【正文】 但當(dāng)其受到擾動的時候，常規(guī)PID控制的調(diào)節(jié)性能不夠理。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(xué)模型，其推導(dǎo)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。因此成為沃恩解決自動控制問題時首先想到的解決辦法。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。計數(shù)初值X計算方法：(65536－X)用定時器T0完成PWM輸出，周期60Ms。設(shè)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(dāng)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。 PWM脈寬控制程序設(shè)計在程序中通過軟件產(chǎn)生PWM，送出預(yù)設(shè)占空比的PWM波形。 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(shè)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(yīng)用于后來的加速減速控制。因此，軟件設(shè)計在控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。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(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。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(guān),以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為 100us 左右。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。(4)當(dāng)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。(2)當(dāng)按鍵S2被按下時，表示關(guān)閉電路，電動機停止。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=。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。 圖57 轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)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(guān)鍵是對被控量進行采樣與測量。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(yīng)時間(7）頻率響應(yīng)。圖55 EXB841驅(qū)動IGBT設(shè)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。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。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(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點的超快速恢復(fù)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)。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。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。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。每個字節(jié)寫入周期是自身定時的。在高電壓編程方式時，將EA/Vpp端加上+12V編程電壓。在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。我們通過編寫程序來控制單片機執(zhí)行相應(yīng)的指令，從而實現(xiàn)對指定電路的控制。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(shè)計選用了STC89C52作為主控模塊的芯片。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。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。從本質(zhì)上說，這類模糊控制器可看作是一種復(fù)合PID控制器，或者變參數(shù)的PID控制器。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。（2）在設(shè)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(xué)模型的被控對象，系統(tǒng)模型是用傳遞函數(shù)來描述的。模糊控制更適應(yīng)于缺乏精確數(shù)學(xué)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]。它響應(yīng)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?？箶_性能指標：動態(tài)降落78，%。響應(yīng)的相應(yīng)結(jié)果圖如圖415所示。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。仿真過程為：首先在Simulink中建立仿真模型，如圖414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。這樣就建立了一個FIS文件，取名為fuzzy 。再對應(yīng)規(guī)則表輸入規(guī)則。根據(jù)系統(tǒng)運行的不同狀態(tài)，考慮 Kp、 Kd、 Ki三者的關(guān)聯(lián)，根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)計模糊整定這三個參數(shù)，選擇輸入語言變量為誤差 e 和偏差變化率 ec，語言變量值取{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}七個模糊值；選擇輸出語言變量為△Kp、△Kd、△Ki，語言變量值也取{NB ，NM ，NS，Z0，PS，PM，PB}七個模糊值，建立 △Kp、△Kd、△Ki的模糊規(guī)則表如下表4表4表43所示[17]。(b) 當(dāng)誤差| e |在中等大小時，為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)，應(yīng)減小 Kp，Ki值應(yīng)增大，Kd應(yīng)適中。以典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的誤差曲線為例進行分析如下。并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間[16]。微分作用系數(shù)Kd 的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。Ki越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但Ki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)。Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 建立模糊規(guī)則表從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮，Kp，Ki，Kd的作用如下：比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。其論域為[5，5]，量化等級為{5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5}。該控制器是以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，PID控制器的三個參數(shù)P、I、D的修正△Kp、△Ki、△Kd作為輸出。而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。 模糊控制器的設(shè)計 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖48所示。（2）多變量模糊控制器一個多變量模糊控制系統(tǒng)所采用的模糊控制器，往往具有多變量結(jié)構(gòu)，稱之為多變量模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖47所示。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過于復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計算機實現(xiàn)，也就更困難，這也許是人們在設(shè)計模糊控制系統(tǒng)時，多數(shù)采用二維控制器的原因。三維模糊控制器EU圖46 三維模糊控制器Eccd/dtEd/dtEc上述三類模糊控制器的輸出變量，均選擇了受控變量的變化值。二維模糊控制器EU圖45 二維模糊控制器ECd/dtE③三維模糊控制器 如圖46所示，三維模糊控制器的三個輸入變量分別為系統(tǒng)誤差量E、誤差變化量Ec和偏差變化率Ecc。這種一維模糊控制器往往被用于一階被控對象。①一維模糊控制器 如圖44所示，一維模糊控制器的輸入變量往往選擇為受控量和輸入給定的誤差量E。在模糊控制系統(tǒng)中，也可類似地劃分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。綜上所述，模糊控制器實際上就是依靠微機（或單片機）來構(gòu)成的。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識工程學(xué)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)中。在模糊控制中，考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。由上述可知，規(guī)則條數(shù)和模糊變量的模糊子集劃分有關(guān)，劃分越細，規(guī)則條數(shù)越多，但并不表示規(guī)則庫的準確度越高，規(guī)則庫的“準確性”還與專家知識的準確度有關(guān)[14]。根據(jù)人工控制經(jīng)驗，可離線組織其控制決策表R，R是笛卡兒乘積集UV上的一個模糊子集，則某一時刻其控制量由下式給出： （41）式中“”——模糊直積運算；“”——模糊合成運算。最常用的關(guān)系詞為ifthen、also，對于多變量模糊控制系統(tǒng)，還有and等。②規(guī)則庫 模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經(jīng)驗，它由按人的直覺推理的一種語言表示形式。①數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值（即經(jīng)過論域等級離散化以后對應(yīng)值的集合），若論域為連續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。對于一個模糊輸入變量e，其模糊子集通?？梢宰魅缦路绞絼澐郑篹=負大，負小，零，正小，正大 =NB，NS，Z0，PS，PBe=負大，負中，負小，零，正小，正中，正大=NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PBe=負大，負中，負小，零負，零正，正小，正中，正大=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB用三角型隸屬度函數(shù)表示如圖43所示。數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫推理機模糊化接口解模糊接口輸入輸出知識庫圖42 模糊控制器的組成框圖（1）模糊化接口 模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實際上是模糊控制器的輸入接口。模糊控制器也稱為模糊邏輯控制器，由于其所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句來描述的，因此模糊控制器是一種語言型控制器，故也稱為模糊語言控制器。計算機控制量模糊量化處理模糊控制規(guī)則去模糊化處理模糊決策A/DD/A傳感器被控對象執(zhí)行機構(gòu)給定值模糊控制器（微機）圖41 模糊控制原理框圖 模糊控制器結(jié)構(gòu)由圖41可知，模糊控制系統(tǒng)與通常的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要差別是，采用了模糊控制器。把誤差信號E的精確量進行模糊化變成模糊量。它的核心部分為模糊控制器，如圖中點劃線框中部分所示，模糊控制器的控制規(guī)則由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。 模糊控制基本原理模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授查德（）首先提出的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面均取得重大成功[12]。將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，揚長避短，即具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的存在滯后和隨機干擾；有的無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是基于“最短時間控制”原則設(shè)計的，在充分發(fā)揮電機過載能力的同時，可以獲得良好的靜、動態(tài)性能，在實際工程中有一定的應(yīng)用價值[12]。綜上所述，這個調(diào)速系統(tǒng)起動特性好、超調(diào)量小、抗擾性好，設(shè)計比較合理。由圖37可得到的系統(tǒng)動態(tài)性能指標如下：跟隨性能指標：；；1613r/min；超調(diào)量=%；。轉(zhuǎn)速在起動電流的作用下平滑上升至電機額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，其超調(diào)量亦非常小。（2）電流調(diào)節(jié)器ACR從起動到穩(wěn)速運行只工作在一種狀態(tài)，即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，（3）如圖37所示，電動機的起動特性已經(jīng)比較接近理想特性，說明該系統(tǒng)的設(shè)計對于起動特性來說已經(jīng)達到預(yù)期的要求，有著飽和非線性控制、時間最優(yōu)控制和轉(zhuǎn)速超調(diào)的特點。然后設(shè)定仿真參數(shù)，仿真時間1s。用Matlab的Simulink對系統(tǒng)進行仿真。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 (327)滿足簡化條件[11]?，F(xiàn)取=，則WASR（S）= (324)校驗近似條件。ASRId（s）圖35 轉(zhuǎn)速環(huán)的等效結(jié)構(gòu)圖Idl（s）n（s）大多數(shù)調(diào)整系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)都按典型II型系統(tǒng)進行設(shè)計。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計把已設(shè)計好的電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，又因為電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，其等效電流環(huán)為 (314)原來電流環(huán)的控制對象是三個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)是Tl、Toi和Ts，閉環(huán)后，整個電流環(huán)近似為只有一個小時間常數(shù)為2Ts的一階慣性環(huán)節(jié)，這表明，電流閉環(huán)后，