【正文】 針對(duì)常規(guī)PID控制容易出現(xiàn)的一些問題，我們想到了模糊控制。通過對(duì)單片機(jī)定時(shí)器初始值的不同設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)占空比PWM輸出控制。如圖513所示：圖513 輔助電源電路第6章 PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。(5)當(dāng)按鍵S5被按下時(shí)，表示電機(jī)減速運(yùn)行，所按的次數(shù)越多，速度減得越快。為了平衡反饋信號(hào)的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。一般采用的負(fù)偏壓是5V，可以采用8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號(hào)被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這時(shí)電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。STC89C52編程前，要設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)，編程方法如下：在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)。第5章 PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制器、接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)電路、三相整流電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、鍵盤顯示電路和直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。在系統(tǒng)加入干擾后，恢復(fù)的速度也很快，說明系統(tǒng)的抗干擾能力也很強(qiáng)。然后設(shè)定仿真參數(shù)，仿真時(shí)間1s。表41 △Kp 的模糊規(guī)則表e△KpecNBNMNSZ0PSPMPBNBPBPBPMPMPSZ0Z0NMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZ0PMPMZSZ0NSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZ0ZONMNMNBNB表42 △Ki 的模糊規(guī)則表△KieceNBNMNSZ0PSPMPBNBNBNBNMNMNSZ0Z0NMNBNBNMNSNSZ0Z0NSNMNMNSNSZ0PSPSZ0NMNMNSZ0PSPMPMPSNMNSZ0PSPSPMPBPMZ0Z0PSPSPMPBPBPBZ0Z0PSPMPMPBPB 表43 △Kd 的模糊規(guī)則表△KdeceNBNMNSZ0PSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZ0NSZONSNSNMNSNSZ0Z0Z0NSNSNSNSNSZ0PSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB合并以上三表可以得出下面49條模糊控制規(guī)則：（E is NB）and（EC is NB）then（Kp is PB）（Ki is PB）（Kd is PB）（E is NB）and（EC is NM）then（Kp is PB）（Ki is PB）（Kd is PB）（E is NB）and（EC is NS）then（Kp is PB）（Ki is PB）（Kd is PB）（E is PB）and（EC is PB）then（Kp is PB）（Ki is PB）（Kd is PB）根據(jù)模糊規(guī)則表[18]，可以對(duì) Kp、Ki、Kd 進(jìn)行動(dòng)態(tài)整定，設(shè)Kp’、Ki’、Kd’ 為采用常規(guī)整定方法得到的 Kp、 Ki、 Kd 的預(yù)整定值，選擇適當(dāng)?shù)哪：腿ツ：椒?，則模糊 PID參數(shù)：Kp = Kp’+ △Kp 　、　Ki = Ki’ + △Ki 、 Kd = Kd’ + △Kd在MATLAB命令窗口運(yùn)行Fuzzy函數(shù)，進(jìn)入模糊邏輯編輯器，并建立一個(gè)新的FIS文件，選擇控制器類型Mamdani型，根據(jù)上面的分析分別輸入E、Ec、△Kp、△Kd、△Ki的隸屬函數(shù)和量化區(qū)間，可得隸屬函數(shù)圖形。其作用主要是能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)。在模糊邏輯工具箱的隸屬度函數(shù)編輯器中，選擇輸入量E，EC隸屬函數(shù)為高斯型（gaussmf），輸出△Kp、△Ki、△Kd的隸屬函數(shù)為三角形（trimf）。V1VmU1Un圖47 多變量模糊控制器要直接設(shè)計(jì)一個(gè)多變量模糊控制器是相當(dāng)困難的，可利用模糊控制器本身的解耦特點(diǎn)，通過模糊關(guān)系方程分解，在控制器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦，即將一個(gè)多輸入—多輸出的模糊控制器，分解成若干個(gè)多輸入—單輸出的模糊控制器，這樣可采用單變量模糊控制器方法設(shè)計(jì)[15]。由于這類模糊控制器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因此除非對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場(chǎng)合，一般較少選用三維模糊控制器。 模糊控制器的類型確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)輸入變量和輸出變量的個(gè)數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如ifthen、else、also、end、or等，關(guān)系詞必須經(jīng)過“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。模糊控制器的組成框圖如圖42所示。模糊控制的基本原理框圖如圖41所示。 小結(jié)通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行的設(shè)計(jì)，選擇了調(diào)節(jié)器的類型，給出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并進(jìn)行了仿真和分析。 圖36 PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型圖37 PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型仿真結(jié)果我們知道設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此，在分析其動(dòng)態(tài)性能時(shí)，首先要探討起動(dòng)過程：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流在起動(dòng)過程中經(jīng)歷電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)這三個(gè)階段，概括起來有三點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR從起動(dòng)到穩(wěn)速運(yùn)行經(jīng)歷了兩個(gè)狀態(tài)，即飽和限幅輸出和線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。由圖25可見，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR應(yīng)采用PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 WASR（S）=Kn (315)讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉對(duì)象的較大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇 (316)這樣，調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Wn（S）= (317)其中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN= (318)按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法 (319)KN= (320)選擇中頻寬h=5，由（18）～（20）式得ASR的時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)Kn：== (321) Kn=== (322)由此可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為WASR（S）= (323)由于沒有考慮反電動(dòng)勢(shì)及負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)的影響，也沒有考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在施加給定后很快就會(huì)飽和這個(gè)非線性，需對(duì)（323）式的=，才能使雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能較好。這樣在設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)，可暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)的反饋?zhàn)饔?，再把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)等效移到環(huán)內(nèi)，得到忽略反電動(dòng)勢(shì)影響的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)圖33。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。對(duì)于PID控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，其核心問題之一就是參數(shù)的整定。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的[8]。+++MTG++RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMTGUPEM圖24 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中，ASR：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR—電流調(diào)節(jié)器；TG—測(cè)速發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的作用分析轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用： （1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它是轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PID調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，即分別是引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。改變電機(jī)主磁通：這種方法只能減弱磁通，使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，雖然能實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，但是調(diào)速范圍小。代入式(31)和式(32)，并參考式(33)和(34)，整理后可以得到： (25) (26)其中為負(fù)載電流(A),且。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：(1)根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程。用模糊控制能夠容忍干擾和元件的變化，使系統(tǒng)的適應(yīng)性更好[3]。(6)模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，而模糊控制器均以計(jì)算機(jī)為主體，因此它兼有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，如具有數(shù)學(xué)控制的精確性與軟件不錯(cuò)的柔軟性。目前，以中國(guó)、日本、歐美為代表的各國(guó)科技人員正就以下各個(gè)方面開展深入的研究:模糊理論基礎(chǔ)研究、模糊計(jì)算機(jī)方面的研究、機(jī)器智能化研究、人工工程的研究、人類系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)的研究及自然系統(tǒng)的研究。最早應(yīng)用模糊控制的是馬莉皇后學(xué)院的Mamdani教授，1974年，揭開了模糊理論在控制領(lǐng)域的新篇章。 直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢(shì)從上面直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程可以看出，直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：(1)提高調(diào)速系統(tǒng)的單機(jī)容量。20世紀(jì)30年代末，研究發(fā)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能。 模糊控制是一種典型的以人類思維的控制方案為基礎(chǔ)，基于規(guī)則的智能控制方法，廣泛地應(yīng)用于自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的許多領(lǐng)域，其最大的特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語言控制規(guī)則，并用這些控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣模糊控制器可以不依賴于被控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，特別適宜對(duì)具有多輸入——多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)的時(shí)變性和嚴(yán)重的非線性與不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，且控制方法簡(jiǎn)單，對(duì)被控制對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。首先對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)PID控制，電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器都采用了PI控制器，并分別對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析。傳統(tǒng)的PID控制過分的依賴于控制對(duì)象的模型參數(shù)，同時(shí)傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法也是在獲得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上按照某種整定原則來進(jìn)行PID參數(shù)整定的。直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、維修也較麻煩，但是由于它具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動(dòng)性能，以及宜于在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，所以在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。模糊控制最大的特點(diǎn)是將專家的控制經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)變成語言控制規(guī)則，然后去控制系統(tǒng)。模糊理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是緊密相關(guān)的。(3)容易被人們所接受，因?yàn)槟：刂频暮诵氖悄：刂埔?guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表示的，這些規(guī)則很容易被一般人接受和理解。(4)自學(xué)習(xí)模糊控制策略和智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)。采用這種控制方法，比傳統(tǒng)控制方法控制性能好、響應(yīng)快，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，更強(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)的輸入量為電機(jī)電樞電壓，控制系統(tǒng)的輸入量為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，假設(shè)主電路電流連續(xù)，可以得到電樞回路的動(dòng)態(tài)電壓方程： (21)式中，：電動(dòng)機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)；：電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻；：電動(dòng)機(jī)電樞回路電感；：電動(dòng)機(jī)電樞回路電流。已知直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為，直流電動(dòng)機(jī)：U=220V，I=55A，n=1500r/min，Ce=，允許過載倍數(shù)=，晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=60，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=，電樞回路總電阻R=，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=，電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=，電流反饋系數(shù)=（8V/），轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=（5V/n）。達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，這種方法調(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。 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PID調(diào)節(jié)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PID調(diào)節(jié)器。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。 常規(guī)PID控制器的原理常規(guī)PID控制器是指將偏差的比例、積分和微分通過