高性能直流脈寬調速系統已得到廣泛應用，模糊控制器由于不依賴對象精確的數學模型，且具有較強的魯棒性，因此它在工業控制中得到了廣泛的應用。然而簡單的模糊控制穩態精度較差，動態性能欠佳。這主要是模糊規則易受人的主觀影響，使控制器僅限于不超過專家經驗范圍的工況下應用，而被控系統的非線性、時變性造成了模糊控制規則的不完善，影響控制效果。為了克服這些問題，就要使模糊控制器具有自適應、自調整的功能。本文采用了比例因子模糊自調整的自適應方法，通過使模糊控制器的參數在控制過程中自動地調整、修改與完善來提高模糊控制器的適應能力和動靜態品質，以達到更理想的控制效果。將其應用于直流脈寬調速系統中，結果表明它能明顯改善系統性能。

1、系統的組成及其特征

傳統的雙閉環調速系統的起動過程是飽和非線性控制。當速度調節器ASR飽和及不飽和時，整個系統表現出完全不同結構的線性系統。而且實際系統中有一些小時間常數的慣性環節，例如功率變換器的滯后時間常數、電流和轉速檢測的濾波時間常數等，都存在一定的傳遞滯后。可見直流脈寬調速系統是一個非線性、參數時變、存在擾動的系統，用傳統的調節方式很難達到最佳控制效果。

圖1帶自調整模糊控制器的直流調速系統原理圖
針對電流、速度雙閉環直流脈寬調速系統，本文采用模糊邏輯控制器作為速度調節器，如圖1所示。為保持系統抗干擾能力強和快速性好的特點，電流調節器ACR采用位置型PI控制算法。系統主電路采用H 型功率放大電路。

2、量化因子和比例因子對系統性能影響的分析

常規的模糊控制器通常選取誤差和誤差變化率作為輸入量，模糊控制器的輸出經積分后作為系統的控制量，從而構成了二維模糊PI型結構的模糊控制器，如圖2所示。

圖2 二維模糊PI型控制器的結構圖
其中量化因子Ke，Kec將輸入變量從基本論域轉換成相應的模糊集的論域，比例因子Ku將經模糊控制算法給出的控制量轉換到控制對象能接受的基本論域中。經過分析和大量的仿真實驗，得出量化因子和比例因子對系統性能的影響如下：

(1) Ke對系統性能的影響

Ke越大，系統調節惰性越小，上升速率越快;Ke過大，系統上升速率過大，產生的超調過大，調節時間加長，甚至產生振蕩乃至系統不穩定;Ke過小，系統上升速率過小，調節惰性變大，同時也影響系統的穩態性能，使穩態精度降低。

(2) Kec對系統性能的影響

Kec越大，對系統狀態變化的抑制能力增大，增強了系統的穩定性;Kec過大，系統上升速率過小，系統的過渡時間加長;Kec過小，系統上升速率增可能導致系統產生過大超調或振蕩。

(3) Ku對系統性能的影響

Ku相當于系統總的放大倍數。Ku增大，系統響應速度加快;Ku過大，會導致系統上升速率過大，從而導致過大超調甚至振蕩或發散;Ku過小，系統的前向增益很小，系統上升速率較小，快速性變差，穩態精度變差。

3、輸出比例因子自調整的自適應模糊控制

本文設計了一種在線比例因子自調整模糊控制器，如圖3 所示，它是在主模糊控制器的基礎上，引入一個輔助模糊推理，在控制過程中根據誤差和誤差變化的大小及關系，產生一個控制量來實時修改比例因子Ku，從而改善控制器的控制性能。

比例因子Ku調整量α與誤差E和誤差變化EC的關系可以表示為：

α(K)=f[E(K)，EC(K)] (1)

式中f為E和EC的非線性函數，α的值完全取決于系統的瞬時狀態，而與被控對象模型無關。這種基于比例因子的自調整方法實際是一種獨立于模型的非線性的可變增益控制器。

(1) 主模糊控制器輸入輸出變量的定義

主模糊控制器以誤差E和誤差變化EC為輸入，以控制量的變化值U為輸出。

誤差、誤差變化和輸出的語言值模糊子集為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}7個狀態，模糊論域范圍都為[-1，1]。

(2) 輔助模糊控制器輸入輸出變量的定義

輔助模糊控制器以誤差E和誤差變化EC為輸入，以Ku的校正量α為輸出。修正后的比例因子:Ku＝α×Ku。

誤差、誤差變化的語言值模糊子集與主模糊控制器一樣，α的語言值模糊子集為{ZE，VS，S，SB，MB，B，VB}，它的基本論域范圍為[0，1]。輔助模糊控制器輸出量α的模糊控制規則見附表。

為保證模糊控制器的輸出響應具有較小的超調和較短的上升時間，當誤差E較大，且與誤差變化EC符號相反時，應適當減小控制器比例因子的大小。當誤差E較大，且與誤差變化EC符號相同時，系統響應正加速偏離設定值，為減小這種不利趨勢，應增大比例因子。

當系統響應在給定值附近時(此時誤差E 較小)，為防止產生較大的超調或欠調，比例因子應該具有較寬的的變化范圍。比如當系統響應剛達到設定值，但又具有迅速向上偏離的趨勢時，應抑制其變化，適當增大α以減小超調。同樣地，當系統響應剛達到設定值而欠調時，應適當減小α以減小超調。

圖3 參數自調整模糊控制器結構圖
附表 輔助模糊推理控制規則表

4、仿真研究與結論

(1) 比例因子對系統性能影響的仿真分析

直流電機的參數為:Un＝220V，In ＝15A，額定轉速＝1000min。假設給定轉速為1000r/min，圖4(a)為Ku過大時的曲線，圖4(b)為Ku過小時的曲線。仿真曲線的橫軸表示時間(s)，縱軸中的n表示轉速(r/min)，Ui*是ACR的輸入(數字量，1024對應于15A)。

圖4(a)Ku過小的仿真曲線

圖4(b)Ku過大的仿真曲線
從仿真中可以看出，Ku過小時，系統上升速率過小，系統的過渡時間加長;Ku過大時，系統上升速率增大，導致系統產生超調。

(2) 參數自調整模糊控制的控制效果

抗擾性能指標包括動態降落△Cmax％和恢復時間tv。假設在0.5s的時候，給一個電流為10A的負載。圖5(a)為傳統的PI控制，圖5(b)為參數自調整模糊控制。

圖5(a) 傳統的PI控制仿真曲線