【正文】 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案畢業(yè)論文目 錄摘要………………………………………………………………………….IAbstract……………………………………………………………………...II引言………………………………………………………….……..……….1 1 直流電機(jī)的運(yùn)行原理…………………….……………………….3 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)......................................................................................3 直流電機(jī)的基本工作原理……………………….…………………..3 直流電機(jī)的調(diào)速原理………………………….……………………..4 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型……………………….………………………..52 模糊控制的基本原理…………………………………………...7 模糊控制的起源…………………………………………….…………7 模糊控制的發(fā)展和現(xiàn)狀…………………………………….…………9 模糊控制的重要概念……………………….………………………..10 模糊集合及隸屬函數(shù)……………………………….……………..10 模糊關(guān)系及模糊推理…………………………….………………..103 直流電機(jī)模糊控制器的設(shè)計(jì)……………………….…………...11 參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)…………………….….……….1KI、KD的自整定要求………………………….13…………….….… 1輸出語言變量………………….…………..14，在其論域上定義模糊量…….………..1KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則……………………….……………..15…………………………….………………..154 硬件設(shè)計(jì)………………………………………………………...…17……………………………………………….…18……………………………………………………...18………………………...18………………………………….21……………………………………………………...24……………………………………………………….26……………………………………………………...29……………………………………………………...30………………………………………………………….30……………………………………………………….…31…………………………………………………………...315 軟件設(shè)計(jì)……………………………….………………..32 PC系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)及串口通信……………………………………..32 系統(tǒng)界面及功能…………………………………………………32　PC串口通信………………………………………………….…33…………………………………………...34…………………………………………………………...35 中斷程序…………………………………………………………36…………………………..…………...37 誤差│E│及誤差變化率│EC│的輸入確立……………….…38 隸屬度函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)…………………………………………..38 模糊推理及判決程序?qū)崿F(xiàn)……………………………………..386 系統(tǒng)仿真…………………………………………….….407 總結(jié)和展望……………………………….…………….43……………………………………………….………...43……………………………………….………………….44參考文獻(xiàn)………………………………………………………….……47附 錄………………………………………………………………….49引 言電動(dòng)機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料顯示，在所有動(dòng)力資源中，百分之九十以上來自電動(dòng)機(jī)。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動(dòng)機(jī)的。電動(dòng)機(jī)與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡單控制應(yīng)用比較多。簡單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。還有一類控制叫復(fù)雜控制，是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流，功率等物理量進(jìn)行控制。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置，隨著對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。對(duì)可調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動(dòng)性能以及在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速，過載能力達(dá)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，因此，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，所以在要求高的起、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)和寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣轉(zhuǎn)動(dòng)中，如軋鋼，礦山采掘，海洋鉆探，金屬加工，紡織等場合，仍廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)可控制額定電壓為1255V。針對(duì)本系統(tǒng)所用的是直流電機(jī)，可使得調(diào)速范圍為8300轉(zhuǎn)/分鐘，速度精度在1%以內(nèi)，位置精度在0. 1%以內(nèi)。本設(shè)計(jì)所針對(duì)實(shí)際對(duì)象為額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘，以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、停機(jī)以及電機(jī)在可調(diào)范圍內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 改變電樞電壓主要有三種方式:旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（PWM）變換器(或稱直流斬波器)。(l)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱WardLeonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。GM系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便。(2)20世紀(jì)50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的WardLeonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角α。進(jìn)而改變整流電壓Ud的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。VM在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。(3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實(shí)現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時(shí)間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DCDC變換器。絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。生產(chǎn)實(shí)際中要求生產(chǎn)機(jī)械在不同情況下以不同速度工作，這就需要對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行快速精確的調(diào)節(jié)。目前，PWM控制方式作為可調(diào)電源取代笨重的電動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器的控制方式具有許多優(yōu)點(diǎn)。其原理是通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速/電流檢測與反饋環(huán)節(jié)組成，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。所以本課題選用第三種調(diào)速方式即脈寬調(diào)制。881 直流電機(jī)的運(yùn)行原理其中，固定部分有磁鐵，這里稱為主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。(其中2個(gè)小圓圈是為了方便的表示該位置上的導(dǎo)體電勢或電流的方向而設(shè)置的)上圖表示一臺(tái)最簡單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。 直流電機(jī)的基本工作原理，如果去掉原動(dòng)機(jī)，并給兩個(gè)電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷 B 流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 實(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。眾所周知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為: (1 1)式中:U電樞端電壓I電樞電流R電樞電路總電阻Φ每極磁通量K與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)由上式可知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種:(1)調(diào)節(jié)電樞電壓U。改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)。(2)改變電機(jī)主磁通中只能減弱磁通，使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級(jí)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小。(3)改變電樞電路電阻R在電動(dòng)機(jī)電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級(jí)調(diào)速，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低。改變電樞電路電阻的方法缺點(diǎn)很多，目前很少采用:弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用。因此，自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)所采用的方法。改變電樞電壓主要有三種方式:旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（PWM）變換器(或稱直流斬波器)。(l)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱WardLeonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。GM系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便。(2)20世紀(jì)50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的WardLeonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角α。進(jìn)而改變整流電壓Ud的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。VM在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。(3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實(shí)現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時(shí)間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DCDC變換器。絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如下圖所示。電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為: (1 2) (1 3)式中 Ua 電源電壓。Ia電樞電流 。Ra電樞電阻(包括電刷、換向器以及兩者之間的電阻)。La電樞電感。Ea電樞反電動(dòng)勢。J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。Ω轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。Te電磁轉(zhuǎn)距。Tl負(fù)載轉(zhuǎn)距。KD轉(zhuǎn)動(dòng)部分的阻尼系數(shù).永磁直流電動(dòng)機(jī)的電樞反電動(dòng)勢可表示為:Ea=Ke*Ω (1 4)式中Ke反電動(dòng)勢常數(shù).電磁轉(zhuǎn)矩為:Te=KT *Ia (1 5)式中KT磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。動(dòng)態(tài)工作特性是指實(shí)際的動(dòng)作與相應(yīng)的動(dòng)作命令之間的響應(yīng)關(guān)系。將式 (12)、式(13)、式(14)和式(15)作拉氏變換，得到如下函數(shù):Ua(s )=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)JSΩ(s)=Te(s)一Tl(s)一KDSΩ(s)Ea(s)= KeΩ(s)Te(s)=KTIa(s)上面的式子可以用下面的方框圖表示。 2 模糊控制的基本原理“模糊”一詞的英語名稱是“Fuzzy”，從文字上理解，包含了“含糊”、“不確定”、“不清楚”等概念，人們在生產(chǎn)中碰到的很多事情，包括人腦的思維，具有模糊性的特點(diǎn)，所謂“模糊性”，只要是指客觀事物彼此之間的差異在中過渡的“不分明性”。例如:冷和熱，或很冷、冷、暖和、熱和很熱，大、中、小，長和短等等，都很難用精確的數(shù)學(xué)語言劃分出一條截然分明的界限。而經(jīng)典數(shù)學(xué)只能確切地描述事物，難以描述人們在日常生活中遇到的大量模糊現(xiàn)象和概念。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，迫切要求能描述和處理這些模糊現(xiàn)象和概念。人們在經(jīng)典數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)它進(jìn)行改造和擴(kuò)充，產(chǎn)生了模糊數(shù)學(xué)。，是描述處理人類語言所特有的模糊信息理論。主要包括模糊集合及其隸屬函數(shù)，模糊算子和模糊關(guān)系。Zadeh教授首次提出了表達(dá)事物模糊性的重要概念—隸屬函數(shù)，從而突破了19世紀(jì)末期德國數(shù)學(xué)家Cantor創(chuàng)立的經(jīng)典集合理論的局限性。借助于隸屬函數(shù)可以表達(dá)一個(gè)模糊概念從“完全不屬于”到“完全屬于”的過渡，才能對(duì)有的模糊概念進(jìn)行定量表示。隸屬函數(shù)的提出奠定了模糊理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。這樣，像“冷”和“熱”這些常規(guī)經(jīng)典集合中無法解決的模糊概念就可以在模糊集合得到有效的表達(dá)，為計(jì)算機(jī)處理這種語言信息提供了一種可行的方法。1974年，并取得了比傳統(tǒng)