【導讀】本文以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎，對最常用的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設計方法進行了詳細的推導，并使用Matlab/Simulink軟件對直流調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真研究。首先對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行常規(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，并分別對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)性能和抗擾動性能進行了仿真分析。在模糊PID控制中，不需要建立精確的數(shù)學模型，它是一種語言變量控制器，其控制規(guī)則只用語言變量的形式定性的表達，構(gòu)成被控對象的模糊模型?？刂菩Ч麅?yōu)于傳統(tǒng)PID控制器,這種混合系統(tǒng)把PID控制的簡便性與Fuzzy控制的靈活性以及魯棒性融為一體,發(fā)揮了傳統(tǒng)控制與Fuzzy控制的各自長處，具有較強的實際意義。

　　

【正文】 式輸入模糊控制規(guī)則，與方式（And method）為min；或方式（Or method）為max；推理（Implication）為min；合成（Aggregation）為max；去模糊（Defuzzidication）為最大隸屬度的平均值（mom）。這樣就建立了一個FIS文件，取名為fuzzy 。如圖4圖41圖41圖413所示。然后在fis文件里To Wrokspace，再在建立的模型中的Fuzzy Logic Controller中輸入fis的文件名，就完成了與模型的連接。圖410 隸屬度函數(shù)選擇 圖411 控制器類型選擇圖412 模糊控制規(guī)則的確定 圖413 ΔKi在論域上的輸出曲面 基于MATLAB的系統(tǒng)仿真據(jù)前述計算的參數(shù)和模糊控制器的設計結(jié)果，用Matlab的Simulink對系統(tǒng)進行仿真。仿真過程為：首先在Simulink中建立仿真模型，如圖414所示。然后設定仿真參數(shù)，仿真時間1s。圖414 模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)運行后，可以利用示波器觀察輸出的情況。仿真時間1s。響應的相應結(jié)果圖如圖415所示。圖415 模糊PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果 仿真結(jié)果及其分析 模糊PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖415可得到的系統(tǒng)動態(tài)性能指標如下：跟隨性能指標：，1536r/min，超調(diào)量=%。抗擾性能指標：動態(tài)降落78，%。仿真結(jié)果表明，采用此模糊PID控制，系統(tǒng)的起動過程和常規(guī)PID控制一樣，但是系統(tǒng)具有了良好的動態(tài)指標。它響應快，幾乎無超調(diào)，上升時間少；良好的穩(wěn)態(tài)指標，無震蕩，無穩(wěn)態(tài)誤差。在系統(tǒng)加入干擾后，恢復的速度也很快，說明系統(tǒng)的抗干擾能力也很強。模糊控制更適應于缺乏精確數(shù)學模型的被控對象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不很清楚或難以獲得，只要求掌握操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗及知識，可以離線地找到一組合適的參數(shù)kp、ki、kd，使系統(tǒng)基本接近最佳工況[19]。 兩種控制器控制效果的比較 表44調(diào)速效果比較性能指標控制方法NB常規(guī)PID模糊PID超調(diào)量%%上升時間tr峰值時間tp調(diào)節(jié)時間ts從表44看以看出，模糊PID控制與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相比，采用模糊PID 控制，有以下優(yōu)點：（1）系統(tǒng)的精度大大提高了，同時還具有較好的動、靜態(tài)性能。（2）在設計模糊PID控制的系統(tǒng)模型時，不用像傳統(tǒng)的PID模型那樣，去精確計算數(shù)學模型的被控對象，系統(tǒng)模型是用傳遞函數(shù)來描述的。而模糊控制器它是一種語言變量控制器，其控制規(guī)則只用語言變量的形式定性的表達，構(gòu)成了被控對象的模糊模型。只要求掌握操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗及知識，可以離線地找到一組合適的PID參數(shù)，使系統(tǒng)基本接近最佳工況。（3）模糊PID控制器能根據(jù)工況變化過程中偏差和偏差變化率自動進行PID參數(shù)調(diào)整，因而具有較好的自適應能力和魯棒性。從本質(zhì)上說，這類模糊控制器可看作是一種復合PID控制器，或者變參數(shù)的PID控制器。第5章 PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計本系統(tǒng)主要由單片機控制器、接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)電路、三相整流電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、鍵盤顯示電路和直流電動機構(gòu)成。系統(tǒng)由鍵盤輸入給定轉(zhuǎn)速，給定值與接口電路和直流電動機構(gòu)成。系統(tǒng)由鍵盤輸入給定轉(zhuǎn)速，給定值與接口電路接受的轉(zhuǎn)速反饋信號及電流反饋信號形成偏差，由單片機控制器進行轉(zhuǎn)速和電流的PID調(diào)節(jié)，輸出控制信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換作為觸發(fā)整流電路控制電壓，調(diào)節(jié)整流輸出電壓以調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速盡快達到給定值并實現(xiàn)無靜差，并事實顯示電機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)構(gòu)圖如圖51所示： 圖51 PID雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 單片機的選擇在常用的89系列的單片機中，51系列只有4K字節(jié)的在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，128字節(jié)RAM。而增強型的STC89C52具有8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器（ISP），有256字節(jié)RAM，這使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，操作方便，引腳也充足，而且STC89C52支持ISP串口下載，而ISP串口下載硬件比較便宜，因此本設計選用了STC89C52作為主控模塊的芯片。STC89C52主要功能特性如下：兼容MCS51指令系統(tǒng)；8k可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM；32個雙向I/O口；256x8bit內(nèi)部RAM；3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；時鐘頻率024MHz；2個串行中斷，可編程UART串行通道；2個外部中斷源，共8個中斷源；2個讀寫中斷口線，3級加密位； 低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能；1 有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式。我們通過編寫程序來控制單片機執(zhí)行相應的指令，從而實現(xiàn)對指定電路的控制。STC89C52編程前，要設置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號，編程方法如下：在地址線上加上要編程單元的地址信號。在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。激活相應的控制信號。在高電壓編程方式時，將EA/Vpp端加上+12V編程電壓。每對Flash存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加上一個ALE/PROG編程脈沖。每個字節(jié)寫入周期是自身定時的。圖52 單片機最小系統(tǒng) 主電路設計H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖53所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C0濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTz。P22P21 圖53 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF 主要參數(shù)如下：UCER=1200V IC=16A TCN*=100 PCM= UCE(sat)= IGBT基極驅(qū)動電路原理圖54 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 基于EXB841驅(qū)動電路設計驅(qū)動電路中V5起保護作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導通。針對EXB841存在保護盲區(qū)的問題，可如圖55所示將EXB841的6腳的超快速恢復二極管VDI換為導通壓降大一點的超快速恢復二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關斷保護不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調(diào)節(jié)關斷時間，保證軟關斷的可靠性。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采用的負偏壓是5V，可以采用8V的負偏壓(當然負偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT。圖55 EXB841驅(qū)動IGBT設計圖主要參數(shù)：電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz 電流及轉(zhuǎn)速檢測電路 電流檢測電路霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。用一環(huán)形導磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導線上，將導線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點：(1）可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；(2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓為2kV～12kV；(3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA～50kA電流；(4）跟蹤速度(5）線性度優(yōu)于；(6）響應時間(7）頻率響應。圖56 電流檢測電路 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測采用紅外發(fā)射和接收管，在被測物體轉(zhuǎn)盤上開一個小口，電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，檢測電路就會產(chǎn)生一個脈沖信號，信號經(jīng)過緩沖，整形后輸?shù)絾纹瑱CI/O口，經(jīng)過單片機的計算后，最后送到數(shù)碼管進行顯示。 圖57 轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關鍵是對被控量進行采樣與測量。 電流調(diào)理電路由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。 圖58 電流調(diào)理電路 轉(zhuǎn)速調(diào)理電路轉(zhuǎn)速反饋電路如圖59所示，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)Ton=。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。直流電壓采樣電路輸出信號為數(shù)字信號，因此，直流電壓采樣不用電壓偏移。圖59 轉(zhuǎn)速調(diào)理電路 轉(zhuǎn)速輸入電路系統(tǒng)的控制主要通過5個按鍵來控制，如圖所示，S1~S5按鍵功如下：(1)當按鍵S1被按下時，表示啟動電路,電動機開始工作。(2)當按鍵S2被按下時，表示關閉電路，電動機停止。(3)當按鍵S3被按下時，表示改變電動機的轉(zhuǎn)動方向。(4)當按鍵S4被按下時，表示電機加速運行,所按的次數(shù)越多，速度加得越快。(5)當按鍵S5被按下時，表示電機減速運行，所按的次數(shù)越多，速度減得越快。圖510 轉(zhuǎn)速輸入電路 轉(zhuǎn)速顯示電路轉(zhuǎn)速顯示電路采用4個8段LED數(shù)碼管動態(tài)顯示，4位數(shù)碼管顯示電路；4LED 是共陽極的4 位動態(tài)顯示數(shù)碼管，其內(nèi)部有4 個共陽極數(shù)碼管，實現(xiàn)直流電機01500轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的精確測量。LED是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，1位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管ag控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。圖511 轉(zhuǎn)速顯示電路 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809 用于電流檢測電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。其含有 8 路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有 8 路模擬選通開關,以及相應的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為 100us 左右。圖512 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 輔助電源電路此電路用于產(chǎn)生177。15V和+5V電壓，三端穩(wěn)壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。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)的軟件設計 系統(tǒng)軟件設計分析在進行單片機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在控制系統(tǒng)設計中占重要地位。 STC89C52主程序設計本設計采用鍵盤向單片機輸入相應控制指令，另一口輸出高電平，驅(qū)動H型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。 圖61 STC89C52主程序流程圖初始化后，除義初始數(shù)據(jù)外，將定時器T0設為工作方式1，F(xiàn)0作為電機轉(zhuǎn)向的標志位，CT0，CT1作為速度檔位的標志，應用于后來的加速減速控制。HDIAN0與LDIAN0作為高電平延遲時間存儲單元，HDIAN1與LDIAN1作為低電平延遲時間存儲單元。 PWM脈寬控制程序設計在程序中通過軟件產(chǎn)生PWM，送出預設占空比的PWM波形。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于每個脈沖的高電平時間和低電平時間之和必須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時間必須由定時器來控制。設PWM周期為T，高電平時間為TH，低電平時間為TL，電壓為VCC，則輸出電壓的平均值為：當VCC固定時，其電壓值取決于PWM波形的占空比a，而PWM的占空比由單片機軟件內(nèi)部用于控制PWM輸出的寄存器值決定。通過對單片機定時器初始值的不同設置，來實現(xiàn)占空比PWM輸出控制。用定時器T0完成PWM輸出，周期60Ms。定時器計數(shù)初值為8AD0H。計數(shù)初值X計算方法：(65536－X)=30000，轉(zhuǎn)換為十六進制：X=35536＝8AD0H一個脈沖周期可以由高電平持續(xù)時間系數(shù)DIAN0和低電平持續(xù)時間系數(shù)DIAN1組成，該子程序流程圖如圖62。圖62 PWM脈寬控制流程圖 圖63 電流環(huán)子程序流程圖結(jié) 論傳統(tǒng)PID控制算法在直流電機調(diào)速系統(tǒng)中多數(shù)情況下都能取得教好的控制效果，能夠達到我們所期望的控制指標。而且控制算法實現(xiàn)簡單，運算量小，易學易用。因此成為沃恩解決自動控制問題時首先想到的解決辦法。針對常規(guī)PID控制容易出現(xiàn)的一些問題，我們想到了模糊控制。模糊控制最大的優(yōu)點是不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，其推導的依據(jù)是基于人的控制經(jīng)驗而總結(jié)出的模糊控制規(guī)則，因此有較強的魯棒性。通過這次畢業(yè)設計，我總結(jié)出以下結(jié)論：(1)采用常規(guī)PID控制策略對直流電動機進行控制，在simulink中進行仿真，通過仿真的過程和結(jié)果可以看出常規(guī)PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，能夠達到理想的控制效果。但當其受到擾動的時候，常規(guī)PID控制的調(diào)節(jié)性能不夠