5 直流电机模糊控制系统的MATLAB/Simulink的仿真…………………………22 5.1 建立直流电机的仿真模型………………………………………………22 5.2 模糊控制器的设计………………………………………………………22 5.3 直流电机模糊控制系统的建立与仿真…………………………………24 5.4 仿真结果及分析…………………………………………………………27 6 总结与展望………………………………………………………………………2
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参考文献……………………………………………………………………………39 致谢…………………………………………………………………………………31
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1 绪论
1.1 研究的目的与意义
在工业现代化的发展当中，直流电机的使用非常广泛。对直流电机的控制也越来越重要，在现代的工业生产当中，对生产的过程控制要求比较严格，对生产出来的产品质量的要求也相当严格，这就要求在现代工业生产过程当中，对控制的要求控制精度准确、易于调速、运行稳定。在工业生产过程中为提高产品的质量和产品的产量，控制过程从人工手动控制慢慢向半自动控制发展，半自动控制慢慢向全自动控制发展，使得生产工艺实现全自动化生产，在全自动化生产的过程当中，离不开传动系统的调速电机对生产设备的控制，按驱动电动机的类型可分为直流传动系统和交流传动系统二大类。本文中主要研究直流传动系统。直流电动机具有很多优良的调速特性，如：调速平滑、简单易控、过载能力大、正反转能快速切换、并可实现频繁地无级快速起动和制动。能够满足在现代化工业的生产过程当中不同环境下的的特殊运行要求，如：在生产机械设备的切削机床、生产用纸的纸机设备、全自动生产电子产品的生产线、水泥厂等对控制性能要求非常高的工业生产当中被广泛应用，使得直流电机在现代工业生产当中仍然充当着重要角色。
1.2 国内外发展历程及发展现状
1.2.1 直流调速系统的发展历程
在运动控制系统的发展过程当中，交流电气传动和直流电气传动并存于工业生产的各个领域，在历史上最早出现的是直流电动机，在没有出现交流电动机之前，直流电气传动是惟一的电气传动方式，随着工业生产技术的向前发展，对电气传动在启动、制动、正转、反转、调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求在工业生产当中大量的使用直流传动调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能非常好，从20世纪30年代起。直流调速系统开始应用于工业的各个领域。最早的控制系统是由旋转变流机组控制来实现的，而后慢慢发展成为由放大机和磁放大器控制系统来实现控制的，经过放大机和磁放大器控制的时代的发展，基于它们的闭环连续控制系统得到广泛应用，在改进控制的性能方面，取得了良好的效果，到后面晶闸管变流装置和模拟控制器的出现，使得控制真正实现了直流调速，一直到后面可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路的出现，才得以实现了使用数
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字化对直流的调速。而直流调速在工业应用方面具有快速、可靠、经济、稳定、方便等特性，使得直流调整系统在工业应用方面非常广泛。
在直流电气传动系统中，有如下几种常用的可控直流电源：(1)使用恒定的直流电压直接向直流电动机电枢供电，改变阻值的大小来实现对电枢回路的调速。这种通过改变电阻的大小，从而改变电压值的大小来调速的方法简单，便于操作，工业生产方面也简单，而且成本低。这种方法也有着不少缺点，比如：这种调速转化率低，机械性能差，调速易于波动，不能进行平滑调速。由于这些缺点的存在，便得这种方法在工业生产当中使用率很低。(2)30年代末，发电机-电动机（也称为旋转变流组）的问世，增加了调速领域的灵活性、广泛性等，同时存在的闸流管、电机扩大机、及磁放大器等控制器件共同组成的调速系统，提高了调速的各方面的性能，如：提高了调速平滑变化、调速转速精度、及加宽了调速范围、提高效率等。特别发电机-电动机的使用，很容易就实现了将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，不仅提高了效率，减少了能量损耗，而且能够很好的实现平滑制动。但是这样的调速系统还是存在着不少缺点，如因此增加的辅助设备（旋转电机和励磁设备等），造成占地面积大、转化率低、维修难度大、不易维修、成本高等。(3)直到汞弧变流器出现以后，汞弧变流器开始慢慢取代了发电机-电动机调速控制系统，进一步提高了调速控制系统的性能。(4)世界上第一只晶闸管的问世是在1957年，晶闸管的问世，让整个直流调速系统发生了极大的变化，因为晶闸管具有可靠性高、反应灵敏、所占空间小、简便耐用等优良性能，使得晶闸管提到了广泛的应用，不仅提高了直流调速系统的可靠性和经济效益，而且在工业生产使用中相对其他直流控制的性能上也具有很大的优势，晶闸管变流装置比机组和汞弧变流器的放大倍数分别高1000倍和10倍，自身的放大倍数在10000以上，而机组和汞弧变流器的放大倍数分别是10倍和1000倍。因在响应速度上，晶闸管是以毫秒级来计数，而机组是以秒级计数的，所以除部分设备使用晶闸管励磁系统和机组供电以外、其他基本上已经采用了晶闸管相控整流供电。 1.2.2直流调速控制系统的发展现状
我国第一只硅晶闸管是在60年代初研制成功的，晶闸管直流调速系统迅速应用于我国现代化工业的生产当中，并得到了快速的发展。低功率如0.4KW至200KW的晶闸管直流调速装置已经实现了系统化标准化批量生产，大功率2000KW系列产品也已经在工业生产设备中试用，在我国现代工业生产过程当中，晶闸管供电的直流调速系统已经得到了广泛的应用，直接影响着我国现代工业化的生产。
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随着科学技术的发展，各种新型控制元器件也相序问世，直流电动机晶闸管调速系统的发展出现了二个分支，一个是向大功率发展，另一个是向小功率发展，在向小功率发展的过程中，正在实现一体化发展，实现电动机和控制设备的一体化，实现控制单元高度集成，并慢慢发展到数字直流调速装置，目前已经有数家国内外厂商已经推出了各自的产品，使得直流调速系统的理论有效的和实践结合在了一起，同时也推动了直流调速系统的发展。
国外的直流调速系统比我国发展的早，相比国内的发展也更加成熟，无论是从技术上还是从性能上都远远的超过了我国直流调速系统的发展，尤其是国外的数字直流调速系统，能实现从调节器参数设定、给定信号、触发脉冲等都能实现数字化，并通过公用平台及软硬件的控制和调控，能够控制电流的大小和一定范围功率的直流电机。使用软件通过公用平台就很容易实现对直流电机的控制，强大的可控性、以及极高的抗干扰能力使得它能和PLC等其他系统组成一个完整的工业控制系统。并且具有调试方法灵活、稳定可靠、高度集成、及完善的自我保护功能，弥补了模拟直流调速控制系统的缺点，而且数字控制系统还有能快速查找故障、维护简单、调速精度高等特点，使其能在工业生产方面能得到广泛的应用。而国内生产的数字直流调速装置，存在功能不完善、精度不高、且保护功能不齐全等缺点。和国外还是有一定的差距的。
1.3 研究的主要内容及章节介绍
本论文的主要研究内容除了本章绪论外，共分为4章，以下是对各章内容作一个简单的介绍。
第2章介绍直流调速系统的原理，对直流调速系统的基本概念、单闭环直流调速系统、多环调速系统进行学习研究，了解直流调速系统的基本原理及工作方法，学习晶闸管单环直流、多环直流、直流可逆调速系统的电路原理，直流调速系统的MATLAB仿真。
第3章介绍直流电机的工作原理和基本结构，并说明由气隙磁场和电枢绕组来导出电枢的电动势的电磁转矩公式，通过电枢的电动势的电磁转矩公式，导出直流电机的基本方程，并对直流发电机和电动机稳态运行性能进行全面分析，初步了解直流发电机和电动机的工作原理及特性，掌握直流发电机和电动机的基本结构。
第4章介绍模糊控制的基本原理和基本特性，学习了解模糊控制器的模糊化过程、模糊推理、精确化计算等，掌握模糊控制器的设计原理和设计方法。
第5章开始利用MATLAB/SIMULINK对直流电机模糊控制系统进行仿真，首先应用MATLAB/SIMULINK建立一个直流电机模型，然后应用模糊控制工具箱对控制参数进行模糊化处理，设计模糊控制器，最后建立直流电机模糊控制系统
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进行仿真，并对仿真结果进行分析。
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直流电机模糊控制系统的MATLABSimulink仿真研究
