【導讀】精度及可靠性，直流調速仍將處于重要地位。對于直流調速系統(tǒng)轉速控制的要求。的精度在所需要的轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動。AT89S52單片機為主控單元，合適的驅動電路和一些外圍電路構成硬件系統(tǒng)；以參數(shù)模糊自整定PID為控制策略。本文對于系統(tǒng)的硬件及軟件設計進行了詳細。制思想和編程方法。本系統(tǒng)的設計順應了目前國外直流調速朝著數(shù)字化，發(fā)展的。趨勢，充分利用了單片機的優(yōu)點，使得通用性得到了提高。Keywords：fuzzylogiccontrol；DCSpeedRegulation；PID；Single

　　

【正文】 ，可以大幅 度地降低硬件成本和電源的功耗，還可以節(jié)省線路板空間。 鍵盤與顯示子程序設計 如圖 310 常州工學院學士學位論文 25 單 單單 單 單單 單 單 單 單單 單 單 單 單單 單 單 單 單單 單 單 單 單單 單 單 單 單單 單 單 單單 單 單單 單單 單 單 單B C D 單 單單 單Y esN oY esY esY esN oN oN oN oY es 圖 310 鍵盤與顯示子程序 流程圖 本章小結 本章介紹了調速系統(tǒng)的硬件設計，包括主電路設計、控制電路設計、檢測電路設計及驅動電路設計。計算出電機參數(shù)，并以此為依據(jù)來選取具體的元器件，重點在于穩(wěn)流二極管、 IGBT 的選取。 常州工學院學士學位論文 26 第 4 章 系統(tǒng) 控制算法 設計 模糊控制的發(fā)展和現(xiàn)狀 模糊控制 (Fuzzy control)是一種對系統(tǒng)控制的宏觀方法，其核心是 用語言描述控制規(guī)則，通常用“如果?，則?（ ifthen）”的方式來表達在實際中的專家知識和經(jīng)驗。 FI 語句部分，即條件部分，是由被控條件構成的命題 。THEN 部分，即結論部分，是描述控制量的命題。模糊控制最大的特點是將專家的控制經(jīng)驗、知識變成語言控制規(guī)則，然后去控制系統(tǒng)。因而模糊控制特別適用于對數(shù)學模型未知的、復雜的、非線形的控制。 模糊理論的發(fā)展和計算機技術的發(fā)展是緊密相關的。沒有計算機技術的發(fā)展就沒有模糊理論的發(fā)展，而模糊理論又促進了計算機技術的革命。由于應用模糊理論描述模糊信息，讓計算機控制技術在控制領 域得到了廣泛的應用，各個國家都在積極地研究模糊控制技術，我國開展模糊理論研究己有 20 多年的歷史，并取得了很大的成果。 目前，以中國、日本、歐美為代表的各國科技人員正就以下各個方面開展深入的研究 :模糊理論基礎研究、模糊計算機方面的研究、機器智能化研究、人工工程的研究、人類系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的研究及自然系統(tǒng)的研究。現(xiàn)在模糊控制已得到廣泛的應用，特別是在日本，控制應用的實例有列車自動運行控制系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)、機器人控制、汽車速度控制、電梯群管理控制等。 模糊控制系統(tǒng)的組成 一般常用 FUZZY 控制器結構 框圖如 圖 41 所示。 單 單 單 單 單 單 EF u z z y單 單F u z z y 單 單 單 單單單 單 單 單 單 單單單 單 單 單單 單單 單F u z z y 單 單 單E單 E單 E ( e )單 單 單 x 0單 單 單 x單 單 E ( e ) 圖 41常用 FUZZY控制器結構框圖 常州工學院學士學位論文 27 由 FUZZY 控制器結構框圖可以看見它有三個重要功能：把系統(tǒng)的偏差從數(shù)字量轉換為模糊量；對模糊量由給定的規(guī)則進行模糊推理；把推理結果的模糊輸出量轉化為實際系統(tǒng)接受的精確數(shù)字量或模擬量 (精確化接口 )。由分析可知模糊邏輯控制的過程主要有三步： 第一步：模糊化過程。模糊化就是通過傳感器把受控對象的相關物理量轉換 成電量，若傳感器的輸出量是連續(xù)的模擬量，還要通過 A/D轉換成數(shù)字量作為計算機的輸入測量值， 接著將此輸入測量值作標準化處理，即把其變化范圍映射到相應論域中，再將論域中的該輸入數(shù)據(jù)轉換成相應語言變量的術語，并構成模糊集合，這樣就把輸入的精確量轉換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊變量的值。由此才能用檢測到的輸入量作為模糊控制規(guī)則中的條件來運用模糊規(guī)則進行推理。 第二步：模糊邏輯推理。根據(jù)事先已制定好的一組模糊條件語句構成的模糊控制規(guī)則，運用模糊數(shù)字理論對模糊控制規(guī)則進行推理，根據(jù)模糊規(guī)則對輸入的一系列條件進行綜合評價，以得到一個定性的用語言表示的量，即模糊輸出量。 第三步：精確化計算，模糊輸出量是不能直接 去控制執(zhí)行部件的，在這確定的輸出范圍中，要確定一個最具有代表性的值作為真正的輸出控制量。 模糊控制的重要概念 模糊自整定 PID參數(shù)控制系統(tǒng)是以模糊控制規(guī)則推理實時調節(jié) PID參數(shù)的一種控制系統(tǒng)。模糊控制規(guī)則給出的是在不同實時狀態(tài)下對 PID 參數(shù)的推理結果。模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)的結構如圖 42 所示。 e r r o rd e / d tP I D 單 單 單單 單 單 單單 單單 單單 單—+ 圖 42模糊自整定 PID參數(shù)控制系統(tǒng)結構圖 模糊自整定 PID 參數(shù)控制就是在一般的 PID 控制系統(tǒng)的基礎上，采用模糊推理思想，加上一個模糊推理環(huán)節(jié) 。模糊推理環(huán)節(jié)是為了根據(jù)系統(tǒng)實時狀態(tài)調節(jié) PID常州工學院學士學位論文 28 的參數(shù)而設置的。 在傳統(tǒng) PID 控制器中， e (k) 、 e (k1) 、 e (k2)是輸入量，故它們都是己知量，而未知量 KP、 KI、 KD，它們是需要確定的。在一般系統(tǒng)中， KP、 KI和 KD，是擴充臨界比例度法或者擴充響應曲線法等實用工程方法整定。這些工程方法都要對被控對象進行現(xiàn)場實際測定之后，才能確定 KP、 KI、 KD參數(shù)。 比例系數(shù) KP的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)調節(jié)精度。 KP越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但過大容易產(chǎn)生超調，甚至導致不穩(wěn)定 。如果 KP值取得過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而拖長調節(jié)時間，使系統(tǒng)動靜態(tài)特性變壞。積分作用系數(shù) KI的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。KI越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 KI過大，在響應過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調，若 KI過小，將使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。微分作用系數(shù) KD的作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。因為 PID 控制器的微分環(huán)節(jié)是響應系統(tǒng)偏差的變化率 EC 的，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前制動，但 KD過大，則會使響應 過程過分提前制動，從而拖長調節(jié)時間，而且系統(tǒng)的抗干擾性較差。 被控過程對參數(shù) KP、 KI、 KD的自整定要求 根據(jù) KP、 KI、 KD對系統(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，被控過程對參數(shù) KP、 KI、 KD的自整定要求為 : ( I I I )( I I )( I ) 圖 43輸出響應曲線 (1)當│ E│較大，即系統(tǒng)響應處于圖 43輸出響應曲線的第一階段時，為了加快系統(tǒng)的響應速度，并避免因為開始時偏差 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，因此應取較 大的 KP和較小的 KD，同時為了防止積分過飽常州工學院學士學位論文 29 和，避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調，此時去掉積分作用，取 KI =0。 (2)當│ E│和│ EC│為中等大小，即系統(tǒng)響應處于圖 42輸出響應曲線的第二階段時，為使系統(tǒng)響應的超調減少， KP、 KI、 KD都不能取太大，應取較小的 KI值，KP、 KD值的大小要適中。以保持系統(tǒng)的響應速度。 (3)當│ E│較小，即系統(tǒng)響應處于圖 42輸出響應曲線的第三階段時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應適當?shù)脑龃?KP和 KI的值，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，適當?shù)倪x取 KP值， 其原則為：當│ EC│較小時， KP值取中等大?。划敥?EC│較大時， KP應取小些。 直流調速模糊自整定 PID 參數(shù)控制器設計過程 確定控制器的輸入、輸出語言變量 由模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)結構圖可知，參數(shù)修正部分實質上是一個模糊控制器，其輸入語言變量為直流電機轉速偏差絕對值│ E│和直流電機轉速偏差變化率絕對值│ EC│，輸出語言變量為 KP、 KI、 KD。 假定轉速偏差 e 的范圍為[60,60]和轉速偏差率 ec 的范圍為 [6,6]，分別乘以比例因子 1/Ge 和 1/Gc，鑒于模糊論域的取值為整數(shù)，對其結果 為非整數(shù)的變量利用四舍五入就近取整的原則將其整數(shù)化，得到論域為 [3,3]的模糊輸入量 E,EC。此時比例因子Ge=20,Gc=2。 采用 pK? 、 iK? 、 dK? 為模糊輸入量，論域同為 [3,3]。輸入和輸出模糊化? 統(tǒng)一為 {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},該子集中元素分別代表負大 ，負中，負小，零，正小，正中，正大。鑒于三角形隸屬度曲線形狀 簡單，計算工作量少，并且相比正態(tài)分布狀隸屬度曲線有更大的靈敏性，本文選擇其作為輸入輸出隸屬度函數(shù)，并且為便于計算機處理，將隸屬度用 [0,1]區(qū)間的整數(shù)來代替。 確定 pK 、 iK 、 dK 的調節(jié)規(guī)則 有上述設計可知，用于在線自整定 P1D 參數(shù)的模糊控制器是以誤差和誤差變化率為輸入語言變量，以比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)為輸出語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 參數(shù) PK 、 IK 的調節(jié)規(guī)則。調節(jié)規(guī)則表如下。 常州工學院學士學位論文 30 表 41 Kp的調節(jié)規(guī)則表 EC NB NM NS ZO PS PM PB ΔKP E NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB 表 4— 2 Ki 值的調節(jié)規(guī)則表 EC NB NM NS ZO PS PM PB ΔKi E NB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NS NB NM NS NS ZO PS PS ZO NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PB ZO ZO PS PM PM PB PB 表 4— 3 Kd 值的調節(jié)規(guī)則表 EC NB NM NS ZO PS PM PB ΔKi E NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS ZO NS ZO NS NM NM NS NS ZO ZO ZO NS NS NS NS NS ZO PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO PM PB NS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 以上兩表為根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差 E 和誤差的變化率 EC 來消除誤差 (偏差 )的模糊控制規(guī)則，可寫成模糊條件語句， 下面列舉幾條語句： 常州工學院學士學位論文 31 ? ? PBKt h e nNBECandNBEif p ????1 ? ? PBKt h e nNMECandNMEif p ????2 ? ? PMKt h e nNSECandNSEif p ????3 ? ? NSKt h e nZOECandZOEif p ????4 ? ? NSKt h e nPSECandPSEif p ????5 ? ? NMKt h e nPMECandPMEif p ????6 ? ? NBKt h e nPBECandPBEif p ????7 ? ? NBKt h e nNBECandNBEif i ????8 ? ? NBKt h e nNMECandNMEif i ????9 ? ? NSKt h e nNSECandNSEif i ????10 ? ? ZOKt h e nZOECandZOEif i ????11 ? ? PSKt h e nPSECandPSEif i ????12 ? ? PBKt h e nPMECandPMEif i ????13 ? ? PBKt h e nPBECandPBEif i ????14 本設計的輸入變量 E、 EC 和 U 的模糊子集均為 {NB， NM， NS， Z0， PS， PM，PB}， E和 EC 的論域為 {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}， U的論域為 {3， 2， 1， 0，1， 2， 3}。設 pK? 和 iK? 為 U。 E、 EC 以及 U 的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)。相關數(shù)據(jù)見表 4 4 4 47。 表 44 模糊變量 E的賦值表 e 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 181。 E PB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 PS 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 ZO 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 NS 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 NM 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 NB 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 常州工學院學士學位論文 32 表 45 模糊變量 EC 的賦值表 ec 3 2 1 0 1