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1、毕业设计(论文)课 题 名 称 永磁同步电机调速系统建模与仿真 学 生 姓 名 王云学 学 号 系、年级专业 电气工程系、11级电气工程及其自动化 指 导 教 师 刘白杨 职 称 助教 2015年 4月 5 日摘 要 相比于传统使用的电机，永磁同步电动机（PMSM）具有着比较高的工作效率、比较高的力矩惯量比、比较高的能量密度和环保节能等优越特性，所以对永磁同步电机进行控制调速方面的研究有着相当重要的意义。由于电机在运行过程中会受到一些扰动，使电机的转速偏离原来的额定转速，所以我们通过在对他数学模型的分析基础上，我们把电机的转动速度偏差e和转动速度偏差变化率de/dt作为是输入的变量，利用Mat
2、lab Simlink模块建立了系统的仿真模型，来使得系统自动调节电机的转速使其保持在额定转速。本文通过分别对经典PI控制调速系统和模糊PI控制调速系统进行了详细的仿真实验分析对比。从仿真的分析结果可以看出，使用模糊智能的PI控制调速系统不仅具有响应速度的迅速、无超调量、抗扰性能好、能更好地提高永磁同步电机的调速系统的动态和静态特性，而且还在非线性因素对系统的干扰方面具有一定的抑制作用。关键词：永磁同步电机；Matlab Simlink；调速系统；模糊PI控制；逆变电路Abstract Compared with the traditional use of the motor, rare e
3、arth permanent magnet synchronous motor (PMSM) has high work efficiency, high torque inertia ratio, high energy density, energy saving and environmental protection advantages, so of permanent magnet synchronous motor (PMSM) to control the speed of research is of great importance significance.Through
4、 to his mathematical model based on the analysis, we put the motor rotation speed deviation E and the rotation speed deviation change rate de/dt as is the input variables, the use of MATLAB / SIMLINK module to establish the simulation model of the system.Based on theclassical PIcontrol systemand fuz
5、zy PIcontrol systemis analyzedwiththesimulation experiment.From the analysis of the simulation results, we can see that using fuzzy PI intelligent control system with the response speed quickly, no overshoot and good anti disturbance performance, can better improve the permanent magnet synchronous m
6、otor control system is speed, static performance, can effectively suppress some nonlinear factors on the system interference.Key words: permanentmagnet synchronous motor;MatlabSimlink;speed control system;fuzzy PIcontrol;inverter circuit目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题的目的和意义11.2永磁同步电机国内外现状及水平11.3永磁同步电机的应用
7、前景22 永磁同步电机系统原理42.1 永磁同步电机基本组成52.2 永磁同步电机的工作原理63永磁同步电机控制调速方法83.1 永磁同步电机控制系统的数学模型83.2 经典PI控制调速原理113.3 模糊PI控制调速原理124 Matlab建模与仿真设计154.1 matlab软件介绍154.2控制系统的仿真模型155仿真结果与分析206 总结25参考文献26附录28致谢291 绪论1.1 课题的目的和意义由于永磁同步电动机具备制造结构简单可靠、占地空间体积小、工作效率比较高、电磁机械转矩的电流比大、转动惯量小、节能环保和比较好散发出热量以及维修保护等很多良好特点。我们国家是一个有着丰富的稀
8、土资源的国家，特别是随着科技的不断创新,使得现在的永磁材料价格也在不断地降低,而且永磁材料的磁性也在不断地提高,以及现在新型的永磁材料的也不断涌现，在不久的将来,永磁同步电机使用将一定会迎来一个前所未有的良好机会，而且其应用的范围也在不断地扩张变大。尤其是像在一些工农业的生产、航天导弹、卫星航空、国防工程和日常的生活等场合得到广泛的应用。对于永磁同步电机调速系统的建模与仿真的研究，我们的主要目的是为了能够在研发探索过程中，寻找出一种最优化的控制方法，以便于我们以后能够很好地掌握和使用永磁同步电机。虽然永磁同步电机的调速控制技术目前取得了很大的成果，各种控制调速技术的应用也正在逐步成熟中，比如经
9、典PI控制、模糊PI控制、SVPWM、DSP控制方法等都在实际工程中得到了广泛的使用。但是，在实际工程使用过程当中，各种调速控制方法都存在着或多或少的不足之处，比如说低速特性不够达到期望的结果，有些过多地依靠了电机的参数等等问题。因此，通过将各种调速方法进行对比，对这些控制调速策略中存在的问题进行研究，选择出最优化的控制调速方法就有着十分重大的意义。1.2 永磁同步电机的国内外现状及水平我们国家自从1970年之后就开始着手于关注和探索永磁电机控制调速方向的技术，主要的研发力量集中在全国重点院校和中科院研究开发工作点，以工农业、军事航天为主要研究方向。比较著名的研发地点是上海的机床所、北京的微特
10、电机研究所、中科院武汉自动化所等。1980年之后开始进入军工、企业生产领域，直到1999年，我们国家自己生产的永磁同步电机在数量少、价格成本比较高、使用范围小的情况下，技术程度和可靠程度难以满足人们生活的需要。2000年之后，尤其值得一提的是我国是一个稀土材料的大国，储存着巨多的稀土资源，而且对于这些稀土资源的提炼技术也走在了世界的前列。再传统使用的电机中，都使用了用电流来励磁的励磁系统，这样做会使得系统产生大量的无功功率，还浪费了许多电能和铜绕线。今天我们生产出了永磁电机，他一般使用的是转子永磁体来励磁，节约了电能和铜导线，而且提高了系统的功率因数。目前在国内主要的永磁同步电机的主要厂家有中
11、国南车株洲电机厂、包头稀土永磁电机厂、兰州电机厂等。在国外上，永磁同步电机系统，采用新型功率半导体器件、电力电子的逆变器电路、以及永磁同步电机专用模块。如欧姆龙工业自动化公司提出的伺服系统控制采用模块化的可扩展结构，为电机各种设备提供了一个链接，来获得电路故障的保护工作和过大的电流保护工作。在国外厂商的永磁电机产品每隔五年就会换代，新的永磁电机工作元件也会每两到五年会更新一次，新的语言仿真算法则会在不断地变化，总之生命周期越来越短。1.3 永磁同步电机的应用前景由于目前电力电子技术和控制技术的得到了快速的发展，永磁同步电机的控制技术现在已经比较熟练并且在不断地优化当中，当今的永磁同步电机已经把
12、以往的同步电机的使用范围给进行了不断地大大扩展。我们可以这么说，永磁同步电机已不断地扩展使用范围，从一般控制调速到高精度的模糊智能控制调速，从广大的工业生产领域到可以触摸到的各种高精尖的科技领域，它已经称为了性能最好的电机了，而且这只能够使前景会越来越明显。我们可以看到，永磁同步电机将会向着高效率化、直接驱动、高速、高准确度、高性能化、广泛化、智能控制化和网络模块化等方向不断地向前进步。2 永磁同步电机系统原理永磁同步电机其本身是一个转子使用永磁铁来产生磁场，定子上通过三相交流绕组的同步电动机，它有定子、转子、转子位置传感器和逆变电路等结构部件来构成的，对于有些永磁电机转子位置传感器是否需要安
13、装取决于工程的需要和成本的考虑问题。无论转子还是定子使用永磁体都要根据具体的情况具体分析设计。只有当电机对于有些永磁电机转子位置传感器是否需要安装取决于工程的需要和成本的考虑问题。永磁同步电机的电机系统可以是有电动机，逆变器组成和转子位置传感器组成的。图2-1永磁同步电机结构原理图2.1 永磁同步电机基本组成2.1.1 电机永磁同步电机也是由转子及定子两大部件所构成，相对于同步的电流励磁电机和直流电动机差不了多少，在目前的大多数情况下，我们都是把转子做成了永磁体，定子的上面绕上三相交流绕组，这样才能更好的发挥出永磁电机的优越性能。对于要了解电机的详细结构知识，以使得我们更好地掌握永磁同步电机，
14、我们可以去查阅参考相关的文献。 图2-2电机旋转示意图定子：定子作为电机中静止不动的，它由交流三相绕组、铁芯和端盖等部分所构成。同时也通常称为电机的电枢部分。 图2-3定子图转子：转子是永磁同步电机中能够旋转的部分，转子一般分为表面凸出式转子结构和表面插入式转子结构。在日常生活应用中，我们一般都是将永磁体都安装在转子上面的。对于关于永磁同步电机的机体结构部分的理论知识方面，我们可以去查阅参考相关的文献。图2-4转子图电机的转子通常都是由永磁体组成，使用永磁铁来激励磁场，目前通常使用的是稀土永磁材料。在阐述PWM技术原理前，需要提到采样控制理论中的重要结论：冲量相等而形状不等的窄脉冲加在具有惯性
15、的环节上时，其效果基本相同。所谓冲量，即窄脉冲的面积。而效果相同，是指该环节的输出响应波形基本相同2.1.2 转子位置传感器在永磁同步电机中，对于转子位置传感器与计算法相比，调制法就有很强的实用性。调制法还可分为单极性调制和双极性调制。单极性调制，就是调制波为期望的波形，而载波的三角波只有在半个周期有波形，也就是说三角波要么在半个周期是正的波形，要么是负的波形。在载波与调制波的交点时刻发出脉冲信号，去控制开关管。这就是单极性的控制方式；双极性调制，就是载波在半个周期内是正负同时存在的。目前，对于永磁同步电机系统的转子位置传感器，不同的封装形式必须要保持引脚的排列是一致的。就是利用控制器的精确的
16、数字输出，来对模拟电路进行精确控制的一种对脉冲的宽度进行调节的高效的技术。简单的说，技术就是对脉冲宽度进行控制的技术。此项技术用途广泛，一般是用来对步进电机的速度进行控制，还有对电机的角速度进行控制等等。2.1.3 逆变器转子的位置传感器驱动电路在实际的装置中是必不可少的，因为驱动电路是电力电子电路的主电路与控制电路之间的接口电路，是电力电子设备的重要一环，所以驱动电路对整个设备性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱
17、动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。2.2 永磁同步电机的工作原理 永磁同步电机的工作原理是用过其定子运行是三项的相差的交流电，而转子则是一种稀土永磁体。要实现永磁同步电机的能量转换，就得有控制电路和逆变的主电路。然而，控制电路是数字电路，而主电路是模拟硬件逆变器的电路。对于永磁电机的定子上都是正弦波的电流，电流的A、B、C三相在任何时候相加结果都是会等于零。所以用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。 从绕线的图看出，实际的电流方向在电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。通常电力电子装置中的电力电子器件都工作于
18、开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。器件刚刚开通时，器件的等效阻抗大，如果器件电流很快上升，就会造成很大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流还比较大，如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗除此之外，这里还需要明白几个原理性的问题。首先，我们知道在控制过程中需要检测电流，然后进行clarke和park变换。图2-5 电机等效结构坐标图从而出现了电流方向问题，经过主电路后的波形中有高频率的谐波存在，不能直接去驱动负载，因为谐波的存在会让主电路损坏。所以，要在主电路中的输出端加一个低通滤波器，滤除高次谐波得到平滑的正弦波。要得到一个良好的的正弦波，滤波器参数的选择很重要
19、。逆变器和转子位置传感器涵盖了电力电子技术、数字电子技术、计算机技术以及自动控制等多种学科。在目前，永磁同步发电机在电机行业中占有很重要的地位。在航空航天、铁路交通、邮电通信、太阳能、新能源等众多方面，永磁同步发电机发挥着重要作用。但是，在这些领域对永磁同步发电机的电气特性也提出了更高的要求，电压的幅值、频率的大小和电压波形是衡量电能质量的重要指标，也是表明一个永磁同步发电机能否正常工作的指标。在电机初始的时候，第一代电源是直流电机的电源，这种电能的缺点是能耗大大，供电效率同时运行时还伴有很大的低频噪音，这些直接影响电能的性能，同时其经济性差。随着电力电子技术的应用，这种传统的电机随即就会被淘
20、汰了。永磁同步电机虽然刚开始时买的价格比较贵，因为转子的永磁体用的稀有金属，目前价格比较昂贵。但是我相信，随着科技的不断地发展，永磁电机的价格也将会不断的下降。而且有专家计算得出，永磁电机刚开始的成本比传统电机贵，但是永磁电机的寿命长，通过几年的使用，它节约的电能将会比购买是花的钱多得多，所以永磁电机一定会成为未来的主流电机。总之，随着社会的不断的发展，科学技术的进步，为满足人们对电能的质量需求和人们日常生活的需要。永磁同步电机必将会继续向前发展的。第二个问题就是通过对永磁同步电机的学习，要能制作出永磁同步发电机的主电路、驱动电路和控制电路，并合理的选择器件的型号和参数。逆变器电路的主电路用具
21、有全控功能的MOS管作为开关管，它的开关频率高功率消耗小，并且用四个MOS管做成全桥主电路。驱动电路的作用是用来弥补因控制电路发出的波电流小，无法让管子正常通断的缺点。这也是永磁同步电机一个一直未得到很好解决的问题，努力以后能改变IGBT的工作原理而实现这个突破性的问题，也是在工控行业的一个期待。3永磁同步电机控制调速方法3.1 永磁同步电机控制系统的数学模型永磁同步电机的方程包括电机的电压方程、运动方程、电流方程和转矩方程等等，这些方程是其数学模型的基础。被控对象的数学模型建立能够很准确地反应出被控对象的不同的各种特性能是非常的关键的。使其跟踪目标值随意变化的随动控制系统叫做伺服控制系统，以
22、物体的运动方向、运动位置、运动速度等作为被控对象。这种伺服驱动控制，是典型机电一体化系统的重要组成部分，输入的功率因数要高，输出的负载阻抗要低；永磁同步电机的暂态响应要迅速，同时要有较高的稳态精度；永磁同步电机可靠性要好，在安全的前提下，电机的运行要经济、高效；电机要抗电磁干扰，防止因电磁干扰而影响电能的效能；永磁同步电机要向智能化方向发展。因传统的频率可调的电机，多采用的是用模拟电路控制电源的技术，要实现较高的要求是很困难的，为了我们能够很方便的分析，我们假定： (1)磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗；(2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；(3)三相绕组对称，永久
23、磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布；(4)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(5)驱动二极管和续流二极管为理想元件；(6)转子磁链在气隙中呈正弦分布。转子磁链在各相绕组中的磁链分别为 (3-1)3.1.1 电压平衡方程对于永磁同步电机电压的产生，它是由定子的三相电流绕组产生的，而且还有转子的永磁体也同时产生了一个相反的电动势，定子的三相绕组和我们日常生活中普通的电机三相绕组一样，都是在空间相差120度的，不同之处在于永磁同步电机的转子是永磁体组成，他来产生反电动势。由此得到定子电压方程式： (3-2) (3-3) (3-4)其中： -三相绕组电压； -每相绕组电阻； -三相绕组相电流； -三相绕组匝
24、链的磁链； -微分算子。3.1.2 磁链方程在磁链方程中，定子的磁链和三相绕组电流，转子永磁极的励磁磁场，转子的空间矢量位置都有着非常密切的关系，因此对于它的磁链方程可以清晰地表示为： (3.5) (3.6) (3.7)其中：-每相绕组互感； -两相绕组互感； -三相绕组匝链的磁链的转子每极永磁磁链。并且定子电枢绕组最大可能匝链的转子每极永磁磁链： (3-8) (3-9) (3-10）3.1.3 感应电动势由于转子永磁体在空间中产生的磁场是正弦分布的，而且正弦分布磁场的幅值是也都是不变化的，转子矢量的位置就是转子永磁体的磁极的直轴所在的地方，永磁同步电机相对于定子、转子位置角等于A相绕组轴线，
25、在空间的分布可以表示为： (3-11)或者 (3-12)由于一般的转子都是由永磁体构成，所以永磁体的位置变化（转子位置角度变化）是由转子旋转产生的。由式(3-12)可以看出来，永磁同步电机的感应电动势是由电机的定子的每一相的交流绕组和他的旋转的转子的永磁体磁场产生的反电动势共同的作用的。即我们可以有： (3-13) (3-14)每一个定子电枢绕组的每一相来说，由电磁感应定律，我们可以很方便的得到，A相绕组由不断地旋转的转子永磁体产生的磁场。其引起的感应电势为： (3-15)图3-1 圆形磁场与脉振磁场其中转子旋转的电角速度等于转子位置角的微分 (3-16)同理有， (3-17) (3-18)
26、由此，根据式(3-18)可以求出B相和C相绕组中由圆形旋转磁场的叠加后，产生的感应电势分别为 (3-19) (3-20)三相绕组感应电势也可以用统一的表达式，即： (3-21) 由式(3-21)可知，永磁磁场在定子电枢绕组中产生的感应电势的幅值为，并且当定子的三相交流绕组的匝链和转子永磁体的旋转速度越大的时候，那么在空间中产生的感应电动势也就会越大。 由于永磁同步电机的电压方程比较复杂，如果直接来人工计算是不易得到自己想要的结果的。因此我们不得不使用计算机建模软件来建立他的数学模型，以方便我们解决问题：这是一个永磁同步电机采用转子位置传感器后的空间矢量控制的控制系统的数学模型，我们通过观察式中
27、的定子三相交流绕组的阻值和直轴的、交轴的电压值，还有电机的电感值的大小和电机的机械角速度，电机负载的转动惯量的大小等等变化量，我们可以解决很多比较复杂的问题。 而且由上面的公式我们还可以看出，永磁同步电机是一个由很多非线性的变化量来控制的系统。和具有耦合关系。因此，不能独立地调整。这使系统不能线性化控制。永磁同步发电机调速系统常用的转子位置矢量控制策略有：(1)控制；(2)大机械电磁转矩电流比控制技术：(3)单位变量的功率因数控制技术；(4)较小系统损耗的控制技术等方法。不同的控制手段都有着各自的优点和缺点，通过比较要达到需要的目的的永磁同步电机的控制方法比较得出，目前生活中最常用到的控制手段
28、，主要使用的是方法（1）。因为使用控制，这一复杂问题会得到比较好的处理方法。3.2 经典PI控制调速原理由定义可知，按给定的运动速度、轨迹、方向实现准确的跟踪定位，使系统保持在一个比较稳定的运动状态下，是控制调速系统的根本必须的认真考虑的事情。但由于系统本身的负载干扰、不完全的矢量解耦，永磁同步电机数学建立模型的随时间变化的、非线性的、具有强耦合性质的，此时在这种复杂的环境中依然要保持伺服系统的控制精度、快速响应、动静态稳定。当前在工程实际上使用得比较多的是经典PI控制器，比例积分调节作用是按比例积分来反应系统的偏差变化的，而且当系统一出现了偏差量，那么比例积分调节就会马上来减小这个偏差。要加
29、快系统的调节速度那么我们可以加大比例作用来减小误差，但是比例太大的话会使得系统的稳定性质下降，如果不及时处理还会造成整个系统的稳定性下降。而积分调节作用是使系统达到无差度从而达到消除系统的稳定误差的目的。只有在有误差的前提条件下积分调节才能够进行。积分调节需要停止的条件就是系统没有误差。积分时间常数决定了积分作用的强弱，当积分常数比较小的时候，积分调节的作用就会变得越强大；反之积分常数越大，那么积分调节的作用就会越弱小。但是加入了积分调节则会带来使系统稳定性能快速的下降，而且动态的响应也会变得反应缓慢，所以一般积分调节不能单独存在。传统的经典PI系统控制算法为： (3-22)增量经典PI系统控
30、制算法为： (3-23)在公式（3-23）和（3-24）中KP为系统的比例系数，Ki为系统的积分系数。3.3 模糊PI控制调速原理模糊控制（Fuzzy Control）是基于人的娴熟操作经验的，PI控制通过去除工程要达到的目的和实际工作过程中之间的误差e（k）达到工程系统控制目的，其实现方便、控制可靠；模糊控制系统在线性或非线性系统都有许多优越的特性。大量实际操作数据归纳总结出的，使用自然语言描述控制策略的，以模糊化的原则、模糊化程序规则和模糊化逻辑思维推理为比较简单的计算机智能化系统控制手段。模糊化的PI控制与比较传统的经典PI控制手段最大的不同点在于模糊化的控制是不需要建立比较精准地数学化
31、模型的，只需要将操作人员的经验或者专家知识编制成模糊控制规则输入到推理模块作为规则库，再将来自接口模块的实时信号进行模糊化处理输入到推理模块，并将推理输出反模糊化后输出，即可完成对被控对象的控制R 传感检测装置 A/D转换 FLC D/A转换Z 机电一体化设备YXX1V图3-2 模糊控制系统原理图图3-2中 X标准信号；R扰动信号；Y控制对象输出信号； V反馈信号；FLC模糊逻辑控制器;Z执行机构。 模糊化D/F 模糊推理A. R 反模糊化F/U 知识规 则库输入输出图3-3 模糊逻辑控制器原理图模糊控制系统原理结构图及模糊控制器如图所示。图2中的输入即为图1中的X1是标准信号与反馈信号之差（
32、即X1=XV）的数字化信号量，在平面模糊PI控制调速系统过程中通常由两个分量e和de/dt形成，他们一般都是通过我们计算或者是信号采集来得到的比较清楚的数值。其分量取值范围叫基本论域，如eX，X=x,x，则X就是e的基本论域。第一步使我们需要把这个比较清楚的数值变化成比较模糊的数值，把它映射到一个进行了模糊化后的子集Ak（k=1,2,3）上，得到一个实数值，找出这个实数值隶属于Ak的隶属度，就是的系统的已模糊化。用过系统的隶属函数我们能够很方便的得到隶属度：模糊论域取离散值时，隶属函数见公式（3-24）。 A= （3-24）模糊论域取连续值时，隶属函数见公式（3-25）。 A= （3-25）将
33、模糊化后的模糊量输入“推理机”，由模糊PI智能控制规则，我们进行模糊神经网路理论来模拟我们大脑处理问题的过程。近似推理输出的是模糊化的矢量，是不能够直接作为系统的控制量，还必完成一次从模糊向清晰化的转变，将其变换成清晰量才可输出，即解模糊化。机电一体化控制系统中可广泛使用的解模糊法一般为加权平均法，见公式（3-26），模糊控制的特点见文献。 V0= （3-26）4 Matlab建模与仿真设计4.1 matlab软件介绍由于目前电脑计算机和与它有关联系的科学领域的技术的高速延伸发展，使我们在系统的仿真技术方面带来了巨大的发展，而且仿真技术的使用领域也在不断地向前推进扩展。当前的计算机仿真技术的不
34、断强大与自动化工程、系统控制工程和电脑计算机技术的拓展有着密切地相联。自动化工程是计算机仿真技术较早使用领域之一，自动化工程技术的不断拓展为当前的计算机仿真技术的成型和前行奠定了比较良好的基垫，在系统控制工程的前行，也进一步地优化了控制系统的模型建立与计算机仿真的理论原则体系。与此同时，也让控制系统的计算机仿真技术能够得以比较大范围的应用在非工程控制系统的工作和应用。MATLAB作为一个日常生活中常常使用的计算机仿真软件，为使用者提供了比较逼真的计算机仿真环境SIMULINK，特别是里面的Simpower System（电力系统仿真）模块库拥有者非常强大的使用计算方面的能力，灵活方便的绘制图型
35、的能力，可看作是一个真实的仿真环境，把这种软件使用在电力系统及其自动化专业非常方便快捷。在处理比较复杂的系统和比较困难的问题过程中，控制系统的仿真技术也是处理工程和非工程等方向的问题主要方法之一。而且MATLAB软件作为电力系统工程技术人员不得不学会的一门非常有用的技术，帮助科学研究技术人员，在使用计算机来解决人们难以处理的复杂问题。在计算机操作系统里面，这个不仅能够很方面的搭建计算机的仿真模型，并且可以很快速的纠正和优化建立的模型的参数，而且我们还能够还可以很快捷的监理处自己想要的模型。用计算机操作系统的仿真计算，我们能够方便快捷的得到自己想要的结果，以便于我们更好的分析结果。为科学研究人员
36、和系统工程技术人员快速方便的处理了很多困难的问题，提供了一种分析处理复杂问题与研究探索最优化方法的手段。4.2控制系统的仿真模型本文是以永磁同步电机转速控制为例，在0.1s施加负载，负载转矩为3Nm，在传统的经典PI控制调速系统当中，比例系数kp=0.013，积分系数ki=16.61，输出限幅-500，500；在模糊PI控制系统中，比例积分调节器的基准比例系数kp=0.013，基准积分系数ki=16.61，输出限幅-500，500，比较经典PI控制和模糊PI控制性能，两种控制系统结构图如图所示。图4-1经典PI控制系统结构图 通过加入模糊控制器，如公式（4.1）、（4.2）所示，实时修改变量，
37、从而修改比例系数和积分系数。 （4.1） （4.2）建立模糊化控制器时，第一部要设置输入和输出变化量，本模糊控制器把转速的偏差e和转速偏差的变化率作为输入的变化量，输出变化量为、，如下图4-2所示。图4-2 模糊控制器 转速偏差e和转速偏差的变化率论域分别为-150,150、-3.5,0.5，隶属度函数均为正弦或者余弦三角形函数，如图4-3和图4-4所示。图4-3 转速偏差隶属度函数图图4-4 转速偏差变化率隶属度函数图通过分析得出了模糊控制规则(表4-1)，模糊控制规则三维图形(图4-5和图4-6)，在模糊设计中，模糊控制量可以表示为负大（NB），负中（NM），负小（NS），中（ZO）,正小
38、（PS），正中（PM），正大（PB）。我们分别以这七种模糊控制的变化量来作为一种约定俗成的控制法则规则来完成工程系统控制计算的需要。从而来达到完成对模糊化的参数、的进行精准的控制的目的。表4-1 控制规则表EP/IECNBNMNSZPSPMPBNBPB/NBPB/NBPM/NMPM/NMPS/NSZ/ZZ/ZNMPB/NBPB/NBPM/NMPS/NSPS/NSZ/ZNS/ZNSPM/NBPM/NMPS/NSPS/NSZ/ZNS/PSNS/PSZPM/NMPM/NMPS/NSZ/ZNS/PSNM/PMNM/PMPSPS/NMPS/NSZ/ZNS/PSNS/PSNM/PMNM/PBPMPS/ZZ
39、/ZNS/PSNM/PSNM/PMNM/PBNB/PBPBZ/ZZ/ZNM/PSNM/PMNM/PMNB/PBNB/PB 模糊PI智能控制就是用，每隔一段时间，通过采样周期T时间，来获取电机的转动速度的输出响应，把获得的数字信号量和调速模型的内部的给定数字量来进行一个比较，这样就能够获得了此时的系统转速的偏差e。对偏差信号求导数，我们就能很容易的得到偏差的变化率。模糊PI智能控制运算时，我们需要通过一定的数学变化，使2个确定的量转变化成它相对应的模糊子集的模糊控制量，通过这个被数字化因子的导进来了解从基本论域到模糊论域的变换。相同道理为了使模糊量来清楚化展现精准的控制，我们导入了比例因子。图4
40、-5 输出变量的模糊规则图形图4-6 输出变量的模糊规则图形图4-7 模糊PI控制部分图图4-8 模糊PI控制系统结构图5仿真结果与分析 在经典PI控制系统中，电磁转矩初始值为0Nm，t=0.005s时电磁转矩达到最大Te=27Nm，t=0.04s时Te衰减为0Nm；在t=0.1s时电磁转矩增加，t=0.115s时电磁转矩Te=5Nm，t=0.14s时电磁转矩在Te=4Nm附近维持稳定，如图5-1所示图5-1 经典PI控制系统中电磁转矩曲线逆变器交流输出AB相之间的电压波形图如图5-2所示，t=0.025s时线电压幅值最大，Uab=460V，t=0.05s时Uab=430V，t=0.1s时Ua
41、b幅值逐渐增加，t=0.12s时Uab=490V。图5-2 经典PI控制系统逆变器输出AB线电压逆变器直流侧输入电压在0-0.03s时逐渐上升到470V，超调量为4.4%，t=0.05s时间时，系统稳定在450V。0.1-0.12s时电压逐渐上升0.15s后稳定在480V。如下图5-3所示。 图5-3 经典PI控制系统逆变器直流侧电压 永磁同步伺服电机A相定子电流在0-0.04s幅值由20A逐渐衰减至0A，在t=0.1s时，由于给了永磁同步电机一个负载转矩，使得定子电流逐渐增加，t=0.15s时，稳定在3A。如图5-4所示。图5-4 经典PI控制系统永磁同步伺服电机A相定子电流 永磁同步伺服电机转速0-0.035s逐渐上升，最大值为n=3100r/min，超调量3.3%, t=0.06s以后稳定在n=3000r/min。在0.1