基于MATLAB_SIMULINK直流电机调速系统模糊控制的建模与仿真

基于MATLAB󰃗SIMULINK直流电机调速系统

模糊控制的建模与仿真

MATLAB󰃗SIMULINK-BasedModelingandSimulationforFuzzyControlSystemofDcMotor

张　晶　　　曾宪云

ZhangJing　　ZengXianyun

(广东工业大学自动化学院　广州　510090)

(FacultyofAutomation,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,510090)

摘　要　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实现模糊控制仿真。关键词　SIMULINK　电机　模糊控制1　引　言

2　SIMULINK下直流调速系统仿真模型的实现

计算机仿真技术是应用电子计算机对研究对象的

数学模型进行计算和分析的方法。对于从事控制系统研究与设计的技术人员而言,MATLAB是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。这不仅是因为它能解决控制论中大量存在的矩阵运算问题,更因为它提供了强有力的工具箱支持。与控制系统直接相关的工具箱有控制系统、系统辨识、信息处理、优化等。还有一些先进和流行的控制策略工具箱,如鲁棒控制、u-分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控制设计、模糊逻辑等。可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法,几乎都可以在MATLAB中找到相应的工具箱。

同时,MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK,它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点,成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型,然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析,从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。

将SIMULINK用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。本文以此为基础,运用模糊逻辑控制,建立了电机控制系统的仿真模型,并通过了可靠的仿真实验。12

直流电机模糊控制系统结构图如图1所示。

图1　模糊控制直流电机系统框图

由图1可见,电机直流调速系统的过程为:由测

速发电机输出电压中取出转速负反馈电压,与给定电压进行比较得到的偏差和偏差变化率送给模糊控制器。由模糊控制器计算出电机控制量,送给电机,实现电机的转速控制。

在MAYLAB下运行SIMULINK,由于它面向结构图模型,所以创建动态结构模型如图2所示:

图2　直流电机模糊控制动态结构图

《现代电子技术》2002年第4期总第135期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　仿真与测试　　　　3　SIMULINK下各子系统的实现

系统基本参数如下:

Ue=220V;Ie=53ANe=1460r󰃗min;L=01015HR=0158;Ce=01132GD=22145;CM=30󰃗PI3Ce

2

学模型。

(2)SIMULINK下电机仿真模型的建立

根据上述数学模型及给定参数,建立如图3所示的仿真模型。

固定转矩为67。311　电机模型的实现

(1)电机数学模型

额定励直流电机电枢回路电压平衡方程式为:

Ud0-E=RId+LdIddt　　　　图3　直流电机仿真模型

dId=R[Id+T1]

dt

(1)

(3)电机仿真模型正确性的验证

式中:T1=L󰃗R为电枢回路电磁时间;

E=Cen为额定励磁下电动机的反电动势;在零初始条件下对(1)式进行拉氏变换得

Ud0(S)-E(S)=RId(S)(1+T1S)

电机额定电压为220V,所以如果给电机加上220V的阶跃信号,电机转速应为1460r󰃗仿min左右。真结果如图4所示。

整理后,可得传递函数:

Id(S)1󰃗R=

Ud0(S)-E(S)T1S+1忽略粘性摩擦,转矩平衡方程式为:

Te-Tl=

CD2

375

󰃖

dndt

式中Te=CmId为额定励磁下的电磁转矩;

Tl=CmIl是包括电机空载转矩在内的负载转矩,

Il为负载电流;

CD为电力拖动系统部分折算到电动机轴上的飞

2

图4　额定电压下电机的转速

轮惯量;

Cm=

Te30=Ce为电动机额定励磁下的转矩电流IdΠ

所以该电机模型是正确的。312　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　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,分别为偏

比;

把Te、Tl代入上式并整理得:

CDdnCDR1dEId-Il=󰃖=󰃖󰃖

375Cmdt375CmCeRdtTmdE=󰃖Rdt2CDR式中Tm=为电力拖动系统的机电时间常数。

375CmCe

2

2

差E和偏差变化率C以及控制量U。在输入和输出图标上双击,可以对输入和输出的隶属函数进行编辑,如论域范围、隶属函数条数、隶属函数形状等。

(2)模糊规则编辑　进行模糊逻辑推理首先要编辑逻辑控制规则。在逻辑编辑器的view中editrule选项可实现此功能。

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在零初始条件下对上式进行拉式变换得:

E(S)R=

Id(S)-Il(S)TmS

(2)

　　将式(1),式(2)的输入输出量连接起来,并考虑到n=E󰃗Ce,则可得到额定励磁下直流电动机的数

基于MATLAB󰃗SIMULINK直流电机调速系统模糊控制的建模与仿真(3)模糊推理　由于选用了Mamdani型模糊控制

善,超调量变小,过渡时间变短。如图6所示。

器,模糊推理采用Mamdani推理,解模糊采用缺省值:

重心法。

(4)生成模糊控制器　做好上述工作后,就会生成一个后缀为fis的文件。然后使用readfis()函数形成模糊关系矩阵。可运行如下命令:

matrix=readfis(′c󰃙matlab󰃙bin󰃙deno1fis)模糊控制器的结构框图如图5所示。其中,量化因子和比例因子的计算公式如下:

Ke=n󰃗Xe　Kc=m󰃗Xc　Ku=Yu󰃗L

式中,Xe为误差论域的幅值,Xc为误差变化论域的幅值,Yu为控制量论域的幅值,n为误差变量模糊子集的最大值,m为误差变化率变量模糊子集的最大值,L为控制量模糊子集的最大值。图6　仿真曲线

图5　模糊控制器的结构框图

本设计选用单输入单输出模糊控制器,其输入变量分别取为偏差E和偏差变化率C,输出取为控制量U。E的论域取为[-1010],词集为{NBNMNS0PSPMPB};C的论域取为[-11],词集为{NBNSOPSPB};U的论域取为[-1010],词集为{NBNM

曲线一为原系统的阶跃仿真曲线,曲线二为具有模糊调节器的阶跃仿真曲线。仿真结果表明,模糊控制系统的动态性能远远优于原系统。4　仿真结果

语言值的隶属函数选用梯型与三角NS0PSPMPB}。

型隶属函数。控制规则选用Mamdani控制规则,如

表1所示。

表1　直流电机模糊控制规则

C　ENBNSOPSPBNBNBNMNMNSONMNBNMNMNSONSNBNMNSOPMONBNMOPMPBPSNMOPSPMPBPMOPSPMPMPBPBOPSPMPMPB在运行SIMULINK程序时,可以观察电流信号I与转速信号n在不同情况下的响应曲线。

图7为调速系统起动制动时转速和电流波形;图8为调速系统抗电网扰动时n、I波形;图9为调速系统负载扰动时n、I波形。5　结　语

本文给出了SIMULINK仿真环境下,用模糊控制实现直流电机系统的控制。不仅避免采用C语言进行仿真时的大量劳动,提高了工作效率,而且增加了仿真结果的可靠性。仿真结果表明,SIMULINK是控制系统仿真的一种功能完善、实现系统控制容易、构造模型简单的强大的动态仿真工具。

　　采用模糊控制器的系统控制性能得到了较大的改

图7　系统起动、制动时n(t)、I(t)波形

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《现代电子技术》2002年第4期总第135期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　仿真与测试　　　　参　考　文　献

1　薛定宇1控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用1北京:清华大学出版社,19962　魏克斯等1MATLAB语言与自动控制系统设计1北京:机械工业出版社3　何平等1模糊控制器的设计及应用1北京:科学出版社,19974　王耀南1智能控制系统1长沙:湖南大学出版社,1996

5　冯垛生等1电力拖动自动控制系统1广州:高等教育出版社,1998

Abstract　IntroducesthefuzzycontrolsimulationsystemofDCmotorbasedonsoftwareMATLAB1Thisfuzzycontrolsimu2lationsystemisrealizedbymeansofthesoftwareofsimulinkandfuzzy-controllogicbox11

Keywords　SIMULINK,DCmotor,fuzzycontrol

作者简介　张　晶　女,广东工业大学自动化学院硕士研究生,研究方向为检测技术与自动化装置。

曾宪云　男,副教授,研究方向为检测技术与自动化装置。

　　(上接第11页)

参　考　文　献

1　熊瑞香1新型电话机基本原理与维修1北京:人民邮电出版社,19962　邱明树1电话机集成电路实用指南1北京:电子工业出版社,19973　孙余凯1电话机修理技术自学读本1北京:电子工业出版社,1999

4　李华1MCS-51系列单片机使用接口技术1北京:北京航空航天大学出版社,1993

Abstract　Aimingatthefunctionofauto-dialindesigningtelephoneset,Singlechipmicrocomputerisusedinauto-recog2nizingaudiosignaloftelephone1Thetheoryisputforward1Theinterfacecircuitandthesoftwarearedesigned1Agoodeffectcanbeobtained1Theproblemofrealizingthefunctionissolved1

Keywords　telephone,singlechip,auto-dial

作者简介　柳　男,工学硕士,主要从事信号与系统的教学和研究。

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