就是模糊控制器的设计。Fuzzy  Logic工具箱是进行模糊推理和模糊控制器仿真的工具包，它集成了FIS编辑器、隶属函数编辑器、模糊规则编辑器、规则观察器和曲面观察器等可视化工具，使用户快速开发设计模糊控制器成为可能。这些GUI工具之间是动态链接的，使用他们中的任意一个对FIS的修改将影响任何其他已打开的GUI中的显示结果。FIS编辑器为系统处理高层属性：多少输入和输出变量？它们的名字是什么？模糊逻辑工具箱不限制输入的数量，但是输入数量受到所用计算机可用内存的限制。如果输入数量太大或隶属度函数的数量太大，那么很难使用其它GUI 工具分析FIS。隶属度函数编辑器用于定义对应于每个变量的隶属度函数的形状，本论文定义的隶属度函数的形状均为三角形。规则观察器和曲面观察器是不同于编辑器的用于察看FIS的工具。规则观察器是一个基于MATLAB的用于显示模糊推理方框图的工具。可以用作一个诊断工具，例如它可以：显示哪一条规则正在使用，或者单独的隶属度函数的形状是如何影响结果的。曲面观察器用于显示一个输出与一个或两个输入之间的依赖情况，即它为系统生成和绘制输出曲面映射。5个基本GUI可以相互作用并交换信息。编辑器可同时打开任意数量的不同的FIS系统。FIS编辑器、隶属度函数编辑器、规则编辑器都可以读和修改FIS数据，但是规则观察器和曲面观察器无法修改FIS数据。采用MATLAB 中模糊推理系统工具箱来编辑模糊控制器，下面简述编辑过程：1.模糊集合的编辑和运算 在MATLAB 命令窗口键入fuzzy 来运行模糊推理工具箱， 系统就弹出一个模糊逻辑编辑器，在FILE 菜单下选择是采用Mamdani 型还是Sugeon 型模糊控制器。本设计选用Mamdani 型。在EDIT下添加输入和输出，选一个输入和一个输出，输入命名分别为偏差E 以及控制量C。对于偏差E， 论域是离散的，有七个模糊子集NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，即隶属函数有7条，隶属形状为三角形（trimf）。如4-1图对于控制器的输出量C隶属函数，三角形,建立隶属度函数图形见图4-2：4-1 输入量E的隶属度函数4-2 控制量C的隶属度函数（2）确定个输入出变化量的变化范围及量化因子：（3）模糊规则编辑：（4）模糊推理由于选用了Mamdani 型模糊控制器，模糊推理采用Mamdani推理（5）输出预览选择主菜单中的View rules子菜单，可以针对模糊控制器的输入输出进行仿真检验，规则观察器显示了特定的隶属度函数的形式是如何影响整个模糊推理结果的。当规则输人无误后，选择FIS编辑器等窗体主菜单中的View surface，可以看到经模糊决策矩阵运算并解模糊化后得到的二维坐标图。每个坐标轴代表一个模糊变量，坐标范围就是该模糊变量的论域，不同的变量可以任意选用不同轴。x轴分别表示输入模糊变量，z轴表示输出模糊变量。（6）生成模糊控制器（7）当模糊规则编辑完以后，便可以将已设计好的模糊控制器模型存盘，文件名后缀为.fis。用户可以随时调用该文件以修改模型。用户也可以选择File主菜单下的“save to  workspace”，子菜单将计算结果以矩阵变量的形式存入内存缓冲区，从而可以在Simulink仿真平台上将该矩阵变量作为参数赋给一个封装的fuzzy模块，使设计好的模糊控制器作为模糊控制系统中的一个组成部分参与仿真过程。在本节中存为fuzzy.fi