3.3 直流电动机的起动、调速和制动
3.3.1 直流电动机的起动
直流电动机的启动，有三个基本要求，分别是：起动转矩要大，起动电流要小，起动设备要求操作简单、稳定可靠、安全经济。常用的三种方法有：直接启动，接入变阻器启动，降压启动。
直接启动方法操作简单，在起动时冲击电流大，此方法不适用大型电动机的启动，只适用于小型电动机的启动。
接入变阻器启动可以减小启动电流，待转速慢慢上升起来之后再慢慢将变阻器阻值变小直到切除。启动变阻器在启动时需要消耗更多的电能，而且设备相对笨重。
3.3.2 直流电动机的调速
直流电动机的转速公式为：
(8)
由式(8)可知，调整方有电枢控制和磁场控制两种调速方法，电枢控制就是调节电枢电压或在电路中接入调速电阻来实现调速的。磁场控制就是通过调节励磁电流来实现调速的。 3.3.3 直流电动机的制动
在电动机运行过程当中，有时需要电动机能够快速停止，或者由快速运行转入低速运行，这都需要对电动机进行制动。常用的制动方式有以下三种：能耗制动、反接制动、回馈制动。
能耗制动接线如图19所示。
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图19 并励电动机能耗制动时的接线图
能耗制动过程中，将大部分转子动能转换成了电能，并消耗在制动的电阻上面，其操作简单方便，但在电动机低速运行时，在制动时的转矩很小，为了使电动机能快速停下来，通常再加上机械制动闸来配合制动。
反接制动接线如图20所示。
图20 并励电动机反接制动时的接线图
反接制动过程中，能使运行机组快速停转，并在转速为0时要及时切断电源，这就不会造成机组进行反转，因在反接时电枢电流会变大，所以要在反接时接入一个电阻，把电枢电流控制在允许的范围之内。
回馈制动是指当转速受外在因素或其他自然条件的影响会继续加快转速且达到某一固定数值的情况下，限制电动机转速继续上升变大，这种方法是因把增加转速的能量转换成电能又送回电网，因此称之为回馈制动。
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4 模糊控制
4.1 模糊控制原理
模糊控制指的是在控制方法上，采用模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理来进行控制。模糊只是概念上的模糊，通过模糊语言描述模糊控制算法，来控制完成确定的工作。
设计模糊控制器，就能实现模糊控制。模糊控制器包括：精确量的模糊化、模糊控制算法的设计和输出信息的模糊判决三个方面。其中精确量的模糊化是指语言变量转化为论域上的模糊子集，模糊控制算法的设计是指通过模糊控制规则计算出模糊关系，输出信息的模糊判决是指把模糊量转化为精确量。
模糊数学理论和模糊语言是模糊控制的理论基础。是基于模糊规则之下的控制系统，模糊控制规则是通过总结、归纳和优化得到的一种控制方式。而模糊数学以隶属函数讨论问题。建立精确的数学模型系统，实质是应用数学处理方法，在测量数据中，找出输入和输出的存在关系，并通过数学方程表示出来。这也是建立模糊系统模型的基础理论，把精确量数据进行模糊化处理转化成模糊量，通过精确数学模型转化为条件语句，使用条件语句输入语言变量模糊子集IF、输出语言变量模糊子集THEN来表达的模糊关系，就叫做模糊系统模型。
模糊控制系统具有以下5个特点：
(1) 模糊控制系统基于对模糊规则的控制，直接使用模糊语言控制规则来实现的，依据控制经验或相关理论知识，不需要建立精确的数学模型，因而模糊控制系统设计简单，应用方便。
(2) 根据现代工业化的实际生产要求，很容易就能得到控制规则要求，根据控制规则要求建立语言控制。这对于某些难以获取数学模型，不易掌握动态特性的对象非常实用，因而模糊控制系统在现代工业化生产过程当中具有很强的实用性。
(3) 基于模糊控制系统模型的控制算法设计方法，由于对性能要求不一样，控制算法的设计方法会产生较大差异。但模糊控制系统的语言控制规则具有良好的独立性，利用模糊控制系统的模糊控制规律之间存在的关联，会找到控制效果要好于一般控制器的方法。
(4) 模糊控制是由控制要求及控制语言规则来设计的。这有利于对控制过程进行精确控制，以提高控制系统的控制能力，使其能有较好控制水平。
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(5) 模糊控制系统的稳定性比较强，外界的干扰和参数的变化对模糊控制系统的控制效果影响减小，非常适合在非线性、时滞后系统中的应该。
对于一个很难建立数学模型的控制对象来说，很难应该现有的控制水平来进行控制，但模糊控制系统能对复杂现象进行分析和判断，通过人工对控制系统的控制，能总结出控制规则，再应用模糊控制理论中模糊集合理论，把控制规则转换成模糊条件语句，建立起一个模糊模型，通过模糊模型来进行模糊控制器的设计。
4.2 模糊控制器的一般设计步骤
模糊控制器是直流电机调速模糊控制系统的核心。本论文的重点是模糊控制器的设计。
模糊控制器的主要工作步骤为：将模糊控制器输入量转化为模糊量的输入量转化为模糊量，应用到模糊逻辑决策系统中，在模糊逻辑决策器模块中，根据模糊控制规则确定模糊关系R，应用模糊逻辑推理算法，计算出控制器的输出模糊控制量，再把模糊控制量精确化计算后得到精确的控制量，应用到控制系统中。
在模糊逻辑推理的过程中：模糊化、模糊逻辑推理、精确化计算是模糊逻辑推理的三个主要过程。
(1) 模糊化：把测量所得到的输入变量值，使用数字形式表现出来，转化为模糊控制系统的模糊子集。通过模糊控制系统的隶属度函数实现。对任一的输入量，隶属度函数大于0的模糊子集至少有一个，这就使得每个输入量都有一个确定的模糊子集与之对应。
(2) 模糊逻辑推理：模糊逻辑推理是模糊控制系统的核心，以模糊判断为基础，使用模糊语言规则，得到模糊判断结论的方法。根据模糊条件语句来确定模糊控制规则，应用模糊数学理论，对确定的模糊控制规则进行推理计算，就能计算得出模糊输出量。模糊推理主要有三种，分别是Zadeh法，Mamdani法和强度转移法。
(3) 精确化计算：通过模糊推理，得到模糊集合。但在模糊控制系统的实际应用中。只有确定的值才能实现控制或驱动，这就需要将得到的模糊输入量转换成精确值，也称此过程为反模糊化。常用的三种精确化方法是：最大隶属度函数法、重心法和加权平均法。采用不同方法所得到的结果是不一样的。
模糊控制器的设计主要分为以下六步： (1) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量。
(2) 确定输入变量和输出变量的模糊子集和论域及其隶属度。 (3) 设计模糊控制器的模糊控制规则。
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(4) 模糊化和去模糊化。
(5) 编制控制器算法的应用程序。 (6) 选择合理的模糊控制算法采样时间。
直流电机模糊控制调速系统的主要设计步骤有以下四点： (1) 根据实际情况，确定模糊控制器的结构。
(2) 确定输入变量和输出变量的模糊子集和论域及其隶属度。 (3) 确定模糊控制器的控制规则。 (4) 确定模糊关系和模糊矩阵。
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直流电机模糊控制系统的MATLABSimulink仿真研究
