【正文】 術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人機(jī)接口的設(shè)計和開發(fā)成為現(xiàn)在最為關(guān)注的研究內(nèi)容和主題。同時，機(jī)電一體化技術(shù)的大量應(yīng)用也是人們所關(guān)注的重點。而觸摸屏是工業(yè)控制中最常用的一種人機(jī)界面之一，目前幾乎所有的觸摸屏，驅(qū)動程序都是針對可編程控制器(PLC)而開發(fā)的，不能直接與單片機(jī)或DSP通訊。針對上述問題，本次設(shè)計開發(fā)出基于觸摸屏組態(tài)軟件EB500且能和數(shù)字處理器TMS320F2407A通信的軟件程序。Modbus通訊協(xié)議時應(yīng)用電子控制器的一種通用語言，通過此協(xié)議，控制器與控制器、網(wǎng)絡(luò)、控制設(shè)備之間通訊。由于DSP集成的SCI串行通訊接口支持UART通訊，通過設(shè)置初始化DSP內(nèi)部集成的SCI模塊，設(shè)計基于Modbus通訊協(xié)議的驅(qū)動程序即可實現(xiàn)DSP與觸摸屏之間的通訊。本系統(tǒng)利用觸摸屏作為上位機(jī)與DSP通訊，采用Modbus ASCII通訊協(xié)議并按照其規(guī)定的詢問報文格式向控制器發(fā)出通訊指令。當(dāng)DSP收到上位機(jī)傳來的通訊信息后，首先查詢核對從機(jī)地址內(nèi)容即控制器內(nèi)相關(guān)地址的內(nèi)容，并向觸摸屏發(fā)送基于Modbus ASCII協(xié)議的應(yīng)答報文。當(dāng)觸摸屏收到應(yīng)答報文后，對報文進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，即報文解析過程，主要包括檢測從機(jī)地址是否對應(yīng)且LRC校驗結(jié)果是否一致，然后根據(jù)其內(nèi)容中功能碼完成相應(yīng)的功能并顯示在觸摸屏上。MT506(觸摸屏)。 觸摸屏與DSP通訊流程圖首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，開總中斷，然后對串口進(jìn)行初始化，；等待串口接收中斷，如果有中斷發(fā)生，通過查詢串口中斷發(fā)送標(biāo)志TXRDY是否為1，如果是1，表示發(fā)送器緩沖器SCITXBUF為空，準(zhǔn)備接收下一個數(shù)據(jù)幀，寫數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖器的操作可以自動清除TXRDY，故無需軟件清0；當(dāng)捕獲到Modbus ASCII數(shù)據(jù)幀接收完畢標(biāo)志后即接收到ASCII字符0D和0A，系統(tǒng)進(jìn)入Modbus ASCII幀處理模塊，這個過程包括根據(jù)不同的功能碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解包然后組包，最后將組包后的Modbus ASCII回復(fù)消息幀發(fā)送給主機(jī)。 Modbus幀處理模塊包括Modbus幀解析、Modbus幀處理和發(fā)送Modbus回應(yīng)消息三個部分。1)：Modbus幀解析流程首DSP讀取數(shù)據(jù)幀，并判斷該數(shù)據(jù)幀是否合法，如不合法則放棄本次數(shù)據(jù)返回主程序，否則接下來控制器對數(shù)據(jù)幀中的從機(jī)地址進(jìn)行判斷，如果從機(jī)地址與本機(jī)相符，則對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行LRC計算并校驗Modbus數(shù)據(jù)幀中的LRC值與計算得到的LRC是否相等，若計算的LRC值與Modbus數(shù)據(jù)幀中的LRC不相等時，則放棄本次數(shù)據(jù)并返回主程序，否則系統(tǒng)進(jìn)入Modbus幀處理下一個環(huán)節(jié)。 Modbus幀解析和模塊處理流程圖 Modbus幀發(fā)送模塊流程圖2)：Modbus幀處理流程DSP正確接收數(shù)據(jù)幀后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的功能碼不同對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)本設(shè)計，Modbus幀處理流程分為如下4種方式：Modbus 01()、Modbus 05()、Modbus 03()、Modbus 10，即讀位、寫位、讀字、寫字四種處理方式。并根據(jù)功能碼的不同完成相應(yīng)的回復(fù)數(shù)據(jù)幀，為發(fā)送Modbus回復(fù)消息做準(zhǔn)備。3)： 發(fā)送Modbus回應(yīng)幀控制器首先判斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀是否合法，然后將Modbus幀處理時準(zhǔn)備好的回復(fù)消息幀放入發(fā)送緩沖寄存器，以字節(jié)的形式發(fā)送給觸摸屏。發(fā)送完畢后，置位發(fā)送標(biāo)志，清空發(fā)送器，以結(jié)束本次發(fā)送，然后等待新的發(fā)送命令。 打印機(jī)程序設(shè)計 打印機(jī)程序設(shè)計方框圖本設(shè)計系統(tǒng)通過設(shè)計相應(yīng)的打印機(jī)硬件接口和軟件設(shè)計，將系統(tǒng)中的故障信息或者動態(tài)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表的形式打印出來，本系統(tǒng)采用并口實現(xiàn)處理器與打印機(jī)通訊，系統(tǒng)通過軟件控制打印機(jī)選通控制總線STB來控制二者之間的數(shù)據(jù)傳輸，并采用軟件查詢的方式查詢打印機(jī)狀態(tài)總線上BUSY的狀態(tài)，從而確定數(shù)據(jù)何時發(fā)送是否正確接收。本系統(tǒng)軟件設(shè)計在打印機(jī)初始化后進(jìn)行一次打印機(jī)自檢，通過預(yù)先寫入的固定數(shù)據(jù)檢驗打印機(jī)與DSP之間通訊是否正常，若自檢通過，系統(tǒng)將完成數(shù)據(jù)的傳輸打印。本系統(tǒng)設(shè)計采用軟件查詢的方式控制打印機(jī)打印數(shù)據(jù)，通過不斷查詢打印機(jī)狀態(tài)總線上的BUSY狀態(tài)，控制打印數(shù)據(jù)的傳輸打印。、電流調(diào)節(jié)器算法設(shè)計電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)一般都是以轉(zhuǎn)速為給定量，并使電動機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定值進(jìn)行控制。為了使系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，通常采用閉環(huán)系統(tǒng)對電機(jī)控制。為了是系統(tǒng)具有更好的靜、動態(tài)性能，通常采用帶轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)控制。 速度反饋直流電機(jī) 機(jī)電流位置和速度傳感器速度PI調(diào)節(jié)電流PI調(diào)節(jié)PWM控制給定 參考 速度 電流檢測 電流反饋 直流電動機(jī)調(diào)速雙閉環(huán)控制方框圖速度調(diào)節(jié)器器的作用是對給定速度與反饋速度之差進(jìn)行一定規(guī)律計算，并通過運算結(jié)果對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。由于電動機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，使得速度時間常數(shù)較大，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，故需添加電流調(diào)節(jié)器作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，從而加強系統(tǒng)的抗干擾源擾動和負(fù)載擾動的能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反應(yīng)速度。在電動機(jī)的雙閉環(huán)控制中，根據(jù)速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用的算法不同，我們將調(diào)節(jié)器分為不同的類型，但其控制核心基本一致。下面主要對2種調(diào)節(jié)器進(jìn)行研究實驗。在進(jìn)行數(shù)字控制器的設(shè)計時，我們首先可以根據(jù)模擬控制器的設(shè)計方法，對系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理，設(shè)計出符合設(shè)計要求的數(shù)字控制器。下面是典型的數(shù)字PI控制器的設(shè)計步驟：當(dāng)輸入誤差函數(shù)為et，輸入函數(shù)為Ut時，PI控制器的傳遞函數(shù)如下 （）該方程在時域中的表達(dá)式如右：ut=Kpiet+etdt+KIetdt （）其中Kp=Kpi為比例因子，KI=1蟿為積分常數(shù)。將上式離散成差分方程，Tsam為采樣周期，其第k拍輸出為： （）第k1拍輸出為。 （）上式相減，可得： 鈭唘k=ukuk1=Kpekek1+KITsamek （）通過上述可以看出，數(shù)字增量式算法只要算出當(dāng)前和上一拍的偏差就可以計算出輸出的偏差量。PI調(diào)節(jié)器的輸出可有下面式子求得 （）。由如下程序程序框圖可知，在每個采用周期內(nèi)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣，并將當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)與給定數(shù)據(jù)比較，并求得二者之間的偏差，利用本次偏差與上一次偏差進(jìn)行計算，得到本次輸出值，其計算公式如下： （）上式中：Kp、KI分別為PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)，Kp的大小影響系統(tǒng)的反應(yīng)速率，但Kp過大，會引起系統(tǒng)超調(diào)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；調(diào)節(jié)KI的大小可以減小系統(tǒng)的超調(diào)，減小穩(wěn)態(tài)誤差，但過大的積分系數(shù)會減慢系統(tǒng)的反應(yīng)速率，在具體參數(shù)調(diào)節(jié)時應(yīng)遵循一般的原則，這樣可以提高參數(shù)調(diào)節(jié)效率。首先調(diào)節(jié)系統(tǒng)的Kp參數(shù)，此時可以先將KI設(shè)一個較大的值，然后逐步加大比例系數(shù)，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，取此時比例系數(shù)的60%~70%最為下步調(diào)節(jié)的Kp參數(shù)；然后逐步較小KI直至系統(tǒng)發(fā)生振蕩，然后再逐步增加KI，直至系統(tǒng)振蕩消失，記下當(dāng)前參數(shù)，然后可進(jìn)行微調(diào)，并結(jié)合系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，或根據(jù)經(jīng)驗判斷選擇最為合適的比例、積分參數(shù)。 數(shù)字增量式PI調(diào)節(jié)程序框圖隨著控制系統(tǒng)的控制要求和模型復(fù)雜度的不斷提高，尋求一種更為有效的控制算法成為必然。由于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中存在變換器的滯后以及濾波環(huán)節(jié)造成的滯后加上電機(jī)本身由于靜摩擦所產(chǎn)生的滯后，使得系統(tǒng)的滯后時間常數(shù)較大，一般的控制策略難以實現(xiàn)實時、高效、精確控制。然而模糊控制器具有抗干擾能力強、響應(yīng)速度快、魯棒性強、響應(yīng)無超調(diào)的特點，使得其在復(fù)雜、滯后性嚴(yán)重的非線性系統(tǒng)中發(fā)揮明顯的優(yōu)勢。所以本設(shè)計針對直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的模糊控制器作為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并對設(shè)計進(jìn)行仿真和實驗調(diào)試。為保持系統(tǒng)的抗干擾能力強和快速性好的特點，電流調(diào)節(jié)器ACR仍然采用傳統(tǒng)數(shù)字增量式PI控制算法。MH型PWM模糊控制器ACRUn* Ui* Uc Un Ui 霍爾電流傳感器光電編碼器 帶自調(diào)整的模糊控制器的直流調(diào)速系統(tǒng) 由上圖可知，Un*為速度給定信號，Ui*為速度輸出信號也是電流調(diào)節(jié)器的輸入信號，Uc為電流調(diào)節(jié)器的PWM輸出，其輸出值直接控制PWM變換器的輸出電壓值， 通過改變PWM控制信號的占空比即可改變變換器的輸出電壓，從而改變電動機(jī)電樞電壓，即可達(dá)到控制電機(jī)速度的要求。模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入輸出接口、檢測裝置和被控對象組成。而模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵在于設(shè)計模糊控制器。模糊控制器的原理是選擇合適的量化因子將輸入語言變量轉(zhuǎn)化成模糊域中模糊語言變量，然后選擇合適的語言隸屬度函數(shù)并建立適合系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則，最后是模糊清晰化，清晰化的目的是根據(jù)模糊推理的結(jié)果求的最能反映控制量的真實分布，目前常用的模糊清晰化有如下兩種方法，即最大隸屬度法和加權(quán)平均法。根據(jù)輸入輸出變量的多少可以選擇不同的模糊控制器結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中選取兩個輸入變量和一個輸出變量，故采用雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)。選取誤差和誤差變化率作為輸入量，模糊控制器的輸出作為系統(tǒng)的控制量，從而構(gòu)成典型的二維模糊控制器。Kec模糊推理Ke E模糊清晰化清晰化 e U U Ui de/dt EC 二維模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖其中Ke，Kec為輸入量化因子，將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換成相應(yīng)模糊集的論域， Ku為輸出比例因子，將模糊控制算法得出的模糊控制量Ui轉(zhuǎn)換成被控對象能接受的基本論域中，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。模糊控制器的設(shè)計主要是實現(xiàn)模糊控制算法的軟件設(shè)計，主要包括如下幾個方面：模糊語言變量的確定、隸屬度函數(shù)的構(gòu)造、模糊規(guī)則的建立、模糊推理和解模糊。 1)：模糊狀態(tài)變量本系統(tǒng)為二維模糊控制器即雙輸入單輸出控制器。兩路輸入分別為系統(tǒng)的速度偏差E和偏差的變化率EC；輸出量為模糊控制器的輸出即ASR的輸出、ACR的輸入。2)：模糊化設(shè)置輸入輸出變量的論域，并預(yù)置量化因子，Ke，Kec，Ku，如果偏差，且=1，則可知比例因子，這樣就有 （）采用近似取整的原則，得到E的論域為：{1，，0，，1}利用語言值表示為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，用符號表示為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝等7個模糊狀態(tài)來描述變量E。模糊集合的隸屬函數(shù)（MF）均是對稱均勻分布全交迭的三角形。這種圖形是最常用的隸屬函數(shù)，每個語言變量所取的語言值，所對應(yīng)的語言隸屬函數(shù)都是交叉疊加的。 對稱均勻全交迭的三角形隸屬度函數(shù)3)：模糊規(guī)則，這是一個二維模糊控制器設(shè)計的規(guī)則庫，其得到廣泛應(yīng)用。表中39。*39。表示在控制過程中不可能出現(xiàn)的情況，稱之為39。死區(qū)39。E ECNBNMNSZEPSPMPBNB*NBNBNMNMNSZENMNBNBNMNMNSZEPMNSNBNMNMNSZEPSPMZENMNMNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPMPMPBPMNSZEPSPMPMPBPBPBZEPSPMPMPBPB*根據(jù)上述模糊控制設(shè)計最終得出模糊控制輸出表，在具體的算法編寫時可以根據(jù)實驗或者經(jīng)驗得出的模糊控制表直接通過軟件查表的方式輸出被控量的模糊輸出值，然后經(jīng)過輸出比例因子Ku輸出能直接控制被控量的數(shù)據(jù)。基于上述理論基礎(chǔ)，在模糊控制器的基礎(chǔ)上設(shè)計自適應(yīng)模糊控制器即參數(shù)自調(diào)整模糊控制器。通過改變模糊控制器中的相關(guān)參數(shù)改變模糊控制輸出表。下圖通過設(shè)計輔助模糊推理控制輸入、輸出量化因子改變模糊控制器的輸入變量值來改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，有效的適應(yīng)復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制。主模糊推理KeKu E U UiKecede/dt EC輔助模糊推理 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第五章 基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，首先必須建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，用能夠描述動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,比如微分方程，傳遞函數(shù)等來分析系統(tǒng)的動態(tài)過程和穩(wěn)定狀態(tài)。建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：1)：根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程。2)：求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3)：組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。首先來具體分析電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，假定電動機(jī)電樞