XX学院毕业设计（文）
基模糊PID算法双闭环直流调速系统仿真研究
学 生：
学 号：
专 业：电气工程动化
班 级：
指导教师：
XX学院动化电子信息学院
摘
直流双闭环调速系统具调速范围广精度高动态性易控制等优点电气传动系统中广泛应文前研究基础结合前直流双闭环调速系统特点PID模糊控制理设计模糊 PID 双控制器改进方案保留常规 PID 控制器稳态时静差处理力具备模糊控制系统动态非线性变化处理力利 MATLAB 软件闭环控制系统稳定性进行仿真实现闭环控制系统稳定运行仿真结果表明模糊控制方法转速调节器参数较传统工程整定方法参数相优点：控制性响应快渡程时间短基超调
关键词：PID控制模糊算法双闭环直流调速Simulink仿真
ABSTRACT
Double closed loop DC speed regulation system has the advantages of wide speed range high precision good dynamic performance and easy to control so it has been widely used in electric drive system On the basis of previous research combined with the characteristics of PID current and DC double closed loop speed regulation system of fuzzy PID controller design of fuzzy control theory The improved scheme not only retains the conventional PID controller processing capability of the steady state error of fuzzy control and has the ability to deal with the nonlinear system dynamics change And the stability of the closedloop control system is simulated with MATLAB software realize the stable operation of the closedloop control system The simulation results shows that compared with the traditional engineering parameter tuning method is obtained by using fuzzy control method of speed regulator parameters of good control performance fast response short transition time little overshoot
Key words PID control Fuzzy algorithm Double closed loop DC speed control system Simulink simulation
目 录
摘 I
ABSTRACT II
第1章 前 言 1
11直流调速系统简介发展 1
12模糊控制发展状况 1
13仿真技术介绍 2
第2章 直流调速系统 4
21直流电机调速简介 4
22调速系统稳态性指标 5
23调速系统动态性指标 6
第3章 双闭环直流调速系统设计 10
31转速电流反馈控制双闭环调速系统组成静态特性 10
32转速电流反馈控制直流调速系统数学模型程动态分析 14
第4章 模糊控制简介 17
41模糊控制特点 17
42模糊控制理基础 17
43模糊控制器分类般结构 18
第5章 转速电流反馈控制调速系统调速器工程设计 21
51直流电动机数学模型 21
52电流调节器设计 23
53转速调节器设计 25
第6章 控制方案介绍 27
61设计课题 27
62传统PID控制器设计 29
63模糊PID控制器设计 30
第7章 MATLAB系统仿真 36
71传统PID控制双闭环直流调速系统仿真 36
72模糊PID控制双闭环直流调速系统仿真 37
73结 44
第8章 总 结 45
致 谢 46
参考文献 47
附录1 双闭环直流调速系统仿真模型 48
附录2 基模糊PID算法双闭环直流调速系统仿真模型 49
第1章 前 言
11直流调速系统简介发展
直流调速指动改变直流电动机转速满足机械基工作求机械特性通改变电动机参数外加电压等方法改变电动机机械特性工作特性交点电动机稳定运转速度发生变化
直流电动机具调速性起动转矩易范围滑调速等优点调速控制系统历工业控制中占极重位着电力技术发展特功率电力电子器件问世直流电动机拖动逐步交流电动机拖动取代趋势特高精度位置伺服控制系统调速性求高求转矩场直流电动机然广泛采直流调速控制系统中典型种调速系统速度电流双闭调速系统[3] [7]
直流调速系统般发展趋势：
(1)高频化：功率驱动装置中低频半控器件（晶闸）中功率范围会高频全控器件（功率晶体）代提高系统性改善电网功率数
(2)交流化：着交流调速系统成逐步降低仅现直流调速系统交流调速取代量原恒速运行交流传动系统改交流调速系统原直流调速达高转速功率领域采交流调速系统
(3)网络化：规模机协工作高度动系统中需计算机网络支持传动设备控制器作节点连接现场总线工业控制网中实现集中分散生产程进行实时监控时助数字网络技术智控制模糊控制神网络控制藕控制等深入运控制系统方面种观测器辩识技术应控制系统中改善控制系统性
12模糊控制发展状况
种传统控制方法均建立控象精确数学模型着系统复杂程度提高难建立系统精确数学模型满足实时控制求期探索出种简便灵活描述手段处理方法进行种种尝试结果发现复杂控制系统操作员着丰富实践验满意控制效果模糊控制基理念模拟思维方法然语言植入计算机核计算机具活性智模糊逻辑控制计算机具活性智种新颖智控制方法般应诸测量数确切处理数量致法判断兼容性复杂变控象等场合传统控制器赖系统行参数控制器设计方法模糊控制器设计赖操作者验传统控制器中参数控制输出调整根组微分方程描述程模型状态分析综合进行模糊控制器参数控制输出调整程函数逻辑模型产生规进行改善模糊控制性效方法优化模糊控制规通常模糊控制规通操作验转化模糊语言形式获取带相观性扎德1965年发表首篇关模糊集理文模糊理模糊控制开始艰难历程模糊集合理法广学者认尤权威学者认时提出反模糊集理两理：认模糊隶属度函数确定具观臆断性验技巧色彩没严格系统方法[2] [10]二认模糊逻辑实际改头换面概率理存众权威士反模糊理发源美国发展相缓慢欧洲模糊理研究着重模糊控制Mamdani教授1974年首先模糊理蒸汽机锅炉控制开创模糊控制先河模糊控制理应研究70年代欧洲取成功推动模糊控制理研究时模糊控制理断认识重视80年代期模糊控制理进入发展期包括美国世界国模糊控制理模糊控制产品断发展断更新十年模糊控制发展相迅速
13仿真技术介绍
现代电力拖动控制技术已电控设备简单应已成电工动控制计算机应电力电子学数字仿真CAD等门学科互相交叉新兴学科八十年代中期国际已公认运动控制系统单纯数字仿真已法进行运动控制系统设计研究必须应包括分析较动寻优检验等计算机进行整设计程MATLAB含极丰富专控制工程系统分析函数提供方便图形功已成国际控制界应广语言工具MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink中系统进行建模变非常简单仿真程交互意改变仿真参数立修改仿真结果[8]
课题MATLAB传统PID形式基模糊PID算法直流调速系统进行仿真出相应结进步解系统动态性稳态性
第2章 直流调速系统
21直流电机调速简介
直流电动良启动制动性种直流电转换机械装置优点调速范围广静差率相较稳定性时具良动态性适宜较宽范围滑调速许高性拖动技术领域调速系统中广泛应面简单介绍直流电机调速方法
直流电动机转速参数间稳态关系表示：
（21）
式(21)中： n—转速（rmin）
U—电枢电压（V）
I—电枢电流（A）
R—电枢回路总电阻
Ke—电机结构决定电动势常数
—励磁磁通（Wb）
式21出直流电动机三种调节电动机转速方法分：
(1)调节电枢端电压U改变电枢电压实现转速改变属恒转矩调速特点动态响应快机械特性硬度变适范围极滑调速系统
(2)减弱励磁磁通磁通量减参数保持变时着减转速n断增属恒功率调速特点动态响应慢然实现极调速调速范围较
(3)改变电枢回路电阻R电动机电枢串电阻进行调速机械特性保持变实现级调速种调速方法特性调速滑性差机械特性软效率偏低
22调速系统稳态性指标
般工程实践中台需控制转速设备生产工艺调速性定求实际工程调速系统转速控制求致分三种分：
(1)调速—定调速范围（高转速低转速间）分档（级）者滑（极）实现转速调节
(2)稳速—种外界干扰转速较波动恒定精度需转速稳定滑运行
(3)加减速—频繁启动制动设备求加减速程快提高生产效率
221稳态调速性指标
进行定量分析定义两稳态调速性指标分：调速范围静差率
（1）调速范围：
生产机械求电动机提供高转速低转速称调速范围字母D表示：
（22）
式22中—分指电动机额定负载时高转速低转速
（2）静差率：
系统某转速运行时负载理想空载增加额定值应转速降落理想空载转速称静差率S：
（23）
显然静差率衡量调速系统负载变化转速稳定度参数机械特性硬度关特性越硬静差率s越转速稳定度越高样硬度机械特性理想空载转速越低静差率越转速相稳定度越差见调速范围静差率两项指标相互独立调速程中额定转速相转速越低静差率越果低速时静差率满足设计求高速时静差率更满足调速系统静差率指标应该低转速时达数值准[7]
222调速范围静差率额定转速降间关系
般电动机额定转速作高转速额定负载转速降落该系统静差率应该系统低速时静差率标准
（24）
固低转速：
（25）
调速范围：
式25带入式：
（26）
式见系统调速范围静差率额定转速降间应该满足关系调速系统值定果静差率求越严求s值越时系统够允许调速范围越说系统调速范围指低速时满足需静差率转速调范围
23调速系统动态性指标
调速系统动态指标指定信号扰动信号作系统动态程品质系统定信号响应力称性指标种干扰信号抵制力称抗扰动性指标
231系统性指标
定信号者参考输入信号R(t)作系统输出量C(t)输出情况系统性指标表述常阶跃响应性指标超调量（℅）调节时间震荡次数N3指标衡量图21示
图21 阶跃响应动态曲线
（1）超调量（℅）
阶跃响应程中超输出量然继续增加达峰值时达值然回落超稳态值百分数称超调量
（27）
超调量反应系统相稳定性超调量越系统相稳定性越
（2）升时间
图21绘出阶跃响应程程中输出量零起第次升历时间称升时间表示动态响应快速性
（3）调节时间
调节时间称渡时间指输出响应曲线稳态值差达允许范围（般取稳态值±2±5）需时间超出范围调节时间反应系统快速性包含着稳定性
（4）震荡次数N
震荡次数指调整时间调量稳态值摆动次数正次数反映系统稳定性般调速系统允许2～3次系统允许出现震荡
232系统抗扰性指标
抗扰量作时动态响应性称作抗扰性般动态速降恢复时间震荡次数N三指标衡量系统难避免扰动量影响调速系统突加扰动动态程抗扰性指标曲线图22示应抗扰性指标定义：
图22突加扰动动态程抗扰性指标
（1）动态降落
系统稳定运行时突加定数值扰动（额定负载扰动）引起转速降落值做动态降落输出量原稳态值百分数表示输出量动态降落逐渐恢复达新稳态值系统该扰动作稳态降落动态降落般稳态降落（静差）调速系统突加额定负载扰动时动态降落称作动态降落﹪
（2）恢复时间
阶跃扰动作开始输出量基恢复稳态距新稳态值差进入某基准量 ﹪(﹪)范围需时间定义恢复时间中称抗扰指标中输出量基准值
实际系统中种动态指标求根生产机械具体求定般说调速系统动态指标抗扰性
（3）震荡次数N
震荡次数N恢复时间调量稳态值摆动次数代表系统稳定性抗扰力强弱
第3章 双闭环直流调速系统设计
31转速电流反馈控制双闭环调速系统组成静态特性
直流单闭环调速系统采PI调节器实现转速稳态静差消负载转矩扰动稳态转速影响电流截止负反馈限制电枢电流击避免出现电流现象转速单闭环调速系统充分理想求控制电流动态程里便引入转速电流双闭环直流调速系统
311转速电流反馈调速系统组成
实现允许条件快启动关键获段电流保持值恒流程反馈控制规律需稳定什量引入相应量负反馈采电流负反馈似恒流程双闭环直流调速控制系统原理图图31示
图31双闭环直流调速控制系统原理图
ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机
TA电流互感器 UPE电力电子变换装置 转速定电压
转速反馈电压 电流定电压 电流反馈电压
转速环电流环两种负反馈起作系统中设置两调节器图31分引入转速负反馈电流负反馈两调节器进行嵌套电流环作环转速换作外环电流调节器输出控制电力电子装置样形成转速电流双闭环调速系统
312稳态结构图静特性
转速电流双闭环调速系统两带限幅环节PI调节器构成图32示
图32 双闭环直流调速系统稳态结构图
α转速反馈系数 β电流反馈系数
图32示转速调节器输出限幅电压决定电流调节器输入值电流调节器输出限幅电压作电力电子变换装置输入值调节器饱时输出达限幅值输入量变换影响调节器输出值调节器饱时PI调节器工作线性状态输入偏差电压稳态时置零般状态调节器工作状态两种：饱（输出限幅值）饱（线性状态工作）调速系统中达实时控制快速目般电流调节器进入饱状态调节器静特性包括转速调节器饱状态非饱状态
（1）转速调节饱状态
转速电流调节器均饱时稳态时输入偏差电压零：
： （31）
图33示静特性CA段时ASR饱 ﹤述关系知：说CA段静特性理想空载状态0开始直延续般额定电流静特性运行段水特性
图33 双闭环直流调速系统静特性
（2）转速调节器饱状态
ASR输出达限幅值时转速外环呈开环状态转速变化转速环产生影响时双闭环系统电流静差单闭环电流调节器稳态时：
（32）
式33中电流设计者选定图AB段示描绘垂直特性样垂特性适情况否转速调节器退出饱状态
双闭环调速系统静特性负载电流时表现转速静差时转速负反馈起作负载电流达值ASR退出饱电流调节器起作系统表现电流静差然实际运算放器开环放倍数穷特避免零漂采准PI调节器时静特性线段微偏差图33虚线示
313变量参数计算
双闭环调速系统稳态结构图出工作稳定状态两调节器饱时变量关系示：
（33）
（34）
（35）
式关系：
（1）转速n定电压决定
（2）ASR输出量负载电流决定转速n决定控制电压
出双闭环调速系统转速反馈系数电流反馈系数间关系：
转速反馈系数： （36）
电流反馈系数： （37）
32转速电流反馈控制直流调速系统数学模型程动态分析
图34 双闭环直流调速系统动态结构图
双闭环直流调速系统动态结构图图34示
中转速调节器传递函数电流调节器传递函数电力电子变换器传递函数
311双闭环调速系统动态程分析
双闭环直流调速系统突加定电压静止状态起动时转速调节器输出电压电流调节器输出电压控整流器输出电压电动机电枢电流 转速n动态响应波形程图35示起动程中转速调节器ASR历饱饱退饱三种情况整动态程分成图中标明ⅠⅡⅢ三阶段
（1）第Ⅰ阶段电流升阶段（0）：突加定电压电动机机电惯性较电动机转动（n0）转速负反馈电压时ASR输出突增 ACR输出控整流器输出电枢电流迅速增加增加>(负载电流）时电动机开始转动转速调节器ASR输出快达限幅值电枢电流达应值 时电流负反馈电压ACR定电压基相等：
（28）
电流反馈系数
（2）第Ⅱ阶段恒流升速阶段（）：电流升值开始转速升定值止启动程阶段阶段中ASR直饱转速负反馈起调节作转速环相开环状态系统表现恒流调节电流 保持恒定值系统加速度 恒值转速n线性规律升 知线性增加启动程中电流调节器应该饱晶闸控整流环节应该饱
图35 双闭环直流调速系统启动程转速电流波形
（3）第Ⅲ阶段转速调节阶段()转速调节器阶段中起作开始时转速已升定值ASR定电压转速负反馈电压相衡输入偏差等零输出积分作维持限幅值电动机电流加速转速超调超调〉0 〈0ASR退出饱输出电压（ACR定电压）限幅值降负载电流 开始段时间转速继续升时电动机开始负载阻力减速直稳定（果系统动态品质够振荡次稳定）阶段中ASRACR时发挥作转速调节器外环ASR处导位ACR作力图快ASR输出变化说直流调速系统动系统
述知双闭环调速系统启动程部分时间ASR处饱限幅状态转速环相开路系统表现恒电流调节基实现理想程双闭环调速系统转速响应定超调超调转速调节器退出饱稳定运行时ASR发挥调节作稳态接稳态运行中表现静差调速双闭环调速系统具良静态动态品质[13] [14]
知转速调节器作：
（1）转速调节器调速系统导调节器转速n快定电压变化稳态时减转速误差果采PI调节器实现静差
（2）负载变化起抗扰作
（3）输出限幅值决定电动机允许电流
电流调节器作：
（1）作环调节器转速外环调节程中作电流紧紧定电压变化
（2）电网电压波动起时抗扰作
（3）转速动态程中保证获电动机允许电流加快动态程电动机载甚堵转时限制电枢电流值起快速动保护作旦障消失系统立动恢复
第4章 模糊控制简介
41模糊控制特点
模糊控制模糊集合作数学基础工验实际生产中验加总结描述模糊控制语言表达出控制理1965年LAZadeh提出模糊理开始模糊控制历49年研究发展已逐步走成熟[10]
模糊控制系统应诸测量数准确处理数量难判断兼容性等变控象传统控制器相模糊控制器设计赖操作者验迅速发展结模糊控制器特点：
（1）需知道控象数学模型
模糊控制控象控制验设计控制器
（2）种反应类智慧思维智控制
模糊控制采类思维中模糊高中低控制量模糊推理导出
（3）更容易接受
（4）构造容易
常见器件构造控制系统结构般数字控制系统异模糊控制算法软件实现
（5）鲁棒性
模糊控制系统伦控象线性非线性执行效控制具良鲁棒性适应性
42模糊控制理基础
逻辑控制计算机具活性智种新颖智控制方法传统控制理相模糊控制二优点
第：模糊控制许应中效便捷实现控制策验收
第二：模糊控制需控象数学模型实现较控制控制象动态特性已隐含模糊控制器输入输出模糊集模糊规中
模糊控制模糊集合模糊语言变量模糊逻辑推理基础计算机智控制十年发展模糊控制理应研究取较进步基原理框图图41示
执行机构
控象
AD
传感器
控参数
模糊控制器
定值
+
计算机控制变量
模糊量化处理
模糊控制规
模糊化处理
DA
图41 模糊控制基原理框图
机程序实现般程：首先现场采集精确控制量作负反馈定量做较误差信号eAD转换变换数字信号误差e数字信号作模糊控制器输入信号进入模糊控制输入偏差信号模糊化模糊量模糊量般相应模糊语言表述误差e模糊语言集合模糊语言集合中子集控制规根推理合成规进行模糊决策模糊控制量u模糊处理DA转换现场控制信号控制现场机械运行
43模糊控制器分类般结构
431模糊控制器分类
模糊PID控制器般情况分：增益调整型模糊PID控制器直接控制量型模糊PID控制器混合型模糊PID控制器三种
（1）增益调整型模糊PID控制器
该类控制器中输出物理量直接应增益参数通应模糊规线3增益参数进行调节种基性监督增益调整型模糊PID控制器
般结构表示：
If(〝Perform Index is…) then(is…) and(is…) and(is…)
中（Perform Index）指超调量稳态误差者动态性性指标需完整控制程该控制器整定者适应方式增益进行动态调整
If(〝e is…) and( is…)then(is…) and(is…) and(is…)
增益调整外种形式：基误差驱动模糊PID控制器该控制器PID增益参数误差e误差变化非线性函数例增益记：
（2）直接控制量型模糊PID控制器
直接控制量型模糊PID控制器指模糊推理机输出PID原理范围作量Mann等纳该控制器12中独立结构单元图42出单元结构单元组成种形式模糊PIPDPID控制器
图42 模糊控制器结构单元图
（3）混合型模糊PID控制器
混合型模糊PID控制器样形式出现增益型直接控制性相结合控制器增益型传统线性PID控制器等结合
432 模糊PID控制器般结构
混合型PID控制器出现学者提出应磨合控制进行初始快速响应调整采传统线性PID控制器进行细节调整种FuzzyPID控制PID控制具更快动态响应更超调量时稳态精度更高
般情况维模糊控制器应般控象应种控制器输入量选择误差量动态性佳目前广泛应二维模糊控制器误差误差变化率作模糊控制器输入变量控制输出变量图43示
模糊控制器
ddt
E
E
EC
U
图43 二维模糊控制器简图第5章 转速电流反馈控制调速系统调速器工程设计
文第三章转速电流反馈直流双闭环调速系统结构参数计算做简单介绍图34稳态结构图解致结构框架章进行具体设计
般工程设计方法设计转速电流反馈控制直流调速系统原：先环外环先电流环开始进行必变换似处理然根电流环控制求确定校正成具体典型系统动态性嫩指标求确定ACR参数环等效外环中环节进行转速环设计[7] [11]
双闭环调速系统实际动态结构框图题51示图34增加滤波环节包括电流滤波转速滤波两定信号滤波环节中电流反馈滤波时间常数转速反馈滤波时间常数
图51 双闭环调速系统动态结构图
51直流电动机数学模型
直流调速系统中通常励直流电动机作控制象等效控制电路图52示系统输入量电机电枢电压控制系统输出量电机转速n根电压定律电枢回路微分方程式：
（51）
电动机电枢反电动势（V）
电动机电枢回路总电感（H）
电动机电枢回路总电流（A） 图52直流电机等效控制电路
电动机电枢回路电阻（）
电机产生反电动势：
（52）
式中：—电动机电势常数单位
式(51)(52)电机动方程式：
（53）
电动机第二方程机械运动方程负载理想机械运动方程微分型式：
（54）
式中：M电动机转矩（）
电动机飞轮惯量（）
t时间（s）
电磁转矩：
消中间变量M整理励式直流电动机微分方程形式数学模型：
（55）
进步：
（56）
式中：电动机电磁时间常数（s）
电动机机电时间常数(s)
式(46)零初始条件进行拉斯变换励式直流电动机传递函数型式数学模型
(57)
52电流调节器设计
图51点画线框示双闭环调速系统电流环动态结构图
521电流环等效
系统电磁时间常数般远远机电时间常数电流环说电流变化瞬间认反电动势图53(a)等效动态结构图
ACR
+
—
(a)
ACR
+
_
（b）
图53 电流环动态结构图化简
果定滤波反馈滤波时移环进行等效处理定信号改电流环等效单位负反馈般电磁时间常数似成惯性环节处理中电流环结构简图图53（b）示时果采PI调节器传递函数表示：
（58）
522电流调节器确定
稳态求理想堵转特性期电流静差动态求保证电流动态程中超允许值般允许电枢电流突加控制环节时超调综合求选择典型Ⅰ型系统图44示时：
（59）
中：
+
_
图54 校正典型Ⅰ型系统电流环
53转速调节器设计
转速环设计中首先电流环等效环节代电流环转速电流双闭环调速系统等效图55结构
ASR
+
_
_
+
图55 转速环动态结构图
531转速调节器等效
电流环等效类似转速定滤波反馈滤波时等效移前通道时定信号变时间常数合起似等效惯性环节中转速环等效图56结构
ASR
+
_
+
_
图56 转速环简化结构
532转速调节器确定
实现转速静差系统动态性求负载扰动作点前应该加积分环节扰动点面已积分环节转速环开环传递函数两积分环节转速换应该典型Ⅱ型系统图57示实际设计中般转速调节器饱非线性性质会超调量降低ASR应该PI调节器结构传递函数：
（510）
中 ——转速调节器例系数——转速调节器超前时间常数
+
_
图57 校正成典型Ⅱ型系统第6章 控制方案介绍
61设计课题
已知某电动机调速系统控制系统回路直流电动机参数：
电动机：
回路：全控桥整流：
负载电动机转动惯量：转速输出限幅值：
转速调节器输出限幅值：电流反馈滤波时间常数：
转速定值：
转速反馈滤波时间常数：
生产工艺求：
①系统静差
②电流超调量
③额定负载启动电流额定转速超调量
首先根工艺求先设计环电流环确定电流调节器类型参数确定电流调节器组成电路电路元件然电流环等效惯性环节作转速换部分根工艺转速换求采样方法设计转速换转速调节器
611相关参数计算
电势常数：
转矩常数：
电磁时间常数：
机电时间常数：
晶闸整流装置滞时间常数：
晶闸装置放系数：
启动电流：
电流反馈系数：
转速反馈系数：
根双闭环直流调速控制系统动态结构图动态结构
612系统设计
⑴电流调节器设计
第四章第二节知电流环作限制电流般电流环校正典型Ⅰ型系统电流调节器PI调节器传递函数式（58）
根典型Ⅰ型系统设计结果：
⑵转速调节器设计
转速调节器设计第四章第三节作详细介绍知转速超调动态速降均抗扰指标衡量抗扰指标典型Ⅱ型系统佳转速调节器采PI调节器典型Ⅱ型系统设计取
：
根典型Ⅱ型系统设计结果：
62传统PID控制器设计
621 PID控制器结构
传统PID（例积分微分）控制器指偏差例(P)积分(I)微分(D)通线性组合构成控制量控象进行控制控制时需控制三参数（）系统需特性PID控制系统原理框图图61示系统PID控制器控象构成
+
+
P
I
D
控象(j五号
+
—
+
图61 PID控制系统原理框图
PID控制算法中存例积分微分3种控制作例作系统误差时响应PID控制象误差减方变化缺点具动衡力（系统阶跃响应终值限值）控象存定静差加例环节减静差时系统超调量会增破换系统动态性积分控制误差进行记忆取积分作利消系统静差积分作具滞特性果积分作太强话会控象动态品质变坏导致系统稳定微分作感知误差变化趋势增微分作加快系统响应减超调量缺点干扰作敏感会导致系统抗干扰力降
图61知PID控制器种线性控制器根定值实际输出值构成控制偏差：
（61）
PID控制规律：
（62）
中：例系数积分时间常数微分时间常数
622 PID控制器作特点
（1）PID控制器校正环节作：
①例环节：成例反映控制系统偏差信号偏差旦产生控制器立产生控制作减偏差
②积分环节：消静差提高系统差度积分作强弱取决积分时间常数 越积分作越弱反越强
③微分环节：反映偏差信号变化趋势(变化速率)偏差信号变太前系统中引入效早期修正信号加快系统动作速度减少调节时间
（2）PID控制器特点：
①原理简单实现方便种够满足数实际需基控制器
②适种截然象算法结构具较强鲁棒性情况控制品质控象结构参数波动敏感
63模糊PID控制器设计
模糊PID
控制器
ACR
β
α
+
_
_
_
n
基第四章模糊控制基知识双闭环直流调速系统中确定采二维模糊控制器结合传统直流双闭环调速系统结构考虑转速环（外环）决定控制系统根素电流环（环）起改变电机运行特性作转速环采简单二维模糊PID控制器环然采传统PI控制基原理框图图63示
图63 双闭环调速系统模糊PID控制原理图
模糊控制器设计般步骤三步：
第步：模糊化模糊化通传感器受控象相关物理量转换成电量传感器输出量连续模拟量通A／D转换成数字量作计算机输入测量值接着输入测量值作标准化处理变化范围映射相应域中域中该输入数转换成相应语言变量术语构成模糊集合样输入精确量转换隶属度函数表示某模糊变量值检测输入量作模糊控制规中条件运模糊规进行推理
第二步：模糊逻辑推理根事先已制定组模糊条件语句构成模糊控制规运模糊数字理模糊控制规进行推理根模糊规输入系列条件进行综合评价定性语言表示量模糊输出量
第三步：模糊运算模糊量模糊子输出精确值控制续系统常模糊方法面积中心法（重心法）
631模糊化处理
模糊化处理时首先应该确定输入输出变量模糊子集隶属度
（1）输入输出变量确定
图64示模糊PID适应控制器结构图图知系统双输入三输出结构输入变量分定信号反馈信号偏差e偏差e变化量ec隶属函数高斯型(gaussmf)输出变量分例子积分子微分子隶属函数三角型(trimf)三输出变量常规PID控制器输出控制量U控制控象
图64 模糊PID适应控制器结构图
（2）输入输出变量模糊子集域隶属度
输入输出变量均采负（NB）负中（NM）负（NS）零（ZO）正（PS）正中（PM）正（PB）7模糊控制状态描述偏差e离散应域：理采相方法描述转速偏差变化量de控制量U隶属函数表表61示
表61 转速偏差e隶属度函数表
隶属度
E域
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
模糊集合
NB
1
07
03
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
NM
03
07
1
07
03
0
0
0
0
0
0
0
0
NS
0
0
03
07
1
07
03
0
0
0
0
0
0
ZO
0
0
0
0
03
07
1
07
03
0
0
0
0
PS
0
0
0
0
0
0
03
07
1
07
03
0
0
PM
0
0
0
0
0
0
0
0
03
07
1
07
03
PB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
03
07
1
632 确定模糊规进行模糊推理
PID 调节器控制规律
中 例系数
积分系数
微分系数
e( k)ec( k)分偏差偏差变化率
模糊整定PID参数目参数着eec变化行调整应首先建立间关系 根实际验参数eec调整满足调整原
(1) e较时加快系统响应速度防止开始时e瞬间变会引起微分溢出应取较较时积分作太强会系统超调加积分作加限制通常取较值
(2)e中等时减系统超调量保证定响应速度 应适减时取值适中
(3) e较时减稳态误差应取避免输出响应设定值附振荡时考虑系统抗干扰性值选择根|ec|值较时取较值通常中等
规模糊控制规表分表626364
表62 △Kp模糊控制规表
△Kp
ec
NB
NM
NS
ZO
PS
PM
PB
e
NB
PB
PB
PM
PM
PS
ZO
ZO
NM
PB
PB
PM
PS
PS
ZO
NS
NS
PM
PM
PM
PS
ZO
NS
NS
ZO
PM
PM
PS
ZO
NS
NM
NM
PS
PS
PS
ZO
NS
NS
NM
NM
PM
PS
ZO
NS
NM
NM
NM
NB
PB
ZO
ZO
NM
NM
NM
NB
NB
表63 △Ki模糊控制规表
△Ki
ec
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
e
NB
NB
NB
NM
NM
NS
ZO
ZO
NM
NB
NB
NM
NS
NS
ZO
ZO
NS
NB
NM
NS
NS
ZO
PS
PS
ZO
NM
NM
NS
ZO
PS
PM
PM
PS
NM
NS
ZO
PS
PS
PM
PB
PM
ZO
ZO
PS
PS
PM
PB
PB
PB
ZO
ZO
PS
PM
PM
PB
PB
表64 △Kd模糊控制规表
△Kd
ec
NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
e
NB
PS
NS
NB
NB
NB
NM
PS
NM
PS
NS
NB
NM
NM
NS
ZE
MS
ZE
NS
NM
NM
NS
NS
ZE
ZO
ZE
NS
NS
NS
NS
NS
ZE
PS
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
PM
PB
PS
PS
PS
PS
PS
PB
PB
PB
PM
PM
PM
PS
PS
PB
633模糊集合合成运算
输入量模糊化知道输入满足相应模糊推理规程度定模糊规条件部分单输入时采模糊合成运算模糊合成运算输入数值表示该条件输入规综合满意度应输出函数中[2]
MATLAB工具箱置两种and操作方法min（法）prod（积法）样or操作方法两种max(法)probor(概率法)概率法（称作代数法）计算公式：
（63）
634输出合成模糊处理
模糊推理系统里决策生成取决模糊规通模糊推理出模糊输出量必须通某种方式组合起出结果MATLAB提供常合成方法3种：max（值）probor(概率法)sum（求法）
种模糊推理系统中积推理机推理机特点直观计算简便文采积推理机 三隶属度函数参数然利中均解模糊法三参数清晰值PID 控制器参数调节根式进行：
（64）
（65）
（66）
中：分微分系数初始值MATLAB
糊逻辑工具箱解模糊化函数defuzz
第7章 MATLAB系统仿真
71传统PID控制双闭环直流调速系统仿真
711系统模型搭建
章第节中通工程设计方法建立双闭环直流调速系统基模型确立控制器基结构参数基理模型Simulink环境建立双闭环系统系统模型见附录1示
仿真参数选择ode23开始时间start time设置0停止时间stop time 设置10
完成建模参数设置开始仿真运行电机转速输出曲线图71示
图71 电机转速输出曲线
712仿真结果分析
图61输出波形结：
升时间：（输出量零开始第次升时间）
超调量：
调节时间：（误差范围）
稳态时静差
72模糊PID控制双闭环直流调速系统仿真
721模糊推理系统建立
基功模糊推理系统编辑器提供GUI（图形界面）模糊系统高层属性编辑修改功包括输入输出语言变量数模糊化方法等基模糊编辑器中通菜单选择激活图形界面编辑器Ruleedit(模糊规编辑器)Mfedit(隶属度函数编辑器)等MATLAB命令窗口执行Fuzzy命令激活基模糊推理系统编辑器图形界面图72示
图72 基模糊推理系统编辑器图形界面
通界面Edit菜单添加输入（Add input）输出（Add out put）者删语言变量（Remove variable）
时界面View菜单执行功：
（1）Edit FIS Properties修改模糊推理系统特性
（2）Edit membership functions开隶属度函数编辑器
（3）Edit Rules开模糊规编辑器
（4）View Rules开模糊规浏览器
（5）View Surface开模糊系统输入输出特性浏览器
722添加输入输出编辑隶属度函数
章中模糊PID控制双闭环调速系统进行设计两输入三输出系统首先应该执行模糊推理系统编辑器图形界面Edit菜单添加输入（Add input）输出（Add out put）变量数
添加完输入输出变量进行隶属度函数编辑（执行View菜单Edit membership functions）图73示隶属度函数编辑器界面
图73 隶属度函数编辑器界面
根第五章确定输入输出函数模型表61（输入隶属函数高斯型(gaussmf)输出隶属函数三角型(trimf)进行隶属度函数编辑
723模糊规编辑
MATLAB命令窗口输入ruleedit命令模糊推理系统编辑器中选择编辑模糊规菜单均激活模糊规编辑器图74示模糊规编辑器中提供添加修改删模糊规图形界面
图74 规编辑器界面
根表626364模糊规表采：
If(e is NB)and(de is NB)Then(kp is PB)and(ki is NB)and(kd is PS)专家验法结构模糊规进行编辑7*749条模糊规
724模糊规查
MATLAB命令窗口输入ruleview命令激活模糊规浏览器模糊浏览器中图形形式描述模糊推理系统推理程图75示窗口部输入值调整窗口该窗口改变输入相应参数观察模糊逻辑推理系统输出情况
图75模糊规观察界面
725模糊推理输入输出界面
MATLAB命令窗口输入surfview命令者编辑器窗口选择相应菜单开模糊推理输入输出曲面视图窗口该窗口图形方式显示模糊推理系统输入输出特性曲面图767778分kpkikd输出曲面特性
图76 kp输出曲面特性
图77 ki输出曲面特性
图78 输出曲面特性
模糊参数编辑应该选择：Save to Workspace as…保存工作空间存入磁盘Simulink环境搭建仿真模型选择模块参数模糊逻辑控制器参数导入进行仿真
726模糊PID仿真模型搭建
MATLAB图形界面工具设计模糊控制器FC程：
（1）确定隶属度函数
（2）确定模糊控制器规
（3）编制文件生成FIS文件
MATLABsimulink环境中搭建二级系统仿真模型见附录2示中模糊控制子系统结构图79示
图79 模糊PID控制子系统结构图
中模糊化子
解模糊子
Kp0ki0kd0分例系数积分系数微分系数初始值仿真结果图710示
图710 模糊PID双闭环直流调速系统仿真图
727仿真结果分析
图710输出波形结：
升时间：（输出量零开始第次升时间）
超调量：
调节时间：（误差范围）
稳态时静差
73结
通述两种控制系统仿真结果分析出结：模糊PID控制双闭环直流调速系统满意控制效果具超调量稳态静差定范围保持系统快速响应优良特性
第8章 总 结
文设计转速电流双闭环调速系统够PID控制器控制电机起动调速需电力拖动动控制原理电力电子技术动控制原理等课程容求够熟练运MATLAB功强专业软件课题完成进步强化专业知识提高设计力学会MATLAB功强软件
针工程通常采直流调速系统文详细分析双闭环直流调速系统PID控制基模糊算法PID控制分系统电流环转速环动态性稳态扰性进行仿真仿真结果表明传统双闭环调速系统超调静差系统整体响应速度较慢采PID模糊控制器进行仿真时快响应速度系统存定超调量见种系统存身优势缺陷
文仅控制器进行仿真研究未真正进行实际操作应实际控制现场需做许深入细致工作
致 谢
文XXXX老师精心指导完成文成稿凝聚着导师关怀心血文研究撰写期间郭老师予精心指导帮助郭老师予关怀帮助表示深深感谢时感谢电气教研室位老师年方面予热心帮助关怀感谢教授课程老师感谢学文撰写程中予帮助陪伴度段愉快学时光
参考文献
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附录1 双闭环直流调速系统仿真模型
附录2 基模糊PID算法双闭环直流调速系统仿真模型
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XX学院毕业设计（文）
基模糊PID算法双闭环直流调速系统仿真研究
学 生：
学 号：
专 业：电气工程动化
班 级：
指导教师：
XX学院动化电子信息学院
摘
直流双闭环调速系统具调速范围广精度高动态性易控制等优点电气传动系统中广泛应文前研究基础结合前直流双闭环调速系统特点PID模糊控制理设计模糊 PID 双控制器改进方案保留常规 PID 控制器稳态时静差处理力具备模糊控制系统动态非线性变化处理力利 MATLAB 软件闭环控制系统稳定性进行仿真实现闭环控制系统稳定运行仿真结果表明模糊控制方法转速调节器参数较传统工程整定方法参数相优点：控制性响应快渡程时间短基超调
关键词：PID控制模糊算法双闭环直流调速Simulink仿真
ABSTRACT
Double closed loop DC speed regulation system has the advantages of wide speed range high precision good dynamic performance and easy to control so it has been widely used in electric drive system On the basis of previous research combined with the characteristics of PID current and DC double closed loop speed regulation system of fuzzy PID controller design of fuzzy control theory The improved scheme not only retains the conventional PID controller processing capability of the steady state error of fuzzy control and has the ability to deal with the nonlinear system dynamics change And the stability of the closedloop control system is simulated with MATLAB software realize the stable operation of the closedloop control system The simulation results shows that compared with the traditional engineering parameter tuning method is obtained by using fuzzy control method of speed regulator parameters of good control performance fast response short transition time little overshoot
Key words PID control Fuzzy algorithm Double closed loop DC speed control system Simulink simulation
目 录
摘 I
ABSTRACT II
第1章 前 言 1
11直流调速系统简介发展 1
12模糊控制发展状况 1
13仿真技术介绍 2
第2章 直流调速系统 4
21直流电机调速简介 4
22调速系统稳态性指标 5
23调速系统动态性指标 6
第3章 双闭环直流调速系统设计 10
31转速电流反馈控制双闭环调速系统组成静态特性 10
32转速电流反馈控制直流调速系统数学模型程动态分析 14
第4章 模糊控制简介 17
41模糊控制特点 17
42模糊控制理基础 17
43模糊控制器分类般结构 18
第5章 转速电流反馈控制调速系统调速器工程设计 21
51直流电动机数学模型 21
52电流调节器设计 23
53转速调节器设计 25
第6章 控制方案介绍 27
61设计课题 27
62传统PID控制器设计 29
63模糊PID控制器设计 30
第7章 MATLAB系统仿真 36
71传统PID控制双闭环直流调速系统仿真 36
72模糊PID控制双闭环直流调速系统仿真 37
73结 44
第8章 总 结 45
致 谢 46
参考文献 47
附录1 双闭环直流调速系统仿真模型 48
附录2 基模糊PID算法双闭环直流调速系统仿真模型 49
第1章 前 言
11直流调速系统简介发展
直流调速指动改变直流电动机转速满足机械基工作求机械特性通改变电动机参数外加电压等方法改变电动机机械特性工作特性交点电动机稳定运转速度发生变化
直流电动机具调速性起动转矩易范围滑调速等优点调速控制系统历工业控制中占极重位着电力技术发展特功率电力电子器件问世直流电动机拖动逐步交流电动机拖动取代趋势特高精度位置伺服控制系统调速性求高求转矩场直流电动机然广泛采直流调速控制系统中典型种调速系统速度电流双闭调速系统[3] [7]
直流调速系统般发展趋势：
(1)高频化：功率驱动装置中低频半控器件（晶闸）中功率范围会高频全控器件（功率晶体）代提高系统性改善电网功率数
(2)交流化：着交流调速系统成逐步降低仅现直流调速系统交流调速取代量原恒速运行交流传动系统改交流调速系统原直流调速达高转速功率领域采交流调速系统
(3)网络化：规模机协工作高度动系统中需计算机网络支持传动设备控制器作节点连接现场总线工业控制网中实现集中分散生产程进行实时监控时助数字网络技术智控制模糊控制神网络控制藕控制等深入运控制系统方面种观测器辩识技术应控制系统中改善控制系统性
12模糊控制发展状况
种传统控制方法均建立控象精确数学模型着系统复杂程度提高难建立系统精确数学模型满足实时控制求期探索出种简便灵活描述手段处理方法进行种种尝试结果发现复杂控制系统操作员着丰富实践验满意控制效果模糊控制基理念模拟思维方法然语言植入计算机核计算机具活性智模糊逻辑控制计算机具活性智种新颖智控制方法般应诸测量数确切处理数量致法判断兼容性复杂变控象等场合传统控制器赖系统行参数控制器设计方法模糊控制器设计赖操作者验传统控制器中参数控制输出调整根组微分方程描述程模型状态分析综合进行模糊控制器参数控制输出调整程函数逻辑模型产生规进行改善模糊控制性效方法优化模糊控制规通常模糊控制规通操作验转化模糊语言形式获取带相观性扎德1965年发表首篇关模糊集理文模糊理模糊控制开始艰难历程模糊集合理法广学者认尤权威学者认时提出反模糊集理两理：认模糊隶属度函数确定具观臆断性验技巧色彩没严格系统方法[2] [10]二认模糊逻辑实际改头换面概率理存众权威士反模糊理发源美国发展相缓慢欧洲模糊理研究着重模糊控制Mamdani教授1974年首先模糊理蒸汽机锅炉控制开创模糊控制先河模糊控制理应研究70年代欧洲取成功推动模糊控制理研究时模糊控制理断认识重视80年代期模糊控制理进入发展期包括美国世界国模糊控制理模糊控制产品断发展断更新十年模糊控制发展相迅速
13仿真技术介绍
现代电力拖动控制技术已电控设备简单应已成电工动控制计算机应电力电子学数字仿真CAD等门学科互相交叉新兴学科八十年代中期国际已公认运动控制系统单纯数字仿真已法进行运动控制系统设计研究必须应包括分析较动寻优检验等计算机进行整设计程MATLAB含极丰富专控制工程系统分析函数提供方便图形功已成国际控制界应广语言工具MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink中系统进行建模变非常简单仿真程交互意改变仿真参数立修改仿真结果[8]
课题MATLAB传统PID形式基模糊PID算法直流调速系统进行仿真出相应结进步解系统动态性稳态性
第2章 直流调速系统
21直流电机调速简介
直流电动良启动制动性种直流电转换机械装置优点调速范围广静差率相较稳定性时具良动态性适宜较宽范围滑调速许高性拖动技术领域调速系统中广泛应面简单介绍直流电机调速方法
直流电动机转速参数间稳态关系表示：
（21）
式(21)中： n—转速（rmin）
U—电枢电压（V）
I—电枢电流（A）
R—电枢回路总电阻
Ke—电机结构决定电动势常数
—励磁磁通（Wb）
式21出直流电动机三种调节电动机转速方法分：
(1)调节电枢端电压U改变电枢电压实现转速改变属恒转矩调速特点动态响应快机械特性硬度变适范围极滑调速系统
(2)减弱励磁磁通磁通量减参数保持变时着减转速n断增属恒功率调速特点动态响应慢然实现极调速调速范围较
(3)改变电枢回路电阻R电动机电枢串电阻进行调速机械特性保持变实现级调速种调速方法特性调速滑性差机械特性软效率偏低
22调速系统稳态性指标
般工程实践中台需控制转速设备生产工艺调速性定求实际工程调速系统转速控制求致分三种分：
(1)调速—定调速范围（高转速低转速间）分档（级）者滑（极）实现转速调节
(2)稳速—种外界干扰转速较波动恒定精度需转速稳定滑运行
(3)加减速—频繁启动制动设备求加减速程快提高生产效率
221稳态调速性指标
进行定量分析定义两稳态调速性指标分：调速范围静差率
（1）调速范围：
生产机械求电动机提供高转速低转速称调速范围字母D表示：
（22）
式22中—分指电动机额定负载时高转速低转速
（2）静差率：
系统某转速运行时负载理想空载增加额定值应转速降落理想空载转速称静差率S：
（23）
显然静差率衡量调速系统负载变化转速稳定度参数机械特性硬度关特性越硬静差率s越转速稳定度越高样硬度机械特性理想空载转速越低静差率越转速相稳定度越差见调速范围静差率两项指标相互独立调速程中额定转速相转速越低静差率越果低速时静差率满足设计求高速时静差率更满足调速系统静差率指标应该低转速时达数值准[7]
222调速范围静差率额定转速降间关系
般电动机额定转速作高转速额定负载转速降落该系统静差率应该系统低速时静差率标准
（24）
固低转速：
（25）
调速范围：
式25带入式：
（26）
式见系统调速范围静差率额定转速降间应该满足关系调速系统值定果静差率求越严求s值越时系统够允许调速范围越说系统调速范围指低速时满足需静差率转速调范围
23调速系统动态性指标
调速系统动态指标指定信号扰动信号作系统动态程品质系统定信号响应力称性指标种干扰信号抵制力称抗扰动性指标
231系统性指标
定信号者参考输入信号R(t)作系统输出量C(t)输出情况系统性指标表述常阶跃响应性指标超调量（℅）调节时间震荡次数N3指标衡量图21示
图21 阶跃响应动态曲线
（1）超调量（℅）
阶跃响应程中超输出量然继续增加达峰值时达值然回落超稳态值百分数称超调量
（27）
超调量反应系统相稳定性超调量越系统相稳定性越
（2）升时间
图21绘出阶跃响应程程中输出量零起第次升历时间称升时间表示动态响应快速性
（3）调节时间
调节时间称渡时间指输出响应曲线稳态值差达允许范围（般取稳态值±2±5）需时间超出范围调节时间反应系统快速性包含着稳定性
（4）震荡次数N
震荡次数指调整时间调量稳态值摆动次数正次数反映系统稳定性般调速系统允许2～3次系统允许出现震荡
232系统抗扰性指标
抗扰量作时动态响应性称作抗扰性般动态速降恢复时间震荡次数N三指标衡量系统难避免扰动量影响调速系统突加扰动动态程抗扰性指标曲线图22示应抗扰性指标定义：
图22突加扰动动态程抗扰性指标
（1）动态降落
系统稳定运行时突加定数值扰动（额定负载扰动）引起转速降落值做动态降落输出量原稳态值百分数表示输出量动态降落逐渐恢复达新稳态值系统该扰动作稳态降落动态降落般稳态降落（静差）调速系统突加额定负载扰动时动态降落称作动态降落﹪
（2）恢复时间
阶跃扰动作开始输出量基恢复稳态距新稳态值差进入某基准量 ﹪(﹪)范围需时间定义恢复时间中称抗扰指标中输出量基准值
实际系统中种动态指标求根生产机械具体求定般说调速系统动态指标抗扰性
（3）震荡次数N
震荡次数N恢复时间调量稳态值摆动次数代表系统稳定性抗扰力强弱
第3章 双闭环直流调速系统设计
31转速电流反馈控制双闭环调速系统组成静态特性
直流单闭环调速系统采PI调节器实现转速稳态静差消负载转矩扰动稳态转速影响电流截止负反馈限制电枢电流击避免出现电流现象转速单闭环调速系统充分理想求控制电流动态程里便引入转速电流双闭环直流调速系统
311转速电流反馈调速系统组成
实现允许条件快启动关键获段电流保持值恒流程反馈控制规律需稳定什量引入相应量负反馈采电流负反馈似恒流程双闭环直流调速控制系统原理图图31示
图31双闭环直流调速控制系统原理图
ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机
TA电流互感器 UPE电力电子变换装置 转速定电压
转速反馈电压 电流定电压 电流反馈电压
转速环电流环两种负反馈起作系统中设置两调节器图31分引入转速负反馈电流负反馈两调节器进行嵌套电流环作环转速换作外环电流调节器输出控制电力电子装置样形成转速电流双闭环调速系统
312稳态结构图静特性
转速电流双闭环调速系统两带限幅环节PI调节器构成图32示
图32 双闭环直流调速系统稳态结构图
α转速反馈系数 β电流反馈系数
图32示转速调节器输出限幅电压决定电流调节器输入值电流调节器输出限幅电压作电力电子变换装置输入值调节器饱时输出达限幅值输入量变换影响调节器输出值调节器饱时PI调节器工作线性状态输入偏差电压稳态时置零般状态调节器工作状态两种：饱（输出限幅值）饱（线性状态工作）调速系统中达实时控制快速目般电流调节器进入饱状态调节器静特性包括转速调节器饱状态非饱状态
（1）转速调节饱状态
转速电流调节器均饱时稳态时输入偏差电压零：
： （31）
图33示静特性CA段时ASR饱 ﹤述关系知：说CA段静特性理想空载状态0开始直延续般额定电流静特性运行段水特性
图33 双闭环直流调速系统静特性
（2）转速调节器饱状态
ASR输出达限幅值时转速外环呈开环状态转速变化转速环产生影响时双闭环系统电流静差单闭环电流调节器稳态时：
（32）
式33中电流设计者选定图AB段示描绘垂直特性样垂特性适情况否转速调节器退出饱状态
双闭环调速系统静特性负载电流时表现转速静差时转速负反馈起作负载电流达值ASR退出饱电流调节器起作系统表现电流静差然实际运算放器开环放倍数穷特避免零漂采准PI调节器时静特性线段微偏差图33虚线示
313变量参数计算
双闭环调速系统稳态结构图出工作稳定状态两调节器饱时变量关系示：
（33）
（34）
（35）
式关系：
（1）转速n定电压决定
（2）ASR输出量负载电流决定转速n决定控制电压
出双闭环调速系统转速反馈系数电流反馈系数间关系：
转速反馈系数： （36）
电流反馈系数： （37）
32转速电流反馈控制直流调速系统数学模型程动态分析
图34 双闭环直流调速系统动态结构图
双闭环直流调速系统动态结构图图34示
中转速调节器传递函数电流调节器传递函数电力电子变换器传递函数
311双闭环调速系统动态程分析
双闭环直流调速系统突加定电压静止状态起动时转速调节器输出电压电流调节器输出电压控整流器输出电压电动机电枢电流 转速n动态响应波形程图35示起动程中转速调节器ASR历饱饱退饱三种情况整动态程分成图中标明ⅠⅡⅢ三阶段
（1）第Ⅰ阶段电流升阶段（0）：突加定电压电动机机电惯性较电动机转动（n0）转速负反馈电压时ASR输出突增 ACR输出控整流器输出电枢电流迅速增加增加>(负载电流）时电动机开始转动转速调节器ASR输出快达限幅值电枢电流达应值 时电流负反馈电压ACR定电压基相等：
（28）
电流反馈系数
（2）第Ⅱ阶段恒流升速阶段（）：电流升值开始转速升定值止启动程阶段阶段中ASR直饱转速负反馈起调节作转速环相开环状态系统表现恒流调节电流 保持恒定值系统加速度 恒值转速n线性规律升 知线性增加启动程中电流调节器应该饱晶闸控整流环节应该饱
图35 双闭环直流调速系统启动程转速电流波形
（3）第Ⅲ阶段转速调节阶段()转速调节器阶段中起作开始时转速已升定值ASR定电压转速负反馈电压相衡输入偏差等零输出积分作维持限幅值电动机电流加速转速超调超调〉0 〈0ASR退出饱输出电压（ACR定电压）限幅值降负载电流 开始段时间转速继续升时电动机开始负载阻力减速直稳定（果系统动态品质够振荡次稳定）阶段中ASRACR时发挥作转速调节器外环ASR处导位ACR作力图快ASR输出变化说直流调速系统动系统
述知双闭环调速系统启动程部分时间ASR处饱限幅状态转速环相开路系统表现恒电流调节基实现理想程双闭环调速系统转速响应定超调超调转速调节器退出饱稳定运行时ASR发挥调节作稳态接稳态运行中表现静差调速双闭环调速系统具良静态动态品质[13] [14]
知转速调节器作：
（1）转速调节器调速系统导调节器转速n快定电压变化稳态时减转速误差果采PI调节器实现静差
（2）负载变化起抗扰作
（3）输出限幅值决定电动机允许电流
电流调节器作：
（1）作环调节器转速外环调节程中作电流紧紧定电压变化
（2）电网电压波动起时抗扰作
（3）转速动态程中保证获电动机允许电流加快动态程电动机载甚堵转时限制电枢电流值起快速动保护作旦障消失系统立动恢复
第4章 模糊控制简介
41模糊控制特点
模糊控制模糊集合作数学基础工验实际生产中验加总结描述模糊控制语言表达出控制理1965年LAZadeh提出模糊理开始模糊控制历49年研究发展已逐步走成熟[10]
模糊控制系统应诸测量数准确处理数量难判断兼容性等变控象传统控制器相模糊控制器设计赖操作者验迅速发展结模糊控制器特点：
（1）需知道控象数学模型
模糊控制控象控制验设计控制器
（2）种反应类智慧思维智控制
模糊控制采类思维中模糊高中低控制量模糊推理导出
（3）更容易接受
（4）构造容易
常见器件构造控制系统结构般数字控制系统异模糊控制算法软件实现
（5）鲁棒性
模糊控制系统伦控象线性非线性执行效控制具良鲁棒性适应性
42模糊控制理基础
逻辑控制计算机具活性智种新颖智控制方法传统控制理相模糊控制二优点
第：模糊控制许应中效便捷实现控制策验收
第二：模糊控制需控象数学模型实现较控制控制象动态特性已隐含模糊控制器输入输出模糊集模糊规中
模糊控制模糊集合模糊语言变量模糊逻辑推理基础计算机智控制十年发展模糊控制理应研究取较进步基原理框图图41示
执行机构
控象
AD
传感器
控参数
模糊控制器
定值
+
计算机控制变量
模糊量化处理
模糊控制规
模糊化处理
DA
图41 模糊控制基原理框图
机程序实现般程：首先现场采集精确控制量作负反馈定量做较误差信号eAD转换变换数字信号误差e数字信号作模糊控制器输入信号进入模糊控制输入偏差信号模糊化模糊量模糊量般相应模糊语言表述误差e模糊语言集合模糊语言集合中子集控制规根推理合成规进行模糊决策模糊控制量u模糊处理DA转换现场控制信号控制现场机械运行
43模糊控制器分类般结构
431模糊控制器分类
模糊PID控制器般情况分：增益调整型模糊PID控制器直接控制量型模糊PID控制器混合型模糊PID控制器三种
（1）增益调整型模糊PID控制器
该类控制器中输出物理量直接应增益参数通应模糊规线3增益参数进行调节种基性监督增益调整型模糊PID控制器
般结构表示：
If(〝Perform Index is…) then(is…) and(is…) and(is…)
中（Perform Index）指超调量稳态误差者动态性性指标需完整控制程该控制器整定者适应方式增益进行动态调整
If(〝e is…) and( is…)then(is…) and(is…) and(is…)
增益调整外种形式：基误差驱动模糊PID控制器该控制器PID增益参数误差e误差变化非线性函数例增益记：
（2）直接控制量型模糊PID控制器
直接控制量型模糊PID控制器指模糊推理机输出PID原理范围作量Mann等纳该控制器12中独立结构单元图42出单元结构单元组成种形式模糊PIPDPID控制器
图42 模糊控制器结构单元图
（3）混合型模糊PID控制器
混合型模糊PID控制器样形式出现增益型直接控制性相结合控制器增益型传统线性PID控制器等结合
432 模糊PID控制器般结构
混合型PID控制器出现学者提出应磨合控制进行初始快速响应调整采传统线性PID控制器进行细节调整种FuzzyPID控制PID控制具更快动态响应更超调量时稳态精度更高
般情况维模糊控制器应般控象应种控制器输入量选择误差量动态性佳目前广泛应二维模糊控制器误差误差变化率作模糊控制器输入变量控制输出变量图43示
模糊控制器
ddt
E
E
EC
U
图43 二维模糊控制器简图第5章 转速电流反馈控制调速系统调速器工程设计
文第三章转速电流反馈直流双闭环调速系统结构参数计算做简单介绍图34稳态结构图解致结构框架章进行具体设计
般工程设计方法设计转速电流反馈控制直流调速系统原：先环外环先电流环开始进行必变换似处理然根电流环控制求确定校正成具体典型系统动态性嫩指标求确定ACR参数环等效外环中环节进行转速环设计[7] [11]
双闭环调速系统实际动态结构框图题51示图34增加滤波环节包括电流滤波转速滤波两定信号滤波环节中电流反馈滤波时间常数转速反馈滤波时间常数
图51 双闭环调速系统动态结构图
51直流电动机数学模型
直流调速系统中通常励直流电动机作控制象等效控制电路图52示系统输入量电机电枢电压控制系统输出量电机转速n根电压定律电枢回路微分方程式：
（51）
电动机电枢反电动势（V）
电动机电枢回路总电感（H）
电动机电枢回路总电流（A） 图52直流电机等效控制电路
电动机电枢回路电阻（）
电机产生反电动势：
（52）
式中：—电动机电势常数单位
式(51)(52)电机动方程式：
（53）
电动机第二方程机械运动方程负载理想机械运动方程微分型式：
（54）
式中：M电动机转矩（）
电动机飞轮惯量（）
t时间（s）
电磁转矩：
消中间变量M整理励式直流电动机微分方程形式数学模型：
（55）
进步：
（56）
式中：电动机电磁时间常数（s）
电动机机电时间常数(s)
式(46)零初始条件进行拉斯变换励式直流电动机传递函数型式数学模型
(57)
52电流调节器设计
图51点画线框示双闭环调速系统电流环动态结构图
521电流环等效
系统电磁时间常数般远远机电时间常数电流环说电流变化瞬间认反电动势图53(a)等效动态结构图
ACR
+
—
(a)
ACR
+
_
（b）
图53 电流环动态结构图化简
果定滤波反馈滤波时移环进行等效处理定信号改电流环等效单位负反馈般电磁时间常数似成惯性环节处理中电流环结构简图图53（b）示时果采PI调节器传递函数表示：
（58）
522电流调节器确定
稳态求理想堵转特性期电流静差动态求保证电流动态程中超允许值般允许电枢电流突加控制环节时超调综合求选择典型Ⅰ型系统图44示时：
（59）
中：
+
_
图54 校正典型Ⅰ型系统电流环
53转速调节器设计
转速环设计中首先电流环等效环节代电流环转速电流双闭环调速系统等效图55结构
ASR
+
_
_
+
图55 转速环动态结构图
531转速调节器等效
电流环等效类似转速定滤波反馈滤波时等效移前通道时定信号变时间常数合起似等效惯性环节中转速环等效图56结构
ASR
+
_
+
_
图56 转速环简化结构
532转速调节器确定
实现转速静差系统动态性求负载扰动作点前应该加积分环节扰动点面已积分环节转速环开环传递函数两积分环节转速换应该典型Ⅱ型系统图57示实际设计中般转速调节器饱非线性性质会超调量降低ASR应该PI调节器结构传递函数：
（510）
中 ——转速调节器例系数——转速调节器超前时间常数
+
_
图57 校正成典型Ⅱ型系统第6章 控制方案介绍
61设计课题
已知某电动机调速系统控制系统回路直流电动机参数：
电动机：
回路：全控桥整流：
负载电动机转动惯量：转速输出限幅值：
转速调节器输出限幅值：电流反馈滤波时间常数：
转速定值：
转速反馈滤波时间常数：
生产工艺求：
①系统静差
②电流超调量
③额定负载启动电流额定转速超调量
首先根工艺求先设计环电流环确定电流调节器类型参数确定电流调节器组成电路电路元件然电流环等效惯性环节作转速换部分根工艺转速换求采样方法设计转速换转速调节器
611相关参数计算
电势常数：
转矩常数：
电磁时间常数：
机电时间常数：
晶闸整流装置滞时间常数：
晶闸装置放系数：
启动电流：
电流反馈系数：
转速反馈系数：
根双闭环直流调速控制系统动态结构图动态结构
612系统设计
⑴电流调节器设计
第四章第二节知电流环作限制电流般电流环校正典型Ⅰ型系统电流调节器PI调节器传递函数式（58）
根典型Ⅰ型系统设计结果：
⑵转速调节器设计
转速调节器设计第四章第三节作详细介绍知转速超调动态速降均抗扰指标衡量抗扰指标典型Ⅱ型系统佳转速调节器采PI调节器典型Ⅱ型系统设计取
：
根典型Ⅱ型系统设计结果：
62传统PID控制器设计
621 PID控制器结构
传统PID（例积分微分）控制器指偏差例(P)积分(I)微分(D)通线性组合构成控制量控象进行控制控制时需控制三参数（）系统需特性PID控制系统原理框图图61示系统PID控制器控象构成
+
+
P
I
D
控象(j五号
+
—
+
图61 PID控制系统原理框图
PID控制算法中存例积分微分3种控制作例作系统误差时响应PID控制象误差减方变化缺点具动衡力（系统阶跃响应终值限值）控象存定静差加例环节减静差时系统超调量会增破换系统动态性积分控制误差进行记忆取积分作利消系统静差积分作具滞特性果积分作太强话会控象动态品质变坏导致系统稳定微分作感知误差变化趋势增微分作加快系统响应减超调量缺点干扰作敏感会导致系统抗干扰力降
图61知PID控制器种线性控制器根定值实际输出值构成控制偏差：
（61）
PID控制规律：
（62）
中：例系数积分时间常数微分时间常数
622 PID控制器作特点
（1）PID控制器校正环节作：
①例环节：成例反映控制系统偏差信号偏差旦产生控制器立产生控制作减偏差
②积分环节：消静差提高系统差度积分作强弱取决积分时间常数 越积分作越弱反越强
③微分环节：反映偏差信号变化趋势(变化速率)偏差信号变太前系统中引入效早期修正信号加快系统动作速度减少调节时间
（2）PID控制器特点：
①原理简单实现方便种够满足数实际需基控制器
②适种截然象算法结构具较强鲁棒性情况控制品质控象结构参数波动敏感
63模糊PID控制器设计
模糊PID
控制器
ACR
β
α
+
_
_
_
n
基第四章模糊控制基知识双闭环直流调速系统中确定采二维模糊控制器结合传统直流双闭环调速系统结构考虑转速环（外环）决定控制系统根素电流环（环）起改变电机运行特性作转速环采简单二维模糊PID控制器环然采传统PI控制基原理框图图63示
图63 双闭环调速系统模糊PID控制原理图
模糊控制器设计般步骤三步：
第步：模糊化模糊化通传感器受控象相关物理量转换成电量传感器输出量连续模拟量通A／D转换成数字量作计算机输入测量值接着输入测量值作标准化处理变化范围映射相应域中域中该输入数转换成相应语言变量术语构成模糊集合样输入精确量转换隶属度函数表示某模糊变量值检测输入量作模糊控制规中条件运模糊规进行推理
第二步：模糊逻辑推理根事先已制定组模糊条件语句构成模糊控制规运模糊数字理模糊控制规进行推理根模糊规输入系列条件进行综合评价定性语言表示量模糊输出量
第三步：模糊运算模糊量模糊子输出精确值控制续系统常模糊方法面积中心法（重心法）
631模糊化处理
模糊化处理时首先应该确定输入输出变量模糊子集隶属度
（1）输入输出变量确定
图64示模糊PID适应控制器结构图图知系统双输入三输出结构输入变量分定信号反馈信号偏差e偏差e变化量ec隶属函数高斯型(gaussmf)输出变量分例子积分子微分子隶属函数三角型(trimf)三输出变量常规PID控制器输出控制量U控制控象
图64 模糊PID适应控制器结构图
（2）输入输出变量模糊子集域隶属度
输入输出变量均采负（NB）负中（NM）负（NS）零（ZO）正（PS）正中（PM）正（PB）7模糊控制状态描述偏差e离散应域：理采相方法描述转速偏差变化量de控制量U隶属函数表表61示
表61 转速偏差e隶属度函数表
隶属度
E域
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
模糊集合
NB
1
07
03
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
NM
03
07
1
07
03
0
0
0
0
0
0
0
0
NS
0
0
03
07
1
07
03
0
0
0
0
0
0
ZO
0
0
0
0
03
07
1
07
03
0
0
0
0
PS
0
0
0
0
0
0
03
07
1
07
03
0
0
PM
0
0
0
0
0
0
0
0
03
07
1
07
03
PB
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
03
07
1
632 确定模糊规进行模糊推理
PID 调节器控制规律
中 例系数
积分系数
微分系数
e( k)ec( k)分偏差偏差变化率
模糊整定PID参数目参数着eec变化行调整应首先建立间关系 根实际验参数eec调整满足调整原
(1) e较时加快系统响应速度防止开始时e瞬间变会引起微分溢出应取较较时积分作太强会系统超调加积分作加限制通常取较值
(2)e中等时减系统超调量保证定响应速度 应适减时取值适中
(3) e较时减稳态误差应取避免输出响应设定值附振荡时考虑系统抗干扰性值选择根|ec|值较时取较值通常中等
规模糊控制规表分表626364
表62 △Kp模糊控制规表
△Kp
ec
NB
NM
NS
ZO
PS
PM
PB
e
NB
PB
PB
PM
PM
PS
ZO
ZO
NM
PB
PB
PM
PS
PS
ZO
NS
NS
PM
PM
PM
PS
ZO
NS
NS
ZO
PM
PM
PS
ZO
NS
NM
NM
PS
PS
PS
ZO
NS
NS
NM
NM
PM
PS
ZO
NS
NM
NM
NM
NB
PB
ZO
ZO
NM
NM
NM
NB
NB
表63 △Ki模糊控制规表
△Ki
ec
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
e
NB
NB
NB
NM
NM
NS
ZO
ZO
NM
NB
NB
NM
NS
NS
ZO
ZO
NS
NB
NM
NS
NS
ZO
PS
PS
ZO
NM
NM
NS
ZO
PS
PM
PM
PS
NM
NS
ZO
PS
PS
PM
PB
PM
ZO
ZO
PS
PS
PM
PB
PB
PB
ZO
ZO
PS
PM
PM
PB
PB
表64 △Kd模糊控制规表
△Kd
ec
NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB
e
NB
PS
NS
NB
NB
NB
NM
PS
NM
PS
NS
NB
NM
NM
NS
ZE
MS
ZE
NS
NM
NM
NS
NS
ZE
ZO
ZE
NS
NS
NS
NS
NS
ZE
PS
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
ZE
PM
PB
PS
PS
PS
PS
PS
PB
PB
PB
PM
PM
PM
PS
PS
PB
633模糊集合合成运算
输入量模糊化知道输入满足相应模糊推理规程度定模糊规条件部分单输入时采模糊合成运算模糊合成运算输入数值表示该条件输入规综合满意度应输出函数中[2]
MATLAB工具箱置两种and操作方法min（法）prod（积法）样or操作方法两种max(法)probor(概率法)概率法（称作代数法）计算公式：
（63）
634输出合成模糊处理
模糊推理系统里决策生成取决模糊规通模糊推理出模糊输出量必须通某种方式组合起出结果MATLAB提供常合成方法3种：max（值）probor(概率法)sum（求法）
种模糊推理系统中积推理机推理机特点直观计算简便文采积推理机 三隶属度函数参数然利中均解模糊法三参数清晰值PID 控制器参数调节根式进行：
（64）
（65）
（66）
中：分微分系数初始值MATLAB
糊逻辑工具箱解模糊化函数defuzz
第7章 MATLAB系统仿真
71传统PID控制双闭环直流调速系统仿真
711系统模型搭建
章第节中通工程设计方法建立双闭环直流调速系统基模型确立控制器基结构参数基理模型Simulink环境建立双闭环系统系统模型见附录1示
仿真参数选择ode23开始时间start time设置0停止时间stop time 设置10
完成建模参数设置开始仿真运行电机转速输出曲线图71示
图71 电机转速输出曲线
712仿真结果分析
图61输出波形结：
升时间：（输出量零开始第次升时间）
超调量：
调节时间：（误差范围）
稳态时静差
72模糊PID控制双闭环直流调速系统仿真
721模糊推理系统建立
基功模糊推理系统编辑器提供GUI（图形界面）模糊系统高层属性编辑修改功包括输入输出语言变量数模糊化方法等基模糊编辑器中通菜单选择激活图形界面编辑器Ruleedit(模糊规编辑器)Mfedit(隶属度函数编辑器)等MATLAB命令窗口执行Fuzzy命令激活基模糊推理系统编辑器图形界面图72示
图72 基模糊推理系统编辑器图形界面
通界面Edit菜单添加输入（Add input）输出（Add out put）者删语言变量（Remove variable）
时界面View菜单执行功：
（1）Edit FIS Properties修改模糊推理系统特性
（2）Edit membership functions开隶属度函数编辑器
（3）Edit Rules开模糊规编辑器
（4）View Rules开模糊规浏览器
（5）View Surface开模糊系统输入输出特性浏览器
722添加输入输出编辑隶属度函数
章中模糊PID控制双闭环调速系统进行设计两输入三输出系统首先应该执行模糊推理系统编辑器图形界面Edit菜单添加输入（Add input）输出（Add out put）变量数
添加完输入输出变量进行隶属度函数编辑（执行View菜单Edit membership functions）图73示隶属度函数编辑器界面
图73 隶属度函数编辑器界面
根第五章确定输入输出函数模型表61（输入隶属函数高斯型(gaussmf)输出隶属函数三角型(trimf)进行隶属度函数编辑
723模糊规编辑
MATLAB命令窗口输入ruleedit命令模糊推理系统编辑器中选择编辑模糊规菜单均激活模糊规编辑器图74示模糊规编辑器中提供添加修改删模糊规图形界面
图74 规编辑器界面
根表626364模糊规表采：
If(e is NB)and(de is NB)Then(kp is PB)and(ki is NB)and(kd is PS)专家验法结构模糊规进行编辑7*749条模糊规
724模糊规查
MATLAB命令窗口输入ruleview命令激活模糊规浏览器模糊浏览器中图形形式描述模糊推理系统推理程图75示窗口部输入值调整窗口该窗口改变输入相应参数观察模糊逻辑推理系统输出情况
图75模糊规观察界面
725模糊推理输入输出界面
MATLAB命令窗口输入surfview命令者编辑器窗口选择相应菜单开模糊推理输入输出曲面视图窗口该窗口图形方式显示模糊推理系统输入输出特性曲面图767778分kpkikd输出曲面特性
图76 kp输出曲面特性
图77 ki输出曲面特性
图78 输出曲面特性
模糊参数编辑应该选择：Save to Workspace as…保存工作空间存入磁盘Simulink环境搭建仿真模型选择模块参数模糊逻辑控制器参数导入进行仿真
726模糊PID仿真模型搭建
MATLAB图形界面工具设计模糊控制器FC程：
（1）确定隶属度函数
（2）确定模糊控制器规
（3）编制文件生成FIS文件
MATLABsimulink环境中搭建二级系统仿真模型见附录2示中模糊控制子系统结构图79示
图79 模糊PID控制子系统结构图
中模糊化子
解模糊子
Kp0ki0kd0分例系数积分系数微分系数初始值仿真结果图710示
图710 模糊PID双闭环直流调速系统仿真图
727仿真结果分析
图710输出波形结：
升时间：（输出量零开始第次升时间）
超调量：
调节时间：（误差范围）
稳态时静差
73结
通述两种控制系统仿真结果分析出结：模糊PID控制双闭环直流调速系统满意控制效果具超调量稳态静差定范围保持系统快速响应优良特性
第8章 总 结
文设计转速电流双闭环调速系统够PID控制器控制电机起动调速需电力拖动动控制原理电力电子技术动控制原理等课程容求够熟练运MATLAB功强专业软件课题完成进步强化专业知识提高设计力学会MATLAB功强软件
针工程通常采直流调速系统文详细分析双闭环直流调速系统PID控制基模糊算法PID控制分系统电流环转速环动态性稳态扰性进行仿真仿真结果表明传统双闭环调速系统超调静差系统整体响应速度较慢采PID模糊控制器进行仿真时快响应速度系统存定超调量见种系统存身优势缺陷
文仅控制器进行仿真研究未真正进行实际操作应实际控制现场需做许深入细致工作
致 谢
文XXXX老师精心指导完成文成稿凝聚着导师关怀心血文研究撰写期间郭老师予精心指导帮助郭老师予关怀帮助表示深深感谢时感谢电气教研室位老师年方面予热心帮助关怀感谢教授课程老师感谢学文撰写程中予帮助陪伴度段愉快学时光
参考文献
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[19] 汤兵勇等模糊控制理应技术[M]北京清华学出版社2002
附录1 双闭环直流调速系统仿真模型
附录2 基模糊PID算法双闭环直流调速系统仿真模型
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