【導(dǎo)讀】精度及可靠性，直流調(diào)速仍將處于重要地位。對于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求。的精度在所需要的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。載參數(shù)變化自適應(yīng)能力差。AT89C51單片機為主控單元，合適的驅(qū)動電路和一些外圍電路構(gòu)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(shè)計進行了詳細。制思想和編程方法。本系統(tǒng)的設(shè)計順應(yīng)了目前國外直流調(diào)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。控制器，具有很強的魯棒性。

　　

【正文】 相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。 (3)建立模糊控制器的控制規(guī) 則 基于手動控制策略利用模糊集合理論和語言變量的概念，可以把利用語言歸納的手動控制 規(guī)律 上升為數(shù)值運算，于 是可以采用計算機完成這個任務(wù)以代替人的手動控制實現(xiàn)模糊自動控制，利用語言歸納手動控制策略的過程，就是建立模糊控制器的控制規(guī)則的過程。 3． 確定各元素的隸屬度 4． 精確量與模糊量的相互轉(zhuǎn)換 (l)模糊化方法 將精確量 (數(shù)字量 )轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱模糊化。 (2)模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換方法 模糊 控制器的 輸出是一個模糊量，這個模糊量不能直接控制被控對象，需將它轉(zhuǎn)換為一個精確量，這個轉(zhuǎn)換過程稱為清晰化也稱判決，判決方法有 3 種 ： 最大隸屬度法 ， 選取模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制量 ； 取中位數(shù)法 ， 選取模糊子集的隸屬函數(shù)曲線和橫坐標(biāo)所圍成區(qū)域的面積平分為二部分的數(shù)作為判決的效果 ； 加權(quán)平均法 。 5． 確定控制策略 根據(jù)操作人員的操作經(jīng)驗，可以總結(jié)出控制規(guī)則。應(yīng)用模糊集合區(qū)把這些規(guī)則寫成一串模糊條件語句，就可構(gòu)成模糊模型，再得到根據(jù)控制規(guī)則表 可 寫 出模糊條件語句。 6． 編制模糊算法 的應(yīng)用程序進行合成運算，判決得模 糊控制表。 系統(tǒng)模糊 PID 控制結(jié)構(gòu) 設(shè)計 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(diào)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(jié)常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 19 果。模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 如圖 32 所 示。 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(chǔ)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(diào)節(jié)PID 的參數(shù)而設(shè)置的。 e r r o rd e / d tP I D 調(diào) 節(jié) 器模 糊 控 制對 象K p K i K d R i n+ Y o u t 圖 32 模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 在 PID 控制器中， ()ek ， ( 1)ek? ， ( 2)ek? 是輸入量，故它們都是己知量，而未知量 PK 、 IK 、 DK 它們 是需要確定的。在一般系統(tǒng)中 PK 、 IK 和 DK 是擴充臨界比例度法或者擴充響應(yīng)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 PK 、 IK 、 DK 參數(shù)。 比例系數(shù) PK 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。 PK 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但過大容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定；如果 PK 值取得過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而拖長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動靜態(tài)特性變壞。積分作用系數(shù) IK ，的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 IK 越大，系統(tǒng)靜差消除越快，但 IK 過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而 引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)，若 IK 過小，將使系統(tǒng)靜差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分作用系數(shù) DK 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(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率 EC 的，其作用主要是在響應(yīng)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 DK 過大，則會使響應(yīng)過程過分提前制動，從而拖長調(diào)節(jié)時間，而且系統(tǒng)的抗干擾性較差。 被控過程對參數(shù) PK 、 IK 、 DK 的自整定要求 根據(jù) PK 、 IK 、 DK 對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，歸納出在一般情況下，在常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 不同的 |E|和 |EC|時，被控過程對參數(shù) PK 、 IK 、 DK 的自整定要求為： (1)當(dāng) |E|較大，即系統(tǒng)響應(yīng)處于 圖 33 輸出響 應(yīng)曲線的第一階段時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并避免因開始時偏差 E 的瞬間變大，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 PK 和較小的 DK ，同時為了防止積分過飽和，避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，此時去掉積分作用，取 IK =0。 (2)當(dāng) |E|和 |EC|為中等大小，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖 33 輸出響應(yīng)曲線的第二階段時，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減少， PK 、 IK 、 DK 都不能取太大，應(yīng)取較小的 IK 值， PK 、 DK 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 33 輸出響應(yīng)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(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃?PK 和 IK 的值，同時為避免系統(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 PK 值，其原則為：當(dāng) |EC|較小時， DK 值取中等大小 ； 當(dāng) |EC|較大時， PK 應(yīng)取小些。 ( I I I )( I I )( I ) 圖 33 輸出響應(yīng)曲線 PID 參數(shù)控器設(shè)計 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(jié)構(gòu)圖可知，參數(shù)修正部分實質(zhì)上是一個模糊控制器，其輸入語言變量為直流電機轉(zhuǎn)速偏差絕對值 |E|和直流電機轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對值 |EC|，輸出語言變量為 PK 、 IK 、 DK 。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 21 確定各語言變量論域，在其論域上定義模糊量 設(shè)模糊控制器各語言變量論域如下： }2。1。0{: ?YEC }2。1。0{: ?XE }2。1。0{: ?YEC 其中在輸入語言變量 E 和 EC 的論域中取語言值“大” (B)，“中” (M)，“小”(S)三種。其語言值隸屬函數(shù)曲線如圖 34， 35 所示。 小 中 大e 1 e 2 e 3 小中大ec2ec3c1 圖 34 語言變量誤差隸屬度函數(shù) 圖 35 語言變量誤差變化率隸屬度函數(shù) 確定 PK 、 IK 、 DK 的調(diào)節(jié)規(guī)則 有上述設(shè)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 、 DK 的調(diào)節(jié)規(guī)則。調(diào)節(jié)規(guī)則表如下。 表 21 IK 的調(diào)節(jié)規(guī)則表 | E |K I| E C |BMSB M SZSMZ S BZ Z B 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 22 表 2—2 PK 值的調(diào)節(jié)規(guī)則表 | E |K P| E C |BMSB M SMSMB M BB M B 表 23 DK 的調(diào)節(jié)規(guī)則表 | E |K D| E C |BMSB M SSMZM M SB B S 模糊推理和模糊運算 模糊控制器的控制規(guī)則可以寫成條件語句的形式，例如，對于表 22 給出的參數(shù) PK 的調(diào)節(jié)規(guī)則，就可以寫成如下形式的模糊條件語句： (1) If ||EB? and ||EC B? then PKM? (2)If ||EB? and ||EC M? then PKB? 那么對于其規(guī)則的隸屬度計算為 ： (1) 1 ( ) ( )Kp B E B E Cxx? ? ??? (2) 2 ( ) ( )Kp B E M E Cxx? ? ??? 在本設(shè)計系統(tǒng)中，對于一個特定的輸入量，它最多只能模糊化為兩各模糊量，即它對應(yīng)只有兩個模糊量的隸屬度不為 0，其余都為 0。例如 ：對于速度偏差 |E|和速度偏差變化率 |EC|模糊化后的論域值分別為 和 ，由 圖 34，圖 35(圖中橫坐標(biāo)的 el、 e e3 和 ecl、 ec ec3 分別取 l、 3)可知，此時的輸入偏差可模糊化為： ―中 ‖和 ―小 ‖兩個模糊量，隸屬度為： () ? ? 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 23 () ? ? 同理可知偏差的變化率也只能模糊化為 ―中 ‖和 ―小 ‖兩個模糊量，其 隸屬 為 () ? ? () ? ? 因此，對于當(dāng)前輸入的 |E|和 |EC|，表 2—2 中，只有以下四條是有效的： (1) If ||EM? and ||EC S? Then PKM? (2) If ||EM? and ||EC M? Then PKM? (3) If ||ES? and ||EC S? Then PKB? (4) If ||ES? and ||EC M? then PKB? 那么，對應(yīng)的隸屬 度計算為： 1 (1. 7 ) (1. 1 )Kp M E SC? ? ??? 2 ( ) ( )Kp M E SC? ? ??? 3 ( 1. 7 ) ( 1. 1 )Kp SE SC? ? ??? 4 ( ) ( )Kp SE M C? ? ??? 將隸屬度代入式中計算可得： 1 ? ? ? ? 2 ? ? ? ? 3 ? ? ? ? 4 ? ? ? ? 將 Kp? 即進行合成，得 PK 的模糊輸出量為： K P? ? ? ? P? ? ? ? 圖給出了 PK 最終的輸出模糊，由模糊判決得出參數(shù) PK 的精確整定值為： 0 .7 1 5 0 .3 2 5 180 .7 0 .3PK ? ? ???? 式中的 15， 25 表示 PK 在常規(guī)條件下 ―中 ‖、 ―大 ‖的整定值。 同理可推得 IK 、 DK 參數(shù)的精確值。由此在線求得的參數(shù) PK 、 IK 、 DK 的值，即可直接輸出做為常規(guī) PID 的整定值，從而實現(xiàn)模糊自整定 PID 參數(shù)的功能。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 24 第四章 調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計 生產(chǎn)實際中要求生產(chǎn)機械在不同情況下以不同速度工作，這就需要對電機的速度進行快速精確 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機一發(fā)電機組以及飽和電抗器的控制方式具有投資少、占地小、無噪音、運行費用低、效率高等優(yōu)點。其原理是通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電動機電樞電壓實現(xiàn)平滑調(diào)速。由單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般由電動機、觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速／電流檢測與反饋環(huán)節(jié)組成，這里單片機取代了常規(guī)的電子控制裝置 (觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器 )，對系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。再用模糊化的方法實現(xiàn)控制參數(shù)的自整定。 本系統(tǒng)可控制額定電壓為 12— 55V，額定功率為 — 300W 的有刷直流 電機。針對本系統(tǒng)所用的是直流減速電機，可使得調(diào)速范圍為 8—300 轉(zhuǎn)／分鐘，速度精度在 1％以內(nèi)，位置精度在 ％以內(nèi)。 主電路設(shè)計 在給定直流電機的相關(guān)參數(shù)后可以進行主電路設(shè)計，以前述所給的的直流電機參數(shù)為例進行設(shè)計。 主電路由整流電路，濾波電路及 PWM 變換器組成。為簡化控制電路，減少濾波，整流電路采用三相二極管整流電路整流，系統(tǒng)的調(diào)壓由PWM 變換器承擔(dān)。 PWM 變換器由 四 個絕緣柵極雙極晶體管 IGBT 和 四 個續(xù)流二極管組成。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 25 A T 8 9 C 5 1單 片 機系 統(tǒng)顯示故 障綜 合其他外設(shè)上位機鍵盤電 壓 檢 測 電 流 檢 測電 流 檢 測驅(qū) 動 電 路MK2R0R1R2C1C2++RbVb+_轉(zhuǎn) 速 檢 測＋ V測 速 發(fā) 電 機A D C0 8 0 9 圖 41 主電路圖 整流電力二極管參數(shù)的確定 整流二極管所承受的正反向電壓最大值為三相交流電網(wǎng)線電壓的峰值，即為12U 。實際應(yīng)用當(dāng)中需要考慮到電網(wǎng)電壓的波動及各類浪涌電壓的影響，因此需要留有一定的安全裕量，一般取為此峰值電壓的 2～ 3 倍， 以前面所給定的電機參數(shù)設(shè)計為例， 整流二極管的正反向額定電壓為： )( 6 1 2~ 0 7 43 8 02)3~2(2)3~2( 1 VUU Dn ????? 通過二極管的峰值電流及電機最大負載時的峰值電流，為電機額定電流的56 倍，取 AIm ? ，則 AItdIImmd )(2 1 3/20 2 ??? ? ?? ? 二極管的電流有效值為 A)(3131 0???
dVD II，其最大峰值為常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 26 )( AII VDV Dm ????? 考慮一定的安全裕量可以求得整流二極管的額定正向平均電流為： ）（ ~)2~()2~( ???? V D mDn II 根據(jù)整流二極管的選型手冊，選取 50 /1200AV的電力二極管作為整流電路的主開關(guān)管。 IGBT 的選擇 根據(jù)設(shè)計的要求，選用 MG200Q2YS50 型 IGBT。具有如下參數(shù)極值： 共射極 飽和 電 壓 為 1200V， 柵射極最大額定電壓 為 177。20V，集電極功耗（ Tc=25186。C）為400W，結(jié)溫為 150186。C，存儲溫度范圍為 40~125186。C。 IGBT 驅(qū)動電路的設(shè)計 IGBT 驅(qū)動電路的一般要求 柵極驅(qū)動電壓 :IGBT 開通時，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令 IGBT 產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。在任何情況下，開通時的柵極