【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。因?yàn)镻ID控制器的微分環(huán)節(jié)是響應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率EC的，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前制動(dòng)，但KD過(guò)大，則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程過(guò)分提前制動(dòng)，從而拖長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且系統(tǒng)的抗干擾性較差。、KI、KD的自整定要求根據(jù)KP、KI、KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，歸納出在一般情況下，在不同的│E│和│EC│時(shí)，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)KP、KI、KD的自整定要求為:圖52輸出響應(yīng)曲線(1)當(dāng)│E│較大，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖52輸出響應(yīng)曲線的第一階段時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并避免因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)偏差E的瞬間變大所可能引起飽和，而使控制作用超出許可范圍，因此應(yīng)取較大的KP和較小的KD，同時(shí)為了防止積分過(guò)飽和，避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，此時(shí)去掉積分作用，取KI =0。(2)當(dāng)│E│和│EC│為中等大小，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖52輸出響應(yīng)曲線的第二階段時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減少，KP、KI、KD都不能取太大，應(yīng)取較小的KI值，KP、KD值的大小要適中。以保持系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(3)當(dāng)│E│較小，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖52輸出響應(yīng)曲線的第三階段時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃驥P和KI的值，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，適當(dāng)?shù)倪x取KP值，其原則為：當(dāng)│EC│較小時(shí)，KP值取中等大??；當(dāng)│EC│較大時(shí)，KP應(yīng)取小些。確定控制器的輸入、輸出語(yǔ)言變量由模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，參數(shù)修正部分實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模糊控制器，其輸入語(yǔ)言變量為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差絕對(duì)值│E│和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對(duì)值│EC│，輸出語(yǔ)言變量為KP、KI、KD。確定各語(yǔ)言變量的論域，在其論域上定義模糊量設(shè)模糊控制器各語(yǔ)言變量論域如下：│E│：X={0；1；2}│EC│：Y={0；1；2}其中在輸入語(yǔ)言變量│E│和│EC│的論域中取語(yǔ)言值“大”(B)，“中”(M)，“小”(S)三種。其語(yǔ)言值隸屬函數(shù)曲線如圖53，54所示。[31]圖53語(yǔ)言變量誤差│E│隸屬度函數(shù)圖54語(yǔ)言變量誤差變化率│EC│隸屬度函數(shù)確定KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則有上述設(shè)計(jì)可知，用于在線自整定PID參數(shù)的模糊控制器是以誤差和誤差變化率為輸入語(yǔ)言變量，以比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)為輸出語(yǔ)言變量的雙輸入三輸出模糊控制器，其控制規(guī)則其控制規(guī)則就是對(duì)參數(shù)KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則。具體調(diào)節(jié)規(guī)則表如下[9]:表51KP調(diào)節(jié)規(guī)則表│EC│ │E│ B M S B M S M M B M B S B M B表52KI調(diào)節(jié)規(guī)則表│EC│ │E│ B M S B Z S M M Z S B S Z Z B表53KD調(diào)節(jié)規(guī)則表│EC│ │E│ B M S B S M Z M M M S S B B S模糊推理和模糊運(yùn)算模糊控制器的控制規(guī)則可以寫(xiě)成條件語(yǔ)句的形式，例如，就可以寫(xiě)成如下形式的模糊條件語(yǔ)句:(1)If│E│=B and│EC│=B then KP=M(2)If│E│=B and│EC│=M then KP=B……………….那么對(duì)于其規(guī)則的隸屬度計(jì)算為:(1)uKP1= uBE (x)∧uBEC (x)(2)uKP2= uBE (x)∧uMEC (x)……………….在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，對(duì)于一個(gè)特定的輸入量，它最多只能模糊化為兩個(gè)模糊量，即它對(duì)應(yīng)只有兩個(gè)模糊量的隸屬度不為0，其余都為0。對(duì)于速度偏差│E│和速度偏差變化率│EC│，(圖中橫坐標(biāo)的el、ee3和ecl、ecec3分別取l、3)可知，此時(shí)的輸入偏差可模糊化為:“中”和“小”兩個(gè)模糊量，隸屬度為:│uME()│=│uSE()│=同理可知偏差的變化率也只能模糊化為“中”和“小”兩個(gè)模糊量，其隸屬度為:│uMEC()│=│uSEC()│=因此對(duì)于當(dāng)前輸入的│E│和│EC│，只有以下四條是有效的:(1)If│E│=M and│EC│=S then KP=M(2)If│E│=M and│EC│=M then KP=M(3)If│E│=S and│EC│=S then KP=B(4)If│E│=S and│EC│=M then KP=B那么，對(duì)應(yīng)的隸屬度計(jì)算為:(1)uKP1= uME ()∧uSC ()(2)uKP2= uME ()∧uMC ()(3)uKP3= uSE ()∧uSC ()(4)uKP4= uSE ()∧uMC ()將隸屬度代入式中計(jì)算可得:(1)uKP1= ∧=(2)uKP2= ∧=(3)uKP3= ∧=(4)uKP4= ∧=將uKP進(jìn)行合成，得KP的模糊輸出量為: uMKP=∨=uBKP=∨=然后由反模糊化得出參數(shù)KP的精確整定值為:式中的15，25表示KP在常規(guī)條件下“中”、“大”的整定值。同理可推得KI，KD參數(shù)的精確值。由此在線求得的參數(shù)KP、KI、KD的值，即可直接輸出作為常規(guī)PID的整定值，從而實(shí)現(xiàn)模糊自整定PID參數(shù)的功能。[8]6 硬件設(shè)計(jì)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(guò)改變脈沖寬度來(lái)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(cè)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(cè)速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。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。如圖61所示為整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成，其中包括:電機(jī)控制模塊、隔離保護(hù)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、過(guò)流保護(hù)電路、串口通信電路。在以下幾節(jié)中將分別介紹各個(gè)模塊的功能以及電路構(gòu)成。圖61 系統(tǒng)硬件組成圖以AT89S52實(shí)現(xiàn)模糊控制以及與LM629的數(shù)據(jù)傳送。單片機(jī)通過(guò)LM629獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過(guò)中值濾波得到實(shí)際轉(zhuǎn)速V，之后經(jīng)模糊運(yùn)算得到的KP、KI、KD參數(shù)，再發(fā)送至LM629。運(yùn)動(dòng)處理芯片LM629性能特點(diǎn)及簡(jiǎn)介L(zhǎng)M629集成芯片是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。它是可編程全數(shù)字式控制的專用運(yùn)動(dòng)控制處理器。NMOS結(jié)構(gòu)，采用28引腳雙列直插式封裝，使用6MHz或8MHz時(shí)鐘頻率和5V電源工作。具體特點(diǎn)如下:(l)內(nèi)部有32位的位置、速度和加速度寄存器。(2)16位可編程數(shù)字控制器。(3)可編程分項(xiàng)采樣時(shí)間間隔。(4)8位分辨率的PWM輸出。(5)內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器。(6)可以進(jìn)行位置和速度控制。(7)速度、位置和數(shù)字PID控制器參數(shù)可以在控制過(guò)程中改變。(8)實(shí)時(shí)可編程中斷。(9)可對(duì)增量式光電碼盤的輸出進(jìn)行4倍頻處理和信號(hào)處理。LM629N的芯片管腳如圖62所示。管腳13與增量碼盤的輸出信號(hào)相連(IN，A，B)。管腳411數(shù)據(jù)端口D0D7。管腳1215分別是CS、RD、GND、WR。管腳16是PS，PS=1時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，PS=0時(shí)讀狀態(tài)和指令。管腳17是Hl，H1=1時(shí)申請(qǐng)中斷。管腳18，19分別是轉(zhuǎn)向(PWMS)和輸出(PWMM)。管腳2628分別是CKL、RTS、VDD。其他管腳在本系統(tǒng)中不用。圖62 LM629N芯片管腳圖由LM629構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)框圖如圖63所示。它通過(guò)I/0口與單片機(jī)通訊，輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制參數(shù)，輸出狀態(tài)和信息。其內(nèi)部有1個(gè)16位數(shù)字控制器，輸出PWM和方向控制信號(hào)(Sign)，用來(lái)控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由單片機(jī)提供。驅(qū)動(dòng)器多采用專用的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片(雙極性或單極性)。位置傳感器選用增量式光電編碼盤。[11]增量式光電編碼盤直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)PID控制器 LM629AT89S52接口指令位置位置反饋圖63 LM629構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)框圖（3）工作原理用一個(gè)增量式光電編碼盤來(lái)反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置。來(lái)自增量式光電編碼盤的位置信號(hào)A，B經(jīng)LM629四倍頻，提高分辨率。A，B邏輯狀態(tài)每變化一次， LM629內(nèi)的位置寄存器加(減)1。編碼盤的A，B，C信號(hào)同為低電平時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)Index信號(hào)送入Index寄存器，記錄電動(dòng)機(jī)的絕對(duì)位置。[21]LM629的梯形速度圖發(fā)生器用于計(jì)算所需的梯形速度分布圖。能實(shí)現(xiàn)兩種控制方式：在位置控制方式時(shí)，單片機(jī)送來(lái)加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行軌跡如圖64(a)所示。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，上述參數(shù)允許更改，產(chǎn)生如圖64(b)所示的軌跡。在速度控制方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持這個(gè)速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度存在擾動(dòng)，LM629可使其平均速度恒定不變。 圖64兩種典型的速度軌跡LM629內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字PID控制器，用來(lái)控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由單片機(jī)提供。單片機(jī)AT89S52對(duì)LM629控制該系統(tǒng)中采用的是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為微處理器。AT89S52是一款低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。在該系統(tǒng)中，89S52實(shí)現(xiàn)用戶的接口，同時(shí)完成控制器PID所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)、控制參數(shù)、控制指令的設(shè)定。在本系統(tǒng)中LM629的I/O口D0D7與單片機(jī)的P0口相連，用來(lái)從單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)和控制指令，從LM629傳送電機(jī)的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息。，作為選中LM629的地址線。，作為另一條地址線，如圖65所示。該系統(tǒng)的關(guān)鍵就是用到了LM629所集成的PID控制器，PID控制器指令有2條，用于輸入PID參數(shù)，而這三個(gè)參數(shù)便是單片機(jī)經(jīng)模糊運(yùn)算所得到的KP、KI、KD。其指令操作碼為IEH (210個(gè)字節(jié)寫(xiě)數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)的前兩個(gè)字節(jié)中，低字節(jié)的內(nèi)容如表61所示。高字節(jié)存放微分采樣時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式如表62所示。隨后是參數(shù)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)占2個(gè)字節(jié)，順序?yàn)镵P、KI、KD和積分極限。表61 低字節(jié)內(nèi)容 7 6 5 4 3 2 1 0 不用KP KI KD積分極限表62 高字節(jié)數(shù)據(jù)格式 15 14 13 12 11 10 9 8時(shí)間間隔/us 0 0 0 0 0 0 0 0 256 0 0 0 0 0 0 0 1 512 0 0 0 0 0 0 1 0 768 0 0 0 0 0 0 1 1 1024 ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1 1 1 1 1 1 1 1 65536LM629能向單片機(jī)提供電機(jī)實(shí)際位置，讀實(shí)際位置指令RDRP，操作碼為0AH，4個(gè)字節(jié)讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍:C0000000H3FFFFFFFH，所讀取的實(shí)際數(shù)據(jù)順序是高位在前。同時(shí)LM629也能向單片機(jī)提供實(shí)際轉(zhuǎn)速信息，讀實(shí)際速度指令RDRV，指令碼為OBH，但起缺點(diǎn)是只能提供速度采樣值的65535倍的整數(shù)部分，數(shù)據(jù)范圍:C000H3FFFH，可知，其所記錄速度數(shù)據(jù)的真實(shí)程度并不準(zhǔn)確。AT89S52的主要工作就是向LM629傳送運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和PID數(shù)據(jù)，并通過(guò)LM629對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。LM629則根據(jù)AT89S52發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)生成速度圖，進(jìn)行位置跟蹤，PID控制和生成PWM信號(hào)輸出。圖65主控電路圖為了防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)數(shù)字控制單元的干擾，必須在兩者之間加隔離電路來(lái)防止干擾的產(chǎn)生。避免LMD18200的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制信號(hào)的干擾，對(duì)于LMD18200的引腳3(轉(zhuǎn)向輸入)、引腳5(PWM輸入)與LM629的PWMS、PWMM引腳之間通過(guò)光電耦合器6N137連接。(l) 光電耦合器的選型LM629的PWMM腳輸出的調(diào)制信號(hào)如圖66所示，如果LM629接6MHz晶振，其最小輸出占空比（1/128）時(shí)的接通時(shí)間為:4/fCLK=4/6*106s=因此應(yīng)選擇高速光耦。而N6137的工作頻率可達(dá)到10MHZ，即它可用在開(kāi)關(guān)周期為:l/l07s= 因此光耦可選6N137。