【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)M1。高速時(shí)M1大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時(shí)M1將小于1，測(cè)速裝置便不能正常工作。在實(shí)際的測(cè)量中，時(shí)間Tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)不一定正好是整數(shù)，而且存在最大半個(gè)脈沖的誤差。如果要求測(cè)量的誤差小于規(guī)定的范圍，比如說是小于百分之一，那么M1就應(yīng)該大于50。在一定的轉(zhuǎn)速下要增大檢測(cè)脈沖數(shù)M1以減小誤差，可以增大檢測(cè)時(shí)間Tc單考慮到實(shí)際的應(yīng)用檢測(cè)時(shí)間很短，例如伺服系統(tǒng)中的測(cè)量速度用于反饋控制。由此可見，減小測(cè)量誤差的方法是采用高線數(shù)的光電編碼器。所以M法測(cè)速只適用于高速段。TcYTc圖310 M法測(cè)速原理（2）T法測(cè)速在編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為f0的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱為T法測(cè)速。在這里，測(cè)速時(shí)間緣于編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在T法測(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間Tt是用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2計(jì)算出來的，即Tt=M2/f0，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為高速時(shí)M2小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以T法測(cè)速適用于低速段。（3）M/T法測(cè)速把M法和T法結(jié)合起來，既檢測(cè)Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，用來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的頻率為f0，則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間Tt=M2/f0，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為采用M/T法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減少誤差，只有等到編碼器輸出脈沖前沿到達(dá)時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器才同時(shí)允許開始或者停止計(jì)數(shù)。由于M/T法的計(jì)數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速，最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。因此，M/T法測(cè)速能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。在此次設(shè)計(jì)中，考慮到簡(jiǎn)便實(shí)用，我們使用的是M法測(cè)速。在本次設(shè)計(jì)中，光電二極管作為光電傳感器件，是產(chǎn)生測(cè)速電信號(hào)的主要器件，紅外發(fā)射頭作為發(fā)光器件。光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但是，在電路中不是用它作整流元件，而是通過它把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。普通二極管在反向電壓作用在處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。光電二極管檢測(cè)：首先根據(jù)外殼上的標(biāo)記判斷其極，外殼標(biāo)有色點(diǎn)的管腳或靠近管鍵的管腳為正極，另一管腳為負(fù)載。如無標(biāo)記可用一塊黑布遮住其接收光線信號(hào)的窗口，將萬用表置R*1 K擋測(cè)出正極和負(fù)極，同時(shí)測(cè)得其正向電阻應(yīng)在10K~20K間，其反向電阻應(yīng)為無窮大，表針不動(dòng)。然后去掉遮光黑布，光電二極管接收窗口對(duì)著光源，此時(shí)萬用表表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大小說明其靈敏度高低，偏轉(zhuǎn)角度越大，靈敏度越高。紅外發(fā)射頭由紅外線發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用于信號(hào)的發(fā)射和檢測(cè)方面。圖311 紅外發(fā)射和接收示意圖在此次設(shè)計(jì)中，紅外發(fā)射頭和光電二極管的應(yīng)用如圖311所示，當(dāng)光電二極管接收到紅外線時(shí)，光電二極管導(dǎo)通；當(dāng)紅外線被遮擋，光電二極管不能接收到紅外線時(shí)，光電二極管不導(dǎo)通。LM393是雙電壓比較器集成電路。該電路的特點(diǎn)如下： 工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源：177。1～177。18V；消耗電流小，Icc=；輸入失調(diào)電壓小，VIO=177。2mV；共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門；采用雙列直插8 腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8 腳塑料封裝（SOP8）圖312 LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖LM393是高增益，寬頻帶器件，像大多數(shù)比較器一樣，如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合，則很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當(dāng)比較器改變狀態(tài)時(shí)，輸出電壓過渡的間隙。電源加旁路濾波并不能解決這個(gè)問題，標(biāo)準(zhǔn)PC板的設(shè)計(jì)對(duì)減小輸入—輸出寄生電容耦合是有助的，減小輸入電阻至小于10K將減小反饋信號(hào)，而且增加甚至很小的正反饋量(~10mV)能導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換，使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩。除非利用滯后，否則直接插入IC并在引腳上加上電阻將引起輸入—輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩，如果輸入信號(hào)是脈沖波形，并且上升和下降時(shí)間相當(dāng)快，則滯回將不需要。比較器的所有沒有用的引腳必須接地。LM393偏置網(wǎng)絡(luò)確立了其靜態(tài)電流與電源電壓范圍 ~30V無關(guān)。通常電源不需要加旁路電容。差分輸入電壓可以大于Vcc并不損壞器件。在此次設(shè)計(jì)中，LM393作用為組成一個(gè)基本比較器電路。其原理如圖313所示：3KVo393++5VVinVref圖313基本比較器電路圖314 測(cè)速電路 綜合以上內(nèi)容，我們?cè)O(shè)計(jì)出測(cè)速模塊如上圖314所示，當(dāng)紅外發(fā)射頭的紅外線被光電二極管接收到的時(shí)候，光電二極管導(dǎo)通，IN的電位變0，通過LM393的比較，輸出低電平。光電二極管被遮擋而沒有接收到紅外時(shí)，光電二極管截止，IN的電位大于IN+，輸出為高電平。通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)，便能夠進(jìn)行直流電機(jī)的測(cè)速。其中LM393的5，6為輸入口，7為輸出口。4 軟件部分 九點(diǎn)控制器控制原理與控制策略眾所周知，智能控制器是采用模擬人類的邏輯思維方式去控制對(duì)象。我們根據(jù)偏差和偏差變化的九種情況，構(gòu)成在設(shè)定值附近時(shí)隨系統(tǒng)輸出變化的五種控制規(guī)則，組成基本型邏輯控制器?；具壿嬓涂刂破鞯南到y(tǒng)組成如圖41所示?？刂破骺刂茖?duì)象輸出量測(cè)量元件e——+設(shè)定值圖41 控制器的系統(tǒng)組成控制器采用邏輯控制方法，其控制策略來源如下：我們先對(duì)若干概念予以規(guī)定：設(shè)定值=系統(tǒng)運(yùn)行的期望值；偏差(e)=設(shè)定值本次采樣值；偏差變化(de)=（本次偏差上次偏差）/采樣時(shí)間；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在設(shè)定值附近有九種工作狀況可能出現(xiàn)，如圖42所示?？刂破鳛榱吮ＷC系統(tǒng)的輸出值與設(shè)定值一致，控制器根據(jù)系統(tǒng)輸出九種變化情況，采用邏輯法則以達(dá)到有效控制的目的?？刂破鞲鶕?jù)“偏差為正則輸出增大，偏差為零則輸出保持，偏差為負(fù)則輸出減小”的基本原則，所應(yīng)采取的控制策略如下：（1）“偏差為負(fù)且偏差變化為負(fù)”，即IL方向，其系統(tǒng)輸出在負(fù)偏差區(qū)，并有背離設(shè)定值的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“多減”的指令，以便回復(fù)至設(shè)定值。（2）“偏差為負(fù)且偏差變化為0”，即IK方向，其系統(tǒng)輸出在負(fù)偏差區(qū)，無向設(shè)定值靠攏或背離的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“稍減”的指令，以便回復(fù)至設(shè)定值。0eACBDFGHEtJKLI圖42 系統(tǒng)九種可能的工作狀況（3）“偏差為負(fù)且偏差變化為正”，即IJ方向，其系統(tǒng)輸出在負(fù)偏差區(qū)，有向設(shè)定值靠攏的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“不變”的指令，以便回復(fù)至設(shè)定值。（4）“偏差為0且偏差變化為負(fù)”，即EH方向，雖系統(tǒng)輸出在設(shè)定值范圍之內(nèi)，但將有正向偏離設(shè)定值的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“稍減”的指令，以便回復(fù)至設(shè)定值。（5）“偏差為0且偏差變化為0”，即EG方向，其系統(tǒng)輸出工況表明系統(tǒng)運(yùn)行的輸出值等于設(shè)定值，且沒有背離設(shè)定值的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“保持不變”的指令，以便依然停留在設(shè)定值。（6）“偏差為0且偏差變化為正”，即EF方向，雖系統(tǒng)輸出在目標(biāo)范圍內(nèi)，但有負(fù)向偏離設(shè)定值的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“稍加”的指令，以便系統(tǒng)輸出值仍保留在設(shè)定值范圍內(nèi)。（7）“偏差為正且偏差變化為負(fù)”，即AD方向，系統(tǒng)輸出值小于設(shè)定值，但有向設(shè)定值靠攏的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“保持不變”的指令，以便回復(fù)至設(shè)定值。（8）“偏差為正且偏差變化為0”，即AC方向，系統(tǒng)輸出值略小于設(shè)定值，并有保持此正偏差的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“稍加”的指令，以便回復(fù)至設(shè)定值。（9）“偏差為正且偏差變化為正”，即AB方向，系統(tǒng)輸出值小于設(shè)定值，并有負(fù)向偏離設(shè)定值的趨勢(shì)，控制器則應(yīng)給出“多加”的指令，以便回復(fù)至設(shè)定值。我們從偏差變化的曲線上也可以發(fā)現(xiàn)這些變化趨勢(shì)，見圖43。所以上述九條語句陳述了在設(shè)定值附近時(shí)系統(tǒng)行為變化的基本邏輯控制法則：保持控制系統(tǒng)輸出在設(shè)定值附近需要一定的調(diào)節(jié)方法，而這就是邏輯控制規(guī)則的最基本的來源。零帶e圖43 偏差變化規(guī)律根據(jù)以上描述，控制規(guī)則可列于表41表41 控制規(guī)則 偏差變化偏差負(fù)零正負(fù)多減稍減不變零稍減不變稍加正不變稍加多加表41所反映的是在設(shè)定值附近系統(tǒng)行為九種可能變化的邏輯控制法則，稱為邏輯控制的基本型，按該規(guī)則進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為基本型邏輯控制器或基本型邏輯控制系統(tǒng)?；拘瓦壿嬁刂破魇蔷劈c(diǎn)控制器的雛型，經(jīng)過改進(jìn)和完善其控制規(guī)則，便產(chǎn)生了九點(diǎn)控制器?；拘瓦壿嬁刂破魇蔷劈c(diǎn)控制器的基礎(chǔ)，九點(diǎn)控制器的控制策略也是從基本型邏輯控制器那里繼承和發(fā)展起來的。九點(diǎn)控制器是一種智能控制器，它不是根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型而是根據(jù)控制行為（偏差和偏差變化率）來調(diào)整控制器的輸出。九點(diǎn)控制器與其平面的角度來分析一下它的控制策略。九點(diǎn)控制器被控對(duì)象輸出量c測(cè)量元件e——+設(shè)定值r圖44 九點(diǎn)控制器的系統(tǒng)組成九點(diǎn)控制器是依據(jù)偏差和偏差變化率來調(diào)整控制器的輸出。其系統(tǒng)組成如圖44所示，我們首先對(duì)一些概念進(jìn)行規(guī)定：系統(tǒng)的設(shè)定值r，輸出量c，控制器的輸出為Uc；偏差e = rc。偏差變化率232。=(eiei1)/T，其中T為采樣周期，i及i1分別為本次采樣時(shí)刻和上次采樣時(shí)刻；偏差變化零帶為177。e0，偏差變化率零帶為177。232。0。我們知道系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，偏差(e)和偏差變化率(232。)各自有三種可能的變化情況e0，e=0，e0；232。0，232。=0，232。0。這樣e和232。的組合變化情況就有九種。我們可以用相平面圖來對(duì)這九種組合狀態(tài)進(jìn)行描述，如圖45所示。在e和232。組成的相平面上有四條虛線：Ll，L2，L3，L4。Ll和L2所夾的區(qū)域構(gòu)成期望偏差變化率232。的零帶，L3和L4所夾的區(qū)域構(gòu)成期望偏差e的零帶。這四條線將整個(gè)相平面分成九個(gè)區(qū)域：I，II，…，IX。這九個(gè)區(qū)域正好與系統(tǒng)運(yùn)行的可能的九種工況相對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)不同的區(qū)域，要采用不同的控制策略，在相應(yīng)的工況區(qū)，控制器的輸出Uc=Ki*e，其中，Ki(1，2，…，9) 。IXIVVII0IIIVIIVIVL4L3IIIL1eL2圖45 e和232。 組成的相平面Ki為控制器的控制參數(shù)，Kl，K2，…，K9分別與I，II，…，IX區(qū)相對(duì)應(yīng)，控制策略分析如下： (1)對(duì)于I區(qū)，ee0，232。232。0，Uc=K1e，表示系統(tǒng)的輸出值小于設(shè)定值，并有繼續(xù)偏小的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)發(fā)出強(qiáng)加(++++)的指令。(2)對(duì)于II區(qū)，ee0，|232。|≤232。0，Uc=K2e，表示系統(tǒng)的輸出值小于設(shè)定值，沒有繼續(xù)變化的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)發(fā)出稍加(+++)的指令。(3)對(duì)于III區(qū)，ee0，232。232。0，Uc=K3e，表示系統(tǒng)的輸出值小于設(shè)定值，但有向設(shè)定值靠攏的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)發(fā)出弱加(++)的指令。(4)對(duì)于IV區(qū)，|e|≤e0，232。232。0，Uc=K4e，表示系統(tǒng)的輸出值等于設(shè)定值，但有負(fù)向偏離設(shè)定值的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)給出微加(+)的指令。(5)對(duì)于V區(qū)，ee0，232。232。0，Uc=K5e，表示系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值，并有繼續(xù)偏大的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)發(fā)出強(qiáng)減()的指令。(6)對(duì)于VI區(qū)，ee0，|232。|≤232。0，Uc=K6e，表示系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值，沒有繼續(xù)變化的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)發(fā)出稍減()的指令。(7)對(duì)于VII區(qū)，ee0，232。232。0，Uc=K7e，表示系統(tǒng)的輸出值大于設(shè)定值，但有向設(shè)定值靠攏的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)發(fā)出弱減()的指令。(8)對(duì)于VIII區(qū)，|e|≤e0，232。232。0，Uc=K8e，表示系統(tǒng)的輸出值等于設(shè)定值，但有正向偏離設(shè)定值的趨勢(shì)，這時(shí)控制器應(yīng)發(fā)出微減()的指令。(9)對(duì)于IX區(qū)， |e|≤e0，|232。|≤232。0，Uc=K9e，表示系統(tǒng)的輸出值等于設(shè)定值，且沒有變化的趨勢(shì)，這時(shí)控制器處于期望的零帶?？刂破鲬?yīng)發(fā)出保持(0)的指令。上述控制策略中，“+”號(hào)表示控制作用力加強(qiáng)，“”號(hào)表示控制作用力減弱，符號(hào)的個(gè)數(shù)表示加強(qiáng)或減弱的程度。一般情況下， K1≥ K2≥ K3≥ K4，K5 ≥K6≥ K7 ≥K8。為了使控制器的九個(gè)參數(shù)具有比較直觀的意義KK…、K9分別用K4+ 、K3+ 、K2+、 K1+、KKKK1和K0來表示，這樣從字面上就知道參數(shù)所具有的意義，腳標(biāo)的數(shù)字表示作用力的大小，腳標(biāo)的“+”號(hào)表示控制作用力加強(qiáng)，“”號(hào)表示控制作用力減弱，比方說K4+所表示的意義就是控制器的作用力要強(qiáng)加(++++)。上述九條語句陳述了在設(shè)定值附近時(shí)系統(tǒng)行為變化的九點(diǎn)控制法則，即九點(diǎn)控制器的控制規(guī)則?？捎孟铝锌刂埔?guī)則表42來進(jìn)行表示。表42 九點(diǎn)控制器九態(tài)輸出表 232。e232。232。0|232。|≤232。0232。232。0ee0|e|≤e00+ee0+++++++++表42反映的是九點(diǎn)控制器的九態(tài)輸出的常用形式，稱為九點(diǎn)控制器的常用型，能夠反映九點(diǎn)控制器的本質(zhì)。九點(diǎn)控制器與傳統(tǒng)模糊控制器的差別在于：九點(diǎn)控制器屬于邏輯控制，模糊控制是按照LA Zadeh提出的Fuzzy集合理論和運(yùn)算進(jìn)行的，邏輯控制是按照泛布爾代數(shù)公理體系進(jìn)行的，F(xiàn)uzzy