《無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)探究》11000字（論文）

第一章緒論1.1無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程一百五十多年以來，電動(dòng)機(jī)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置廣泛分布應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和人們的日常生活中，它主要有三種類型：同步、異步和直流。其中，直流電動(dòng)機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括運(yùn)動(dòng)效率高、調(diào)速性好等，而傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)是用電刷按機(jī)械方法改變方向，其缺點(diǎn)也相當(dāng)突出，致命缺點(diǎn)包括噪聲、火花、無線電干擾等、這些缺點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)直流電機(jī)使用壽命短、生產(chǎn)成本高以及維護(hù)困難。因而這些特點(diǎn)嚴(yán)重制約了直流電機(jī)及其應(yīng)用。1915年，美國(guó)朗繆爾發(fā)明了控制網(wǎng)整流器，生產(chǎn)了直流逆變器，1955年哈里森等人申請(qǐng)專利，首次用晶體管逆變器代替機(jī)械刷，但由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足，發(fā)動(dòng)機(jī)無法批量生產(chǎn)，經(jīng)過多年的努力，到了1962年推出了攜帶有霍爾元件的無刷直流電動(dòng)機(jī)，開啟了直流電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的新紀(jì)元。IGBT等高性能半導(dǎo)體元件的發(fā)展，為無刷直流電機(jī)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，1978年，聯(lián)邦德國(guó)公司在漢諾威世博會(huì)上展示了公司研制的無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)，從此標(biāo)志著無刷直流發(fā)動(dòng)機(jī)由此走向市場(chǎng)。走進(jìn)人們的實(shí)際工作和日常生活，無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)入了實(shí)用階段。1.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用由于直流電機(jī)易于控制，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，易于生產(chǎn)和維護(hù)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)鋼鐵工業(yè)、海上鉆井、造紙等行業(yè)。目前，無刷直流電機(jī)的通用控制技術(shù)相對(duì)落后，我國(guó)已經(jīng)制定了無刷直流電機(jī)通用技術(shù)條件，美國(guó)和日本有比較先進(jìn)的制造和控制技術(shù)，美國(guó)在軍工方面更為先進(jìn)，然而日本更注重民用電動(dòng)機(jī)。因而無刷電動(dòng)機(jī)的控制策略是電機(jī)研究的核心。無刷直流電動(dòng)機(jī)通常由電機(jī)外殼、電子換向電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)開關(guān)組成。電子換向電路通常由控制和驅(qū)動(dòng)兩部分組成，而轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)通常輔以位置傳感器，在工作時(shí)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，由位置傳感器進(jìn)行測(cè)量控制器在驅(qū)動(dòng)循環(huán)中釋放每個(gè)功率管，以便執(zhí)行有序開關(guān)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)輸出扭矩來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)控制是一種新型的調(diào)速方式，具有良好的運(yùn)行、控制和經(jīng)濟(jì)性能，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，采用這種控制方式控制的無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)舒適的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、直流調(diào)速性能好等特點(diǎn)。在家用電器和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展中，使用無刷直流電動(dòng)機(jī)主要分為以下幾類：（1）恒速電機(jī)；（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)；（3）精密控制。1.3模糊PID控制的應(yīng)用電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種，所謂速度控制只控制電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的輸入，不耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出不影響系統(tǒng)的輸入，其組成部分只是控制器和被控對(duì)象，而控制器通常只具有改善系統(tǒng)輸入性能的功能，對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說，最常用的閉環(huán)控制策略有很多種，有傳統(tǒng)的PID控制、模糊PID控制等最近幾年，越來越多先進(jìn)的控制策略被引入到電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)中，包括極點(diǎn)配置和基于線性化的最優(yōu)控制、精確反饋線性化、模型參考控制等。然而，這些策略仍然依賴于電動(dòng)機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，這些現(xiàn)代控制策略非常適合描述高質(zhì)量的非線性系統(tǒng)，不需要被控對(duì)象的精確模型。模糊規(guī)則和隸屬度函數(shù)調(diào)整主要基于主觀性強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)。1.4課題研究的主要內(nèi)容我們經(jīng)過研究模糊PID電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過模糊PID控制，要實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力的意義。對(duì)模糊PID控制進(jìn)行采用后，整體的調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全部數(shù)控，可靠程度高且易維修易操控,電動(dòng)機(jī)在正常狀態(tài)下工作時(shí)轉(zhuǎn)速精度可以保證較高的水平。從而實(shí)現(xiàn)可滿足不同需求下生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中完美運(yùn)行要求的價(jià)值。在研究了模糊PID控制系統(tǒng)后，結(jié)合參考文獻(xiàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在采用模糊PID控制情況下，注意到直流電機(jī)具有高精度控制單元，抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制，易于維護(hù)和控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)在不同要求下滿足完美運(yùn)行要求，自動(dòng)化生產(chǎn)這一目標(biāo)。該無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且具有運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、交流調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)。因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)治理的各個(gè)領(lǐng)域中、低流量控制系統(tǒng)正逐步采用無刷直流調(diào)速實(shí)現(xiàn)替換。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)無刷直流電機(jī)的控制和調(diào)速進(jìn)行了研究，詳細(xì)介紹了無刷直流電機(jī)的基本組成、工作原理和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一系列的調(diào)速和自適應(yīng)模糊控制器。系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能它具有功率大、適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

第二章無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本原理及調(diào)速策略2.1無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本組成無刷直流電動(dòng)機(jī)用永磁轉(zhuǎn)子代替普通無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，因而是一種新型的直流電動(dòng)機(jī)，其定子采用多相繞線閥，電機(jī)采用電子換向取代了機(jī)械換向和電刷，無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)外殼、位置傳感器和電子開關(guān)組成，其結(jié)構(gòu)與永磁同步電機(jī)相似，也由定子和轉(zhuǎn)子組成，但沒有繞組等起動(dòng)裝置。在那里定子由分布在其存儲(chǔ)室中的硅鋼層壓和繞組以及外殼、存儲(chǔ)和其他部件。對(duì)于定子繞組，通常轉(zhuǎn)換為多相，主要轉(zhuǎn)換為三相，整個(gè)線路這個(gè)轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)氣隙磁通。稀有目前常用的永磁材料大多為高力、高殘磁的永磁材料。位置傳感器原理包括：將轉(zhuǎn)子梁的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)定子繞組開關(guān)進(jìn)行控制，控制傳感器位于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上，內(nèi)置位置傳感器用于測(cè)量直流電機(jī)轉(zhuǎn)子梁的位置，為電子開關(guān)提供信息，并確保定子導(dǎo)向裝置的正確切換。無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，采用無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子開關(guān)，以功率在各相的順序和時(shí)間發(fā)展為電機(jī)定子它是主要由開關(guān)和位置傳感器信號(hào)組成處理系統(tǒng)。交換機(jī)通常采用全交換機(jī)，并接管網(wǎng)橋的連接模式，它是多種形式的連接電子開關(guān)和配件，但最常用的是三相星形連接。圖2.1無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖2.2所示，便是直流電機(jī)的模型示意圖。永磁無刷直流電機(jī)本體上裝有霍爾位置傳感器，利用霍爾效應(yīng)原理檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并發(fā)出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，位置檢測(cè)回路將信號(hào)調(diào)理后識(shí)別出的位置信號(hào)送入控制回路。圖2.2直流電動(dòng)機(jī)模型如圖2.3所示，直流電機(jī)換向器工作示意圖，用于換向信號(hào)處理的控制電路計(jì)算和處理霍爾信號(hào)和控制信號(hào)，并接收邏輯信號(hào)，例如電路的導(dǎo)通序列發(fā)動(dòng)機(jī)定子繞組組經(jīng)邏輯分析后傳輸至電流開關(guān)逆變電路，電機(jī)位置傳感器發(fā)出信號(hào)后，定子繞組再通電，形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。圖2.3直流電機(jī)換向示意圖2.3無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型本文主要分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型特性，根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性，因而基于以下假定條件來創(chuàng)建數(shù)學(xué)仿真模型。要求有1）無刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組必須滿足完全對(duì)稱的性質(zhì)；2）電動(dòng)機(jī)不考慮齒槽、電樞反應(yīng)等不良影響；3）電機(jī)的繞組在其定子的內(nèi)表面必須滿足連續(xù)均勻分布；4）電動(dòng)機(jī)不考慮渦流及磁滯損耗等影響。無刷直流三相定子電壓的平衡方程可以用公式2.1表示：（2.1）其中：為定子電壓；為定子的反電動(dòng)勢(shì)；為定子電流；為定子自感；為定子繞組間的互感；為定子繞組的相電阻；為時(shí)間。BLDC的電磁轉(zhuǎn)矩方程可用公式2.2表示：（2.2）其中：表示電磁轉(zhuǎn)矩，代表角速度。BLDC的運(yùn)動(dòng)方程如公式2.3所示：（2.3）其中：是電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；代表阻尼系數(shù)；是BLDC的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

第三章自適應(yīng)模糊PID設(shè)計(jì)3.1傳統(tǒng)PID原理電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)必須滿足兩個(gè)基本要求，即電動(dòng)機(jī)不僅要安全穩(wěn)定，而且要能及時(shí)跟蹤給定的指令信號(hào)，為了使系統(tǒng)盡快與指令信號(hào)同步，在控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速時(shí)，無論發(fā)動(dòng)機(jī)是否受到干擾，都需要電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定地行駛，這取決于調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性。電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一般是指其轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性和精度，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要選擇合適的控制策略。其中，傳統(tǒng)PID控制是人們第一次看到的，也是最常見的一種基本控制，而模糊PID控制則是在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，用模糊語言進(jìn)一步改進(jìn)控制方式，即本文提出的控制，如圖3.1所示。圖3.1傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)原理框圖傳統(tǒng)的PID控制以其控制算法簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。利用被控變量與參考輸入的偏差及其比例、微分和積分的線性組合，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。PID的方程可用公式3.1表示：（3.1）其中比例環(huán)節(jié)：減小誤差；積分環(huán)節(jié)：消除誤差，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無差；微分環(huán)節(jié)：改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。PID控制適應(yīng)于線性系統(tǒng)，然而無刷直流電機(jī)系統(tǒng)大多是非線性時(shí)變系統(tǒng)，因此唯一的控制是有限的，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1、傳統(tǒng)的PID控制算法是基于被控對(duì)象的實(shí)體數(shù)學(xué)模型，但實(shí)際系統(tǒng)往往非常復(fù)雜，存在許多不確定因素，如非線性、時(shí)滯、耦合、時(shí)變及干擾等。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，即使建立了數(shù)學(xué)模型，我們對(duì)系統(tǒng)也沒有全面的了解，因此建立的模型與實(shí)際模型有很大的不同，另外，為了便于處理和分析，常對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，這會(huì)增加誤差甚至誤差，控制系統(tǒng)本身在某些方面無法建立數(shù)學(xué)模型。2、傳統(tǒng)的PID參數(shù)是不能自整定的，在傳統(tǒng)的控制中，參數(shù)一經(jīng)整定，在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，這些參數(shù)是不可改變的，但是無刷直流控制比較復(fù)雜，存在許多不確定的應(yīng)力或干擾因素，在這些變化中，常規(guī)控制不能及時(shí)調(diào)整其參數(shù)，其中，基于模糊控制的自整定算法在不同的控制系統(tǒng)中具有算法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其自適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的特質(zhì)使得PID算法得到了廣泛的推廣，因而本文選擇了參數(shù)自調(diào)整的方法。3.2模糊控制基本理論在1965年，美國(guó)的L.A.Zadeh教授提出了模糊集的概念，到了1974年，英國(guó)學(xué)者E.H.Mamdani將模糊集理論成功地應(yīng)用到鍋爐和蒸汽機(jī)的實(shí)際控制中，逐漸演變形成出一種新的控制策略門派——模糊控制。模糊控制系統(tǒng)的主要組成部分是：模糊控制器、接口電路、檢測(cè)系統(tǒng)、執(zhí)行器、被控對(duì)象等。模糊控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其主要功能是根據(jù)微處理器軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的模糊處理，形成規(guī)則，模糊控制的基本規(guī)則框圖如圖3.2所示。圖3.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖由圖中可以看出輸出量是由輸入的誤差量經(jīng)過多次模糊運(yùn)算操作后，由模糊控制器進(jìn)行模糊操作，首先通過接口利用知識(shí)庫(kù)中的信息查詢輸入量，然后利用知識(shí)庫(kù)中的信息進(jìn)行模糊推理，最后，利用所建立的知識(shí)庫(kù)進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到期望的控制量來控制被控對(duì)象。模糊控制算法是一種基于語言規(guī)則和模糊推理的現(xiàn)代控制理論，基于現(xiàn)代控制理論中的模糊集，與傳統(tǒng)控制相比，模糊控制不需要非常精確的數(shù)學(xué)模型，可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的被控對(duì)象，它能有效地利用啟發(fā)式規(guī)則和專家知識(shí)來模擬人的思維和決策，而且模糊控制器是一種非線性映射，是一種通用逼近器，為模糊控制器的使用提供了理論依據(jù)。將模糊控制算法與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，不僅具有傳統(tǒng)PID控制的良好魯棒性，而且具有較好的適應(yīng)性。模糊器和解模糊系統(tǒng)的原理框圖如圖3.3所示。模糊PID控制不僅解決了傳統(tǒng)PID控制中動(dòng)態(tài)響應(yīng)和超調(diào)量技術(shù)不兼容的問題，而且解決了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速支付系統(tǒng)中的不確定性因素，如非線性、時(shí)間變量等等圖3.3具有模糊器和解模糊器的模糊系統(tǒng)將模糊控制分為以下幾個(gè)部分：1.將模糊控制器的輸入量確定為給定量與反饋量之差，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)將精度量進(jìn)行模糊化處理操作。2.根據(jù)模糊推理綜合規(guī)則，經(jīng)過模糊推理和數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算出模糊輸出。3.根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)模糊輸出進(jìn)行清晰化操作，然后對(duì)被控對(duì)象的輸出進(jìn)行校正，因此模糊控制器的構(gòu)造非常重要，可以說模糊控制器構(gòu)造的設(shè)定決定了模糊PID控制方式的優(yōu)劣。模糊控制器最明顯的優(yōu)點(diǎn)是控制規(guī)則不受控制對(duì)象無法分析的條件約束，易于與有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)踐者討論和修改，并能定性地應(yīng)用各種良好的控制思想和方法。3.3自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)圖3.4模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3.4所示模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)PID的結(jié)構(gòu)上存在一定的相似性，但與傳統(tǒng)PID相比最大的不同在于其控制規(guī)則的改變，傳統(tǒng)PID用輸出量來反饋給控制器，以修正輸入量，模糊PID則通過辨識(shí)與之間的模糊關(guān)系，以此來改變整個(gè)控制器。對(duì)PID參數(shù)、、進(jìn)行實(shí)時(shí)修改以保證輸出量能夠一直滿足整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。模糊PID控制系統(tǒng)的核心就是建立PID控制器三個(gè)參數(shù)與誤差和誤差變化率之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整、、。如果采用模糊PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，則系統(tǒng)的速度可以按照傳統(tǒng)PID控制器的步進(jìn)和模糊參數(shù)校正進(jìn)行調(diào)節(jié)，這大大降低了系統(tǒng)參數(shù)啟動(dòng)值的準(zhǔn)確性，只要設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就可以穩(wěn)定運(yùn)行，然后通過模糊推理進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)，以滿足系統(tǒng)在不同工況下的狀態(tài)要求。模糊化是將被測(cè)值按相應(yīng)的比例即模糊變量值轉(zhuǎn)化為論域的值，它描述了以自然語言形式測(cè)量物理量的過程，通過參照相應(yīng)的自然語言值，確定隸屬度，它與被稱為模糊子量的值有關(guān)。3.3.1確定語言變量選取電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化率為輸入量，PID參數(shù)調(diào)整量為輸出量,其語言變量分別定義為“偏差”、“偏差變化率”、“比例控制量變化KP”、“積分控制量變化KI”、“微分控制量變化KD”，如圖3.5所示。圖3.5模糊控制系統(tǒng)輸入輸出結(jié)構(gòu)圖3.3.2確定語言變量的論域一般認(rèn)為語言變量的論域是一個(gè)有限整數(shù)，為了便于計(jì)算，本文將論域劃分為五個(gè)語言變量，即“偏差”、“偏差率”、“比例控制變量變化”，“積分控制變量變化”和“微分控制變量變化”，這幾個(gè)變量論域設(shè)定一般都選擇的區(qū)間是[-3,3]。3.3.3輸入量化系數(shù)的選擇,定義：式中,，這兩個(gè)字母分別代表的是速度和速度偏差的輸入量化系數(shù)。在本設(shè)計(jì)中,我們將轉(zhuǎn)速偏差及其變化率的模糊論域都設(shè)定為為[-3,3]，那么我們就可以得到兩個(gè)輸入量化系數(shù)為3.3.4輸出量化系數(shù)的選擇定義：式中,這是比例控制變量和積分控制變量的輸出量化系數(shù)，在本設(shè)計(jì)中，我們將模糊論域控制變量設(shè)定為[-3,3]，不管是比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)亦或微分環(huán)節(jié)，那么輸出量化系數(shù)如公式3.2所示，如公式3.3所示：（3.2）（3.3）3.3.5各語言變量值的確定模糊變量值通常分為三級(jí)以上，如負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（0）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）等七級(jí)，如果我們想要更精確的語言值，分成更多的序列，我們可以在左右兩邊加上“負(fù)中大”和“負(fù)中小”，如果把負(fù)中和正中從7級(jí)去掉，那就是5級(jí)；如果在5級(jí)劃分中，平均零（0）變?yōu)檎悖∟0）和負(fù)零（P0），則為6級(jí)，只要進(jìn)行模糊邏輯論證，這些模糊變量的詞（句）賦值就應(yīng)作為輸入。3.3.6隸屬函數(shù)的確定隸屬函數(shù)本質(zhì)上是一條曲線，它能夠表示模糊論域在定義的語言值上的值，并返回模糊論域中每個(gè)值之間的隸屬度。常用的成員函數(shù)主要有三種，一種是高斯成員函數(shù)，其主要是通過隨機(jī)量的變化設(shè)定；一種是梯形成員函數(shù)，通過模仿梯形的面積變化來設(shè)定；最后一個(gè)是三角形成員函數(shù)。在選擇對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮以下問題：隸屬函數(shù)的分布必須覆蓋整個(gè)模糊論域，否則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)導(dǎo)致失控的缺口。相鄰成員函數(shù)之間必須有交叉，邊界必須清晰，同時(shí)兩個(gè)成員函數(shù)之間不能有相交情況。一般情況下，在穩(wěn)定性好的偏差較大的區(qū)域，采用緩慢形式的隸屬函數(shù)，在偏差較小的區(qū)域，采用尖銳形式的隸屬函數(shù)。當(dāng)相鄰兩個(gè)成員函數(shù)的交點(diǎn)較大時(shí)，模糊控制器對(duì)被控系統(tǒng)參數(shù)的變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性?？刂旗`敏度高，為了考慮控制的靈敏度和魯棒性，通常選取一作為相交度的值。在simulink中對(duì)于E、EC、kp、ki、kd隸屬函數(shù)的設(shè)定，如圖3.6至圖3.10所示。圖3.6E隸屬函數(shù)圖3.7EC隸屬函數(shù)圖3.8kp隸屬函數(shù)圖3.9ki隸屬函數(shù)圖3.10kd隸屬函數(shù)簡(jiǎn)單來說，模糊器屬于一種映射規(guī)則，它定義了個(gè)模糊集，規(guī)定了模糊器實(shí)值點(diǎn)與定義域的關(guān)系，可定義為由一個(gè)實(shí)值點(diǎn)向上的模糊集的映射。目前，針對(duì)工業(yè)控制的模糊規(guī)則主要分為三種：一個(gè)是三角模糊，定義一個(gè)三角數(shù)，解決多可能性不確定情況下的問題；一個(gè)是單值模糊，其隸屬度只有0和1兩種，較為簡(jiǎn)單；最后一個(gè)是高斯模糊，主要用于對(duì)圖像的處理。利用不同的隸屬函數(shù)，單個(gè)估計(jì)模糊器可以簡(jiǎn)化推理機(jī)的計(jì)算，高斯模糊器和三角模糊器主要可以克服變量中的噪聲。同理，所謂的解模糊器是指上的模糊集向清晰點(diǎn)的一種映射。最常見的輻射器有三類：一類為中心平均解模糊器，其主要采用中心值的平均法來解模糊，這種方法的好處是計(jì)算準(zhǔn)確；一種是最大解模糊器，其好處是計(jì)算速度快；最后一種是利用重心介質(zhì)平均來進(jìn)行解模糊。它們?cè)诤?jiǎn)單性和連續(xù)性上有所不同。制定控制規(guī)則時(shí)應(yīng)遵循以下原則：當(dāng)偏差較大時(shí):將比例系數(shù)增大，這樣能夠快速減小偏差但減小偏差的因此，應(yīng)降低差分系數(shù)，即將微分系數(shù)減小，以控制差分的迅速增加這樣。并使系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域內(nèi)運(yùn)行；作為一種積分系數(shù)，由于它會(huì)導(dǎo)致積分飽和而產(chǎn)生較大誤差。就能夠抑制微分作用的較快增加，進(jìn)而將系統(tǒng)作用在合理的變化范圍內(nèi);作為積分系數(shù)的，因?yàn)闀?huì)由于較大的誤差產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)控制在有效范圍內(nèi)，因此通常取，去掉積分作用。2）當(dāng)和在中等大小時(shí),為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小，，，都不能過大，應(yīng)取相對(duì)較小的，和的大小要合適，來保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。3）當(dāng)較小時(shí)：同時(shí)增大比例系數(shù)與積分系數(shù)的值，這樣可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，減小穩(wěn)態(tài)誤差；這時(shí)微分系數(shù)的取值對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，選取合適的能夠避免不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn)，通常是當(dāng)較小時(shí)，取較大的，當(dāng)較大時(shí)，取較小的。4）數(shù)值的大小表明系統(tǒng)偏差變化的速率，當(dāng)?shù)臄?shù)值比較大時(shí)，應(yīng)取相對(duì)較小的，并增大的數(shù)值。根據(jù)以上分析可制定出模糊控制規(guī)則如下表3.1至表3.3所示：表3.1KPU控制規(guī)則表EECNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表3.2KIU控制規(guī)則表EECNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3.3KDU控制規(guī)則表EECNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB模糊推理機(jī)是將模糊規(guī)則庫(kù)的規(guī)則組合成一個(gè)從上的模糊集到上的模糊集的映射。首先，執(zhí)行匹配以確定哪些規(guī)則與當(dāng)前輸入相關(guān)，然后使用相應(yīng)的規(guī)則作為推理調(diào)整的規(guī)則基礎(chǔ)。一般采用推理方式，即先小后大推理。圖3.11模糊推理規(guī)則界面模糊規(guī)則庫(kù)的組成種類繁雜，目前常用的規(guī)則主要是IF判斷語句，主要是由規(guī)則集合為代表，如圖3.11所示，在該界面中，可以自主定義適合于控制對(duì)象的模糊規(guī)則，結(jié)合本課題實(shí)際情況，對(duì)于無刷直流電機(jī)的控制，本文選擇采用含義的模糊關(guān)系，3.11是本文設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則的推理界面。這是一個(gè)二維的控制器，其模糊規(guī)則如下：：isandis，isSimulink由于其仿真結(jié)果顯示的優(yōu)勢(shì)受到廣泛的運(yùn)用，如圖3.12所示，可以在simulink的輸出曲面觀測(cè)窗口中，看到模糊推理規(guī)則的變化趨勢(shì)。通過分析這個(gè)趨勢(shì)的走向，反過來判斷模糊規(guī)則的合理性，進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)或者修改。圖3.12輸出曲面觀測(cè)窗口界面3.4本章小結(jié)傳統(tǒng)的PID控制作為線性控制在某些環(huán)境條件下無法設(shè)計(jì)性能等，其中無刷直流電機(jī)的控制要求高，簡(jiǎn)單的PID控制難以實(shí)現(xiàn)，模糊控制算法具有非線性和變結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)；仿真結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制相比，自適應(yīng)模糊PID控制具有速度快、反應(yīng)靈敏、冗余度大、魯棒性好、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。它可以更快更精確地控制無刷直流電機(jī)。由于PID算法其原理簡(jiǎn)單，算法簡(jiǎn)單，可靠性高，魯棒性好、分布范圍廣是無刷直流電機(jī)采用PID控制的基本原理，它是通過輸入信號(hào)與參考信號(hào)的差值以及積分與積分的線性組合來產(chǎn)生控制信號(hào)的微分值，其本質(zhì)是一種線性控制。建立被控對(duì)象的模型（如傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程）來設(shè)計(jì)PID控制器。另外，PID控制設(shè)置是在一定的系統(tǒng)設(shè)置下實(shí)現(xiàn)的，在一定的參數(shù)范圍內(nèi)可以達(dá)到良好的控制性能。如果系統(tǒng)本身不是線性的，系統(tǒng)參數(shù)和模型將更加精確，如果PID控制器不能保持預(yù)期的性能指標(biāo)，魯棒性往往會(huì)很強(qiáng)而降低，由于無刷直流電機(jī)的負(fù)載擾動(dòng)和被控對(duì)象的強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的PID控制難以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的高精度控制。

第四章無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真研究在Matlab/Simulink中，我們可以根據(jù)上述建模思想建立無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體仿真框架，如圖4.1所示。完整的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可分為獨(dú)立的子模塊，特別是：電機(jī)本體模塊、模糊PID控制、傳統(tǒng)PID控制、逆變器模塊、轉(zhuǎn)速功率控制模塊等。圖4.1BLDC調(diào)速系統(tǒng)仿真框架圖4.1電動(dòng)機(jī)本體模塊無刷直流電機(jī)本體模塊是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，本文基于電動(dòng)機(jī)電壓補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償以及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的選取，主要目的是提供無刷直流電機(jī)的輸出參數(shù)如電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等。無刷直流電動(dòng)機(jī)本體模塊如圖4.2所示。圖4.2無刷直流電動(dòng)機(jī)本體模塊電動(dòng)機(jī)參數(shù)配置設(shè)置圖如圖4.3，圖4.4所示圖4.3電機(jī)參數(shù)設(shè)置圖圖4.4電機(jī)配置設(shè)置圖4.2電壓電流采集模塊BLDC調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的電壓電流采集模塊的作用是檢測(cè)無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電壓電流參數(shù)，然后將電壓值和電流值輸入到速度運(yùn)算模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)速的運(yùn)算，同時(shí)將電流值反饋到電流控制模塊進(jìn)行比較，電壓電流采集模塊如圖4.5所示。圖4.5電壓電流采集模塊4.3速度運(yùn)算模塊BLDC調(diào)速系統(tǒng)中速度運(yùn)算模塊的作用：將電壓電流采集模塊檢測(cè)到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得出當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并反饋到速度控制模塊進(jìn)行比較，速度運(yùn)算模塊如圖4.6所示。圖4.6速度運(yùn)算模塊4.4速度控制模塊速度控制模塊在無刷直流調(diào)速中的作用是：首先將系統(tǒng)參考值與實(shí)際反饋值進(jìn)行比較，然后設(shè)置與控制器的偏差值，確定參考流電流量。為了保證電機(jī)的安全，的值必須規(guī)定在一定的范圍內(nèi)，速度控制模塊如圖4.7所示。圖4.7速度控制模塊模塊內(nèi)部是設(shè)計(jì)的模糊PID控制器,fuzzy-pid模糊控制模塊如下圖4.8所示圖4.8模糊控制pid4.5電流控制模塊無刷直流調(diào)速的電流控制器采用滯環(huán)控制來設(shè)定無刷直流電流，所謂滯環(huán)控制就是實(shí)時(shí)電流跟蹤給定的電流。它主要是通過電流幅值信號(hào)與轉(zhuǎn)子所處的位置信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系所得到的。它的工作過程是觀察給定電流值和反饋電流值之間的差值是多少，如果在正邊緣，打開逆變器的VT1開關(guān)，關(guān)閉逆變器的VT4開關(guān)。這樣，電動(dòng)機(jī)連接到直流母線的正端，從而增加電動(dòng)機(jī)相電流。相反，如果是負(fù)端，關(guān)閉逆變器的VT1開關(guān)，打開逆變器的VT4開關(guān)，這樣電動(dòng)機(jī)將連接直流母線的負(fù)端，然后降低電動(dòng)機(jī)的相電流，調(diào)速系統(tǒng)的電流回路將由電流滯環(huán)控制將參考電流與無刷直流電機(jī)的工作電流進(jìn)行比較，達(dá)到控制無刷直流電機(jī)的目的，電流控制元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.9所示。圖4.9電流控制模塊4.6逆變器模塊本設(shè)計(jì)的逆變模塊由六個(gè)MOSFET構(gòu)成，每個(gè)MOSFET與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)續(xù)流二極管相并聯(lián)，兩者組合形成一個(gè)整體，兩個(gè)MOSFET組合又會(huì)形成一個(gè)橋臂，以此類推，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)形成三相橋式連接的逆變電路。該電路通過電流控制電源的PWM信號(hào)后控制開關(guān)，開關(guān)控制不同相位電流的導(dǎo)通與關(guān)斷，形成期望的相電流來控制電動(dòng)機(jī)。逆變器模塊的simulink仿真如圖4.10所示。圖4.10逆變器模塊4.7模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)本文模糊規(guī)則設(shè)計(jì)如下：[Input1]Name='E'Range=[-66]NumMFs=7MF1='NB':'gaussmf',[0.8493-6]MF2='NM':'gaussmf',[0.8493-4]MF3='NS':'gaussmf',[0.8493-2]MF4='Z0':'gaussmf',[0.84930]MF5='PS':'gaussmf',[0.84932]MF6='PM':'gaussmf',[0.84934]MF7='PB':'gaussmf',[0.84936][Input2]Name='Ec'Range=[-33]NumMFs=7MF1='NB':'gaussmf',[0.4247-3]MF2='NM':'gaussmf',[0.4247-2]MF3='NS':'gaussmf',[0.4247-1]MF4='Z0':'gaussmf',[0.42470]MF5='PS':'gaussmf',[0.42471]MF6='PM':'gaussmf',[0.42472]MF7='PB':'gaussmf',[0.42473][Output1]Name='Kp'Range=[-66]NumMFs=7MF1='NB':'trimf',[-8-6-4]MF2='NM':'trimf',[-6-4-2]MF3='NS':'trimf',[-4-20]MF4='Z0':'trimf',[-202]MF5='PS':'trimf',[024]MF6='PM':'trimf',[246]MF7='PB':'trimf',[468.004][Output2]Name='Ki'Range=[-33]NumMFs=7MF1='NB':'trimf',[-4-3-2]MF2='NM':'trimf',[-3-2-1]MF3='NS':'trimf',[-2-10]MF4='Z0':'trimf',[-101]MF5='PS':'trimf',[012]MF6='PM':'trimf',[123]MF7='PB':'trimf',[234.002][Output3]Name='Kd'Range=[-33]NumMFs=7MF1='NB':'trimf',[-4-3-2]MF2='NM':'trimf',[-3-2-1]MF3='NS':'trimf',[-2-10]MF4='Z0':'trimf',[-101]MF5='PS':'trimf',[012]MF6='PM':'trimf',[123]MF7='PB':'trimf',[234.002]4.8仿真結(jié)果為驗(yàn)證所建立的控制系統(tǒng)仿真模型的性能，設(shè)定BLDC初始轉(zhuǎn)速為300r/min，隨后增加轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速調(diào)整為500r/min，分別對(duì)照模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，仿真圖分別如圖4.11，4.12所示。圖4.11傳統(tǒng)PID控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化圖4.12模糊PID控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化將兩者曲線置于同一仿真圖上重合對(duì)比，得到曲線如圖4.13所示。圖4.13模糊PID控制和傳統(tǒng)PID電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)比本設(shè)計(jì)通過比較兩種不通控制策略對(duì)電機(jī)的影響，即采用常規(guī)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制時(shí)電機(jī)速度波形的變化，結(jié)果表明，如果速度突然增加或者受到擾動(dòng)，電機(jī)波形的速度會(huì)降低，這兩種控制方式都具有很強(qiáng)的抗干擾能力，但模糊自適應(yīng)PID控制可以使系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速變化做出更快的反應(yīng)，且超調(diào)量略低與常規(guī)PID控制，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間也更短一些，但是存在穩(wěn)態(tài)誤差略微大于常規(guī)PID控制。仿真結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)控制方法能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和控制效果。

第五章總結(jié)隨著一代又一代電氣人的努力，克服了無刷直流電動(dòng)機(jī)研究時(shí)的種種困難，時(shí)至今日其已然發(fā)展到了一個(gè)全新的高度。與其他傳統(tǒng)類型的電機(jī)相比，它具有體積小、初始轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，更舒適維護(hù)。本文以無刷直流電動(dòng)機(jī)為主要研究對(duì)象，針對(duì)無刷直流電機(jī)在自適應(yīng)控制方面的種種難點(diǎn)，對(duì)于無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過自主學(xué)習(xí)simulink仿真手冊(cè)，結(jié)合推導(dǎo)的無刷直流電機(jī)仿真模型，將控制系統(tǒng)在Simulink軟件下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的無刷直流調(diào)速電機(jī)數(shù)學(xué)模型的可行性，同時(shí)對(duì)控制策略進(jìn)行了建模分析。為了使系統(tǒng)更具動(dòng)態(tài)性和靜態(tài)性，在模糊PID控制算法和傳統(tǒng)PID控制算法中進(jìn)行了對(duì)比，可以得到結(jié)論如下：1.在Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真表明，無刷直流電機(jī)的運(yùn)行曲線比較平滑，充分體現(xiàn)了模糊PID算法的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，無刷直流電機(jī)能迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，這一理論依據(jù)為今后的研究和工程運(yùn)用提供了強(qiáng)有力的保障。2.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用模糊PID算法能更快地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，并且模糊PID控制策略使得被控電機(jī)的超調(diào)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)PID策略，說明模糊PID相較于傳統(tǒng)PID是有較大改進(jìn)的。3.但在實(shí)際模擬過程中，模糊PID控制的穩(wěn)態(tài)誤差略微大于傳統(tǒng)PID，模糊PID能否找到更優(yōu)化的模糊規(guī)則，降低其時(shí)間復(fù)雜度，這也是未來將要攻克的難題。

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