许立杰08023321无刷直流电机的模糊控制系统仿真.doc

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1、无刷直流电机的模糊控制系统仿真SIMULATION OF FUZZY CONTROL FOR BRUSHLESS DC MOTOR 专 业：电气工程及其自动化姓 名：许立杰指 导 教 师：申请学位级别： 学士论文提交日期：学位授予单位： 天津科技大学摘 要无刷直流电动机是电力电子技术、微电子技术和永磁材料技术相结合的一种新型电动机。无刷直流电动机具有体积小、运行可靠、控制相对简单等特点。目前，无刷直流电机正在快速发展。尤其是在家用电器、精密仪器、电梯控制等领域，无刷直流电动机都获得了很多成功应用。本文详细的介绍了无刷直流电机的组成、基本原理和数学模型。介绍了简单模糊控制器的设计过程。通过分析M

2、ATLAB中“ac7_example”模型，利用Simulink工具箱搭建模糊控制器，采用模糊控制法对无刷直流电机进行调速。实现了无刷直流电机的模糊控制系统的计算机仿真。结果表明，该模糊控制器结构简单、易于实现，能够基本满足系统的性能要求。关键词：无刷直流电机； 模糊控制； Matlab； SimulinkABSTRACTBrushless DC motor is the electric power and electronic technology, microelectronic technology and permanent magnet material technology is

3、 combined with a novel motor. Brushless DC motor has the advantages of small volume, reliable operation, control of relatively simple features such as. At present, brushless DC motor are rapid development. Especially in household appliances, precision instruments, elevator control and other fields,

4、brushless DC motors have gained a lot of successful application.This paper introduces the brushless DC motor of the composition, basic principle and mathematical model. Introduction of simple fuzzy controller design process. Through the analysis of the MATLAB ac7_example model, the use of Simulink t

5、oolbox to build the fuzzy controller, the fuzzy control method of Brushless DC motor speed control. Realization of Brushless DC motor fuzzy control system computer simulation. The results show that, the fuzzy controller has the advantages of simple structure, easy to implement, can basically meet th

6、e system performance requirements.Key words: Brushless DC motor；fuzzy control； Matlab； Simulink目 录第一章 绪 论1一、课题背景1二、无刷直流电机的发展历程1三、无刷直流电机的结构特点2四、无刷直流电机的应用2五、主要研究内容3第二章 无刷直流电机的基本原理4第一节 无刷直流电机的基本组成4第二节 无刷直流电机的工作原理6第三节 无刷直流电机的数学模型7第三章 模糊控制仿真设计10第一节 模糊控制10第二节 Matlab简介12第三节 Simulink组件介绍12第四节 典型模糊控制设计13第五节

7、无刷直流电机系统的稳定性分析17第四章 无刷直流电机的糊控制仿真19第一节 无刷直流电机调速系统模型19第二节 无刷直流电机的模糊控制设计22结 论28参考文献29致 谢30第一章 绪论一、课题背景无刷直流电机是一种把控制装置和电机本体结合在一起的机电一体化设备，它具有高效率，高功率，高可靠性等优点。不仅拥有一般直流电动机良好的机械特性，还具有一些交流电机的良好性能。它被广泛应用在我们日常生活的各个领域和高科技领域。目前，无刷直流电机的地位变得越来越重要。因此，要对无刷直流电机进行更深入的研究，使它的性能不断提高，更好的为我们服务。无刷直流电机的适用范围正在不断扩大，对控制系统的要求也越来越高

8、，简单、实用、成本低、易完成的控制系统被不断开发。在传统的电机调速中多采用PI或PID的控制技术，他们具有原理简单、易于实现、控制参数独立、参数选取简单等优点，但是它们的建立要依据被控对象的数学模型，与之相比，不依赖于数学模型的模糊控制同样结构简单、易于实现，而且也能实现传统控制的功能。因此该控制方法正在快速发展。模糊控制是在控制策略中融入了模糊性的语言规则，该控制器具有较强的鲁棒性，并且能够很好的适应系统中的不确定因素。目前，应用模糊控制器对无刷直流电机进行速度调节的研究已经进行了很多，其中应用较多的控制方法有：直接利用简单模糊控制器对速度进行控制，利用模糊-PI复合控制器对速度进行控制，利

9、用模糊PID（PI）控制器对速度进行控制，利用自适应、自组织、自学习模糊控制器对速度进行控制，以及利用智能模糊控制器对速度进行控制。通过对模糊控制的研究，使系统性能不断提高，使无刷直流电机得到更广泛的应用。二、无刷直流电机的发展历程电动机作为把电能转换为机械能的装置，其适用范围早已深入到日常的各个领域中。有刷直流电机作为最早使用的电机，经过不断的发展已经在调速方面已经表现出它优越性，它具有起动迅速、制动灵敏、可在大范围内调速、控制电路简单等优点。但是，有刷直流电机的电刷在运行过程中容易损坏，产生噪声，时间过长使用会影响电机的效率。因此，研究出一种可以代替有刷直流电机的新型电机成为了发展趋势。随

10、着相关科学的不断发展，一种把控制装置和电机的本体结合在一起的机电一体化设备出现了，它就是无刷直流电机。无刷直流电机和有刷电机相比，适用范围更广、使用寿命更长、调速性能更好、噪声小且相对更节能。由于它的众多优越性，所以正在逐步代替有刷直流电机。目前，已在家用电器、精密仪器、电梯控制、医疗设备得到了应用，甚至在军事、航天方面，无刷直流电机也发挥了重要作用。无刷直流电动机的快速发展带动了相关理论和相关技术的发展。早在1978年，国外就推出了无刷直流电机和它的驱动系统，为以后的深入研究奠定了基础和方向。我国对无刷直流电机的研究开始于70年代初，但是由于数量少、成本高，所以当时主要应用于军事、航天等重要

11、项目。随着我国的不断发展和科技水平的不断进步，再加上企业生产的进步和国外市场的进入，让无刷直流电机有巨大的发展。首先，我国是稀土大国，在材料上为无刷直流电机提供了基础，国外市场的进入，降低了晶闸管、功率管的价格，为降低无刷直流电机的成本提供了保证。工业的发展促进了对无刷直流电机的需求，带动了对无刷直流电机的研究，是无刷直流机更加广泛的被大众使用。三、无刷直流电机的结构特点无刷直流电机也是由定子和转子组成的，只不过是永磁体做了转子，电枢绕组安装在了定子上。无刷直流电机根据电枢绕组中的电流产生的不同波形可以分为方波直流电机（BLDCM）和正弦直流电机（PMSM）,BLDCM用电子换相取代了原直流电

12、机的机械换相，由永磁体做转子，略去了电刷；而PMSM则是用永磁体取代同步电动机转子中的励磁绕组，略去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因此BLDCM比PMSM应用要广泛1。四、无刷直流电机的应用无刷直流电机结合了有刷直流电机和无刷交流电机两者的优点。因此具有更广泛的应用前景：持续负载应用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的洗衣机甩干机和压缩机就是很好的例子，

13、汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。定位应用：大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电解码器和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。主要的应用范畴有：（1）日常电器类产物范畴。新一代电冰箱、空调器、吸尘器、洗衣机、电风扇、热水器等，利用无刷直流电机可完成更多的自动化操作：准时、定温、自动调节，按设定顺序执行任务。提高了日常电器产品的自动化水平。（2）办公自动化范畴。软硬盘驱动器、打印机、复印机、传真机鼓驱

14、动等计算机外部设备和音像处理设备等，在这些设备中使用的电机要求能够实现稳速、调速、定位等功能。像这些无刷直流电机都属于高科技、高投入的产品，目前，仍然由欧美、日本等科技比较先进的国家提供。（3）医疗仪器和器械范畴。血液分析仪、离心机、牙科器械、医护监控设备等使用的电机要求十分精密，精密的无刷直流电机可以满足其要求。（4）工业设备自动化范畴。当前，在数控机床、彩色打印机、高速食物搅拌机等普通的轻工机械中，一些要求精细调速度的设备大多采用无刷电机。（5）电动车辆范畴。电动车辆以电作为动力，不会像普通汽车、摩托车等产生污染，目前已经受到广泛关注。有关电动车辆的开发正在加紧进行中，无刷直流电机作为最理

15、想的驱动电机，已经被大量应用在电动车辆。五、主要研究内容鉴于无刷直流电机调速系统在各个领域的迅速发展，对无刷直流电机调速系统做了如下研究：（1）分析无刷直流电机的基本组成、工作原理和控制原理（2）在MATLAB中，搭建无刷直流电机调速系统仿真模型，并对该模型进行分析研究（3）设计典型的模糊控制器，并设计适当的模糊控制器对无刷直流电机进行调速仿真（4）与基于常规PI控制器的无刷直流电机调速系统，进行对比分析，得出模糊控制仿真结果和对比结果。第二章 无刷直流电机的基本原理 第一节 无刷直流电机的基本组成无刷直流电机作为一种使用新型换相技术的新型电机，和传统电机相比，主要差别是省去了电刷。无刷直流电

16、机不仅具有传统直流电动机的各方面优点，还兼具了交流电动机的各方面优点。无刷直流电机的控制器和电机的本体紧密结合，形成了新的电机产品。它主要由电机本体、电子开关和位置传感器三部分组成。如图2.12图2.1 无刷直流电机结构图一、电机本体无刷直流电机本体结构也是由定子和转子组成的，它与永磁同步电机不同的是它将定子和转子的位置互换了。（1）在无刷直流电机中，定子结构有很多种，常见的定子结构有：分数槽结构，也是应用较多的结构。在此结构中转子极数和定子槽数之比为2/3，相绕组线圈绕在一个定子齿上，每对磁极下有三个定子齿。这样的结构优点是：绕组端部尺寸小，绕组利用率高，一个线圈就可以形成一个独立磁极，三相

17、绕组之间互感小。但是它的缺点是三相绕组不能与全部转子磁场耦合，永磁体利用较低。无齿槽结构，定子绕组均匀分布在定子铁心内表面的气隙中。因为没有定子齿，所以不产生齿槽转矩，这样非常适用于对转速稳定性和振动、噪声要求比较高的地方。但是，这样的结构也有不利的影响：绕组分布区域大，因为绕组的导热能力远远低于铁心，所以绕组内部散热能力差，温度高；电机内的有效气隙为转子表面到定子铁心内圆的距离，这远远大于普通电动机的有效气隙，气隙磁密低，想要获得较高的永磁体厚度，会使电机的成本上升。整数槽结构，每极每相的槽数q为整数。这种结构在无刷直流电机中使用也是很常见的。（2）无刷直流电动机的主磁场是由转子上的永磁体产

18、生的。转子结构主要有3：凸极结构，由两个永磁体形成两个转子N极，通过转子铁心的凸极形成两个S极。该结构可以使永磁转子所需的永磁体片数降低一半，但是这样的结构会使定子绕组电感随转子位置而变化，产生附加的磁阻转矩。嵌入式结构，永磁体切向充磁，这样可以获得较大的气隙，这中结构不仅能降低成本，还能获得较高的气隙磁密。从无刷直流电机的结构可以知道，它相当于永磁同步机、位置检测和电子开关组成的电动机系统，无刷直流电机的系统框图如图2.2所示2直流电源电子开关电机本体负载位置检测图2.2 无刷直流电机的系统框图二、电子开关在无刷直流电机中电子开关起到的逆变器的作用，根据位置传感器的位置信号来控制给定子绕组的

19、通电情况。主要结构分为全桥式逆变、半桥式逆变电路。其中应用最多的是全桥式逆变电路，全桥式逆变电路也分为绕组星形连接和三角形连接，它们在电机工作时采用三相六状态的工作方式。因为电机三相绕组中感应出来的电动势波形是非正弦的，会含有大量的三次谐波，因此，全桥式逆变电路多为星形连接。电子开关接收到位置传感器的信号，控制相应晶闸管的关断，从而控制无刷直流电机的运行，这样也可以被用来进行调速设计。三、转子位置传感器3转子位置传感器是无刷直流电机的重要部分，其作用是通过检测转子位置来获得转子位置信息，经过相应的处理来产生逆变器的驱动信号，并以此控制电子开关，确保无刷直流电机能够正常运行。转子位置传感器包括传

20、感器定子和传感器转子，其中传感器转子和无刷直流电机的转子同轴安装，两者同步转动；传感器定子安装在无刷直流电机的定子或端盖上，它和传感器转子之间的关系直接反映了无刷直流电机定子和转子的位置关系。常用的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。第二节 无刷直流电机的工作原理在无刷直流电机中，电枢绕组安装在定子上，永磁体做转子，为了使电机产生稳定持续的电磁转矩，转子位置传感器要不断检测永磁磁极位置，以此来决定定子绕组的开通关断状态。下面以星形三相全桥驱动为例说明其工作原理。图 2.3 星形三相全桥驱动电路如图2.3所示，VT1VT6构成了功率逆变器，当转子位于图2.4(a)时

21、，控制电路使逆变电路中VT1和TV6导通，A相绕组正向开通，B相绕组负向开通。电流路径为：电源正极VT1A相绕组B相绕组VT6电源负极。定子磁场Fab和转子磁场Br的夹角为120，两者产生的电磁转矩使转子沿逆时针方向转动。随着转子的转动，两者之间的夹角逐渐变小，当定子磁场Fab和转子磁场Br之间的夹角为60时，定子绕组换流，此时，VT1、VT2打开，A相绕组正向开通，C相绕组负向开通。电流路径为：电源正极VT1A相绕组C相绕组VT2电源负极。定子磁场Fac较Fab跳跃前进60，如图2.4(b)所示，而定子磁场Fac与转子磁场Br间的夹角又变为120，转子接着沿逆时针转动，以后的变化和上面类似，

22、向后延续。各功率管导通顺序为： VT1VT6VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4VT5 VT5VT6 VT1VT6与之对应的三相关断顺序为：ABACBCBACACBAB。每当发现转子位置改变后，控制电路总能及时收到转子的位置信息来改变定子绕组的开通关断，使之持续转动。图 2.4 星形三相全桥的六种通电情况示意图第三节 无刷直流电机的数学模型选三相永磁无刷直流电机为模型，为了方便分析，假设：（1）三相绕组使用星形连接且保持对称，气隙磁场近似为方波，定子电流产生的磁场和转子磁场都对称；（2）不考虑定子的齿槽、进行的换相和电枢上面的影响；（3）电枢绕组持续平均的分布在定子内表面；（4）不考虑磁

23、路饱和，不计算涡流、磁滞等损耗。电压平衡方程为： （2-1）式中: 、是定子相绕组电压（V） 、是定子相绕组反电动势（V） 、是定子相绕组电流（A）为定子相绕组电阻（W）为定子相绕组之间的自感（H）为定子相绕组之间的互感（H）由于转子磁阻、定子绕组自感和互感都是常数，而且电机绕组采用星形连接，无中线，于是三相对称电机中： （2-2）电压方程可化简为： （2-3）无刷直流电机三相绕组的功率与所形成的电磁转矩间的关系为： （2-4）式中：为电机角速度（rad/s）根据2-4可以得出，转矩方程为： （2-5）运动方程为： （2-6）式中：为电磁转矩 为负载转矩 为阻尼系数 为电机机械角速度 为电机的

24、转动惯量状态方程为： （2-7）第三章 模糊控制仿真设计第一节 模糊控制模糊控制是一种在控制策略中运用模糊语言来进行模糊推理的新型控制技术，它属于智能控制的一种，因为人的逻辑思维中有模糊的概念，所以模糊控制就因此产生了。模糊控制和一般的控制的主要差别是：它与经典控制不同，不需要明确的数学模型做依据，也不需要现代控制理论中的状态方程。模糊控制的重点是利用模糊性的语句作为模糊控制规则，利用这些规则对被控对象加以控制。模糊控制的规则一般是由非常了解被控对象的专业工作者给出，因此，模糊控制也可以叫做专家控制。在模糊控制规则中，这些规则能够完整的表达人们的智能行为4。如图3.1，一般的模糊控制系统包括模

25、糊化，模糊控制规则，模糊推理和模糊判决四个主要部分。模糊化模糊推理模糊判决模糊控制规则图 3.1 模糊控制系统图一、模糊化将输入值的精确量按某函数转换为模糊量，此函数在模糊控制中叫做隶属度函数。在建立模糊控制时，要在输入变化范围内选取适当的元素建立模糊子集，选取适当的隶属度函数进行模糊化。二、模糊控制规则建立模糊控制规则，是设计好模糊控制器十分重要的一步，它建立的好、坏将直接影响模糊控制器的调节能力。其最简单的规则形式是if.then。控制规则主要是按照一般操作原则、人们的经验和实际情况确定的。三、模糊推理推理的过程就是已知一个条件判断，推断得出另一个新的条件判断句。在模糊控制中，由于已知的条

26、件判断带有模糊性，因此，推断出的另一个新结论也会带有模糊性。模糊推理和一般的推理一样，都是一种根据已知条件判断的相似情况得出相似结论。在模糊控制中，输入的模糊化量经过模糊推理可以得出输出的模糊化量，这就是模糊推理的作用。模糊推理中主要使用的方法是玛达尼（Mamdani）方法和扎得（Zadeh）方法。四、模糊判决模糊判决和模糊化类似，但是它是相反的，它是将模糊性的变量清晰化，也有的地方叫做去模糊化。由于被控对象只能接收到精确的控制量信息，所以模糊判决也是很重要的过程。在进行模糊判决时，我们经常使用的一般方法有：最大隶属度法；中位数判决法；加权平均判决法。五、隶属度函数模糊控制中，采用的变化量元素

27、都要在所选取的隶属度函数上，也就是说用隶属度函数来描述各个元素，所以隶属度函数在模糊控制设计中是至关重要的一环。它可以为任意形状的曲线，具体要取什么样的曲线，主要是看我们使用它是否方便、简单、有效，隶属度函数只有一个约束条件，那就是它的值域必须为0，1。选用适当的隶属度函数，可以很好的帮助我们解决问题，因此，它也是花费时间最多的。由于现实中的模糊现象变化有很多，所以不可能找到一种统一的隶属度函数。因为对一个一样的模糊性对象，每个人都会人选取不同的隶属度函数来描述。但是，只要这些不同的隶属度函数能够反映同一个模糊概念，满足模糊控制要求，我们就可以认可这个隶属度函数。隶属度函数其实就是客观的反映模

28、糊量。对于隶属度函数的建立和选取，目前还没有成熟有效的方法，一般都是依据统计或是经验确立。我们在模糊控制中建立隶属度函数的一般方法为：模糊统计法、例证法、专家经验法、二元对比排序法。在建立隶属度函数时，我们还要注意一定的选取原则：（1）建立隶属度函数一定要注意凸模糊集要求。凸模糊集的意思就是所建立的函数为单峰函数。在模糊控制中我们见到的一般都是凸模糊集，所以，隶属度函数要具有单峰特性。（2）隶属度函数的形状要和控制特性曲线相似。一般情况下，隶属度函数在变化量范围内的疏密程度越大，也就是说隶属度函数曲线的形状越是尖，那么它的分辨率会比较高，在模糊控制系统中的灵敏度也会比较高，这样系统的响应结果就

29、会越平滑。但是，这样的结果会使模糊控制的规则增加，相应的计算时间也会大大增加。相反的，曲线形状变化比较缓慢时，控制系统中的灵敏度会不太敏感，这样有可能导致对小的输入变化不能及时提供输出变化控制。（3）隶属度函数在变化量的范围内上分布要适当。为了模糊控制系统能够在要求的范围内实现较好的控制，要求隶属度函数能较好地覆盖到整个论域。相邻的两个隶属度函数要尽可能不重合，使同一个论域中的同一个点最多不能同时被两个隶属度函数包括上，避免出现模糊子集在相关定义上自相矛盾。当有两个隶属度函数发生重合时，应该确保在论域上的同一点不能同时对应两个隶属度函数的峰值。重叠的指标要能适合模糊控制提出的标准。重叠指标越大

30、，控制器对调节对象的把握能力就会越强，但是这样会让控制器对调节对象的调节反应速度降低，相反的也是这样。一般情况下，我们经常用到的隶属度函数有以下几种：（1）高斯型隶属度函数（2）z型隶属度函数（3）S型隶属度函数（4）三角形隶属度函数（5）梯形隶属度函数第二节 Matlab简介MATLAB是结合了强大的数值计算、更深入的符号计算和文字处理、实时可见的控制仿真等的综合性软件。在MATLAB中应用的指令语言形式和一般生活中常见的数学表达形式差不多，由此可以看出，在同一个问题解决过程中，使用MATLAB要比一般的数学语言简单快速的多。随着新软件不断被开发，新的MATLAB中也逐渐融入了各种计算机语言

31、，更加的方便快捷，使用者能够把自己认为可行的程序，经过完整编写后传入MATLAB数据库中，这样，使用者就可以在以后的使用中调用自己的程序了。最初的MATLAB是为了使矩阵计算变的简便快速，为人们提供方便，随着版本的升级，它原来的这种功能进一步提高了，并且还结合了其他功能软件，使它的计算能力更加强大。目前，我们常用的MATLAB 中已经很全面了，基本满足了我们学习和做实验的要求。MATLAB的优势和特点主要表现在一下方面5。（1）人性化的操作平台和编程环境（2）容易理解、容易使用的程序语言（3）能够较好的完成数据计算和处理功能（4）具有很好的图形处理功能（5）包含的模块工具箱适用范围广（6）程序

32、关联能力好第三节 Simulink组件介绍Simulink作为MATLAB软件下的模拟仿真工具，其文件类型是.mdl。Simulink中的功能模块都是以图形的形式给出的，大大方便了用户使用，使用者只要运用鼠标就可以 快捷的构建出一个系统，缩短了设计时间和设计步骤5。在Simulink中，我们可以利用MATLAB语言或常用的计算机语言，根据相应的s函数格式，编写出我们自己想要的能够实现其他功能的功能模块，所以它具有很强的实用性，同时它也能够调用格式为.ddl文件类型的应用程序，能够完成和它们的结合使用。所以，只要能够得到相应的.dll文件的s函数，我们就能够完成通过DDE与Simulink传递数

33、据。为了能够更加明确的表述，我们将Simulink中能够实现某种功能的单元区域叫做“模块”，将某一大类模块的集合体叫做“模块库”。第四节 典型模糊控制设计一、模糊控制的基本原理模糊控制器是模糊控制的重要组成部分，它是选取误差E和误差变化EC作为控制器的输入，因为要运用模糊控制，所以我们要对E和EC的精确量进行模糊化，使他们变成模糊量，然后让这些模糊量参照模糊控制规则进行模糊推理，从而能够产生模糊判决U。经过模糊推理产生的U具有模糊性，为使被控对象能得到精确控制，还要对U进行去模糊化，使之成为一个精确量。二、论域、量化因子、比例因子的选择（1）基本论域输入变化量的误差和误差变化的实际大小范围被叫

34、做基本论域。取误差的基本论域为-e，e，误差变化的基本论域为-ec，ec,输出的控制量的基本论域为-u，u。误差变量所取的论域为：-n,-n+1,0,n-1,n误差变化变量所取的论域为：-m,-m+1, 0,m-1,m控制量所取的论域为：-l,- l+1, 0, l-1,l一般来说，增加在变化范围中选取的元素个数，可以提高控制器的性能，但是会受到计算机字符长度的限制，另外也会增加计算量。由于对被控对象的不熟悉，在选取误差和误差变化的基本论域时，只能做暂时的选择，随着系统的调整再对他们进行细致的选择。控制量的基本论域要根据被控对象的数据来确定。（2）量化因子和比例因子设计模糊控制系统，有两个问题

35、是要想到的：一个对输入变量进行模糊化，也就是说要选择合适的量化因子；另一个是在去模糊化过程中选取适合的比例因子。量化因子经常用表示，误差的量化因子和误差变化的量化因子分别为：输出控制量的比例因子为：把量化因子和比例因子做比较，可以发现，它们是从论域变换中引出的，但是对于输入变量，量化因子真的起到了量化效应，而对于输出控制量来说，比例因子只有比例作用。（3）量化因子和比例因子的选择完成一个好的模糊控制器设计，除了建立实用的模糊控制规则外，还要适当的选取量化因子和比例因子。当误差的量化因子增加时，相应的系统超调会增加，过渡过程会增加。当误差变化的量化因子增加时，系统的超调会变小，响应速度会变慢。其

36、中误差变化的量化因子对系统超调的遏制作用是非常显著的。输出的比例因子不仅影响着控制器的输出，还影响着控制器的特性。当比例因子选取过大时，会使系统的振荡加剧，当选取的比例因子过小时，会使系统的响应变慢。量化因子和比例因子的选择不是一定要固定下来数值，只要能使系统有良好的响应特性，它们可以使用几组不同的值。对于复杂的控制过程，一组量化因子和比例因子有时不能满足控制要求，这样就需要在控制过程中随时调整量化因子和比例因子，从而提高控制效果，像这样的模糊控制器被称为自调因子模糊控制器。三、模糊控制器设计的步骤设计好模糊控制器是模糊控制系统中的重中之重。每个模糊控制器的设计是不需要根据被控对象的数学模型的

37、，主要依据人的经验判断。依据模糊控制的原理，一般的设计步骤为：（1）根据系的运行情况来选择模糊控制器的输入、输出变量；（2）将输入和输出变量进行模糊化处理，也就是把输入输出的精确量转换为模糊量；（3）创建模糊控制规则，然后根据此规则进行模糊推理操作，并推理出输出变量的模糊量；（4）对输出控制的模糊量做模糊判决处理，完成输出模糊量到精确量的转变。四、模糊控制设计设计一个含有模糊控制器的控制系统，并对其进行仿真，从而熟悉模糊控制器设计的步骤和要点。运用Matlab的Simulink环境进行仿真，建立控制系统如图3.2。图 3.2 模糊控制系统（1）打开Matlab，使用fuzzy指令打开模糊推理系

38、统编辑器。由于此模糊控制器为二维模糊控制，所以在Edit中，使用Add variable选项为它添加一个输入变量（Input）。将两个输入变量命名为e和ec，将输出变量命名为u。（2）输入变量e、ec和输出变量u的模糊子集都选为NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，其中NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB分别表示负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。双击变量名为e的图标，到达隶属度函数编辑器模式。将Range和Display Range改为-6，6，从Edit菜单中选Add MFs来为变量添加3条三角形曲线。编辑其隶属度。ec和u的隶属度编辑方法和e的一样。如图3.3所示图 3.3 隶属

39、度函数编辑器（3）在总结专家经验和过程的基础上，建立模糊控制规则，如图3.4图 3.4 模糊控制规则编辑器（5）从File中选择Export中的To Workspace.打开如图窗口。在右侧空白处写上完成好的模糊推理系统的编辑器名称并单击OK。如图3.5图 3.5 To Workspace.窗口（6）双击图3.2中的Fuzzy Logic Controller，将模糊推理系统编辑器的名字写入其中，单击OK。运行并得到仿真结果。如图3.6所示图 3.6 模糊控制系统仿真结果通过进行简单模糊控制设计，对Matlab、Simulink的使用有了简单的了解，对模糊控制器的设计有了更深的体会，为下面无刷

40、直流电机的模糊控制奠定了基础。第五节 模糊控制系统的稳定性分析控制系统所起到的作用是：一方面能够让被控量可以抵抗外界干扰而保持稳定，另一方面能保证被控量按要求的变化而迅速的变化。这些都要看控制系统是否稳定。所以说对控制系统的是否稳定进行分析是完成控制系统的初始条件4。在控制系统中加入模糊控制器，这样的系统被称为模糊控制系统。模糊控制器运用的都是一些模糊性语言，属于是一种非线性控制器，由于被控对象一般为很复杂的系统，不好确定出数学模型，所以，模糊控制系统不能够使用一般常见到分析方法对其直接分析。在1975年时，Kickert和Mamdani开始提出分析模糊控制是否稳定的问题，指出模糊控制器在一定

41、限制下可以变换为一个“多维多级继电器”模型。变换后的模型能够使用一般的非线性稳定分析法来对模糊控制系统进行分析。对于常见的双输入单输出的控制器，当其中一个输入为另一个输入的变化时，可以将模糊控制器等效为由n个并联的二维三点式继电器组成的二维多级继电器。当被控过程可用线性数学模型描述时，就可以运用一般的非线性稳定分析法对模糊控制系统进行分析了。由于控制变化量都是在瞬时变化的，使得被控对象一直运行在最大控制作用，所以像这样的拥有继电器特性的控制系统，它们的速度是非常快的。因为模糊控制器的性能和多维多级继电器的性能差不多，所以，这些优点也是模糊控制系统的一个特别之处。常用的稳定性分析法为：（1）描述

42、函数法。描述函数法是对于分析和研究非线性系统是很实用的方法，但是，它不属于一种很准确的方法，所以在进行分析时，常常先利用描述函数法对系统进行简单分析，然后再利用其他可行的精准方法分析。运用描述函数法可以获得非线性系统振荡点。（2）相平面分析法。相平面分析法是比较精准的一种方法，它便于观察且能够起到优化系统的作用。但是，它的缺点是局限于二阶控制系统，而且由于每个子集都要计算轨迹，这个方法也是很费时的。（3）Lyapunov判据分析法。Lyapunov判据分析法能够适用于任何系统，并且该方法属于精准的分析法精确，只是操作起来是相当复杂的。该理论的基本出发点是，由系统静止状态的稳定性判断系统的稳定性

43、，而不需要解系统的微分方程。（4）Popov判据分析法。Popov判据分析法和以上的几种比较来说是相对简单的，但是只用一些具体的稳定性分析才能够运用它。它能够借助根轨迹进行系统描述。正是由于它简便、精确，所以在非线性稳定分析中变得越来越重要了。第四章 无刷直流电机的模糊控制仿真第一节 无刷直流电机调速系统模型利用Matlab中“ac7_example”模型文件进行调速研究，如图4.1。首先对模型文件中的各个模块做个简单的了解：图 4.1 “ac7_example”模型文件示意图一、无刷直流电机模块，如图4.2所示图 4.2 电机模块图4.2中包括PI转速调节模块、电流控制器模块、三相二极管整流

44、模块、斩波器模块、逆变器模块和永磁同步电机模块。（1）PI转速调节模块原理如图4.3所示：图 4.3 PI转速调节模块原理PI控制器是以参考转速和实际转速的比较值作为输入，通过控制调节输出转矩值。P为比例调节，能够用比例的方式表述系统偏差。当系统运行出现偏差时，比例调节将发挥作用来降低偏差。I为积分调节，主要作用是清除系统稳态误差。只要系统存在稳态误差，积分调节就发挥作用，直到清除误差。积分作用的大小能力是由积分时间常数Ti决定的。选取的Ti越小，积分调节能力越大，反之则积分调节能力越小。在Simulink下建立仿真，如图4.4：图 4.4 PI转速调节模块（2）电流控制器模块原理如图4.5所

45、示：图 4.5 电流控制器模块原理TI的作用是把转矩转换到电流。Hall decoder的作用是把来自位置传感器的霍尔效应信号转化为反电动势。电流与反电动势相乘得到三相参考电流，三相参考电流与三相反馈电流通过电流滞环控制模块来得到触发逆变器的控制信号。在Simulink下建立仿真，如图4.6：图 4.6 电流控制器模块仿真（3）逆变器模块在无刷直流电机中，逆变器相当于有刷电机的换相装置。在本系统中，通过电流滞环模块得到逆变器控制信号，用这些控制信号来控制晶闸管的导通和关断，从而达到控制无刷直流电机的目的。二、参数设置将Matlab中“ac7_example”模型文件中的转矩模块换成零输入，使输

46、入转矩为零，即为空载。运行该文件得到仿真结果如图4.7所示：图 4.7 PI转速控制器调节仿真结果此仿真图为PI调节控制，下面基于这个模型进行模糊控制器对速度调节的设计。第二节 无刷直流电机的模糊控制设计本文利用上面的模型进行模糊控制设计，运用Simulink搭建的模糊控制器代替PI控制器，以达到控制无刷直流电机转速的目的。一、选择模糊控制器的输入输出变量 图 4.8 输入、输出变量选取如图4.8所示，取示波器scope1为输入误差e，scope为输入误差变化ec，scope2为输出控制量u。运行后的示波器的波形如图4.9、4.10、4.11所示： 图 4.9 变量e的波形图 4.10 变量ec的波形图 4.11 控制变量u的波形根据图形中e、 ec和u的对应关系，在Matlab中运用模糊推理编辑器分别建立它们的隶属度函数。如图4.12、4.13、4.14图 4.12 变量e的隶属度函数编辑界面