【正文】 參考文獻(xiàn)[1] [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[2] 胡雙,[J].電工技術(shù)雜志, :17～21[3] 西巴依洛夫，洛奧斯，[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985[4] 施佩特，許實(shí)章，：運(yùn)行理論導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[5] （3）在調(diào)速系統(tǒng)上位機(jī)的開發(fā)中用到Visual Basic，因此對VB編程有了深刻的理解和熟練的應(yīng)用。 通過對本課題的研究我有以下幾個方面的收獲： （1）學(xué)習(xí)與掌握了單片機(jī)的基本原理及其各種應(yīng)用，對它的各種硬件接口與軟件設(shè)計(jì)方法有較深入的認(rèn)識。 　但到目前為止論文還有需待完善的地方：模糊規(guī)則的提取和選擇是一個復(fù)雜的過程，往往難免摻雜著一些主觀思維，在調(diào)試過程中難免要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，這使得調(diào)試過程變得復(fù)雜和設(shè)計(jì)周期時間延長；本系統(tǒng)是采用模糊自整定PID參數(shù)控制技術(shù)，對于PID參數(shù)的常規(guī)整定也帶有很多主觀思維。AT89S52對LM629控制程序的編寫、模糊控制程序的編寫、通訊程序的編寫及調(diào)試。給出了相關(guān)調(diào)速控制器的原理并給出了軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。圖77模糊控制流程8 總結(jié)本論文對數(shù)字PID和模糊PID直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究做了大量的工作。這樣編寫程序的好處就是略去模糊推理的判斷轉(zhuǎn)移程序，誤差變化率為8那么對于誤差隸屬度函數(shù)input[0][0][98]的取值必為0,input[0][1][98]同樣為0，只有input [0] [2] [98]的取值為0xFF；誤差變化率隸屬度函數(shù)值input [1] [0] [98]為0, input[1] [1] [98]為0, input[1] [2] [98]為0xFF，因此上式的會等價成： KP=(0+0+0+0+255*40)/255所以計(jì)算量不大并且省略掉了條件轉(zhuǎn)移相關(guān)程序。 在此5種情況下KP , KI, KD在常規(guī)條件下的整定值為：unsigned char code KP_memf[5]={40, 30, 25, 20, 10}；unsigned char code KI_memf[5]={0, 0, 0, 0, 10}；unsigned char code KD_memf[5]={0, 40, 20, 15, 5}。其中第一維表示區(qū)別輸入量是e還是△e的標(biāo)號，第二維表示語言變量e或者△e的值，第三維表示對應(yīng)各語言變量的隸屬度值，為了單片機(jī)的運(yùn)算，將隸屬度值擴(kuò)大了255倍，即0xFF代表1。隸屬度函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)模糊隸屬度函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式可以采用的點(diǎn)斜式存儲方式，這種方式可以節(jié)省存儲空間，但處理時間較長，可以犧牲一些存儲空間可以把輸入范圍內(nèi)的600個數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲下來避免進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在此系統(tǒng)中將占用600字節(jié)的Flash空間。│E│。此系統(tǒng)速度的采樣周期為60ms，對于設(shè)定轉(zhuǎn)速為N轉(zhuǎn)每分鐘的速度控制，脈沖光電發(fā)生器的精度為1200，在單片機(jī)T2采樣過程中不可能出現(xiàn)小數(shù)情況，比如設(shè)定轉(zhuǎn)速為122轉(zhuǎn)每分，按公式X=N 1200 / ，而實(shí)際計(jì)數(shù)次數(shù)是146次或者147次。e及△e可由單片機(jī)連續(xù)兩次中值濾波的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速V1, V2以及VI, V2轉(zhuǎn)速采樣周期間隔數(shù)N得出，e, △e則構(gòu)成此二維模糊控制器的輸入量，經(jīng)量化因子Ke, K△e得出基本論域中對應(yīng)值，再經(jīng)模糊化，推理機(jī)構(gòu)，解模糊從而推算出相應(yīng)KP, KI, KD參數(shù)。為了改善控制性能，對此算法進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)成參數(shù)模糊自整定PID控制算法。KP比例系數(shù): KI積分系數(shù)。e(k)第k次采樣時刻輸入的偏差值。[23]圖75定時器T0中斷服務(wù)程序流程圖76 串口接收中斷流程由于LM629的內(nèi)部含有梯形速度發(fā)生器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，極大地簡化了位置伺服控制模塊的軟件設(shè)計(jì)。[27]他們的作用分別為：定時器0中斷：定時向上位機(jī)發(fā)送位置、速度數(shù)據(jù)，同時讀出定時器2中的速度脈沖數(shù)據(jù)，并向PC發(fā)送速度數(shù)據(jù)。[25]圖72 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖圖73 數(shù)據(jù)接收流程圖在本系統(tǒng)中單片機(jī)主要工作是：(1)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信；(2)對LM629的控制，其中包括LM629硬件軟件啟動，相關(guān)運(yùn)動參數(shù)的設(shè)定；(3)速度數(shù)據(jù)采集；(4)實(shí)現(xiàn)模糊控制；主程序圖74為單片機(jī)主程序流程圖。兩字節(jié)代表一個轉(zhuǎn)速信號，單片機(jī)一次傳送兩字節(jié)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，PC機(jī)一次接收兩字節(jié)，在接收字節(jié)數(shù)組中，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。(2)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式波特率:4800Baud，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。這種方法程序響應(yīng)及時，可靠性高。當(dāng)串口接收或發(fā)送指定數(shù)量的數(shù)據(jù)，或當(dāng)串口通信狀態(tài)發(fā)生改變時，MSComm控件觸發(fā)On Comm事件。在程序空閑時間較多時可以采用該方式。圖71系統(tǒng)界面PC串口通信VB下的串行端口通信是通過其提供的控件Microsoft Comm control(簡稱MSComm)實(shí)現(xiàn)的，該控件屏蔽了通信過程中的底層操作，程序員只需設(shè)置并監(jiān)視MSComm控件的屬性和事件，結(jié)合其它VB提供的控件就可完成對串口的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。(3)速度設(shè)定及顯示：設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。手動控制：依靠人工手動輸入PID參數(shù)。圖71為系統(tǒng)界面，包括功能有：(1)控制方式設(shè)定，其中有：模糊控制：參數(shù)模糊自整定PID控制。 PC系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)及串口通信 上位機(jī)主要完成相關(guān)參數(shù)設(shè)定，速度曲線的顯示。此系統(tǒng)速度的采樣周期為60ms，對于設(shè)定轉(zhuǎn)速為N轉(zhuǎn)每分鐘的速度控制，脈沖光電發(fā)生器的精度為1200，則60ms期間所采集的脈沖數(shù)X為:X=N**1200/60如對每分鐘120轉(zhuǎn)的速度設(shè)定值，每60ms內(nèi)的脈沖數(shù)為144，將此過程反推則可得出轉(zhuǎn)速的實(shí)際值。由于不能從LM629讀出電機(jī)的精確速度，可采用AT89S52的T2口通過中斷對當(dāng)前速度采樣。速度檢測單片機(jī)對測速脈沖頻率應(yīng)用M/T法處理可得轉(zhuǎn)速值，M/T法能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以較短的檢測時間實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測量。A、B、Z信號同為低電平，就產(chǎn)生一個Index送入寄存器，記錄電機(jī)的絕對位置。本系統(tǒng)選用國產(chǎn)GMC1200型光電脈沖發(fā)生器，工作電壓為5V土5%。電路接法如圖613所示。取LM339基準(zhǔn)電壓為Ur=5V，可得LMD18200電流檢測輸出引腳8下拉電阻值:R=100KΩLM339的輸出Uo接AT89552的INT1腳連接，IT0=l以負(fù)跳變方式觸發(fā)。，為了防止電機(jī)因過流而燒壞，必須有過流保護(hù)裝置，在這里用比較器LM339構(gòu)成。圖612驅(qū)動模塊電路圖在任何情況下，不論正常工作或發(fā)生故障時，必須保證驅(qū)動或是電機(jī)的工作條件不超出它的允許范圍。電路圖如圖612所示。本系統(tǒng)直流電機(jī)的額定電壓為24V。本采用單極性可逆驅(qū)動方式。雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，電動機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。圖611為單極性驅(qū)動方式下理想波形圖。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個300kHz的振蕩器控制，使充電泵電容可以充至14V左右。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個輸出?？梢越右粋€對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。[15] 圖69 LMD18200外形結(jié)構(gòu)圖 圖610 LMD18200內(nèi)部電路框圖引腳10接直流電機(jī)電樞，電流流向由引腳3控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動化控制領(lǐng)域。圖68 6N137內(nèi)部電路圖采用LMD18200實(shí)現(xiàn)受限單極性驅(qū)動方式，LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動機(jī)驅(qū)動的H橋組件。 R1，R1取值為10K。其電路圖如圖67所示。對于74LS04，它的翻轉(zhuǎn)時tPLH=tPHL=15ns，可知完全滿足LM629的PWMM腳輸出最小輸出占空比時的接通時間場合。而N6137的工作頻率可達(dá)到10MHZ，即它可用在開關(guān)周期為:l/l07s= 因此光耦可選6N137。避免LMD18200的驅(qū)動電路對控制信號的干擾，對于LMD18200的引腳3(轉(zhuǎn)向輸入)、引腳5(PWM輸入)與LM629的PWMS、PWMM引腳之間通過光電耦合器6N137連接。LM629則根據(jù)AT89S52發(fā)來的數(shù)據(jù)生成速度圖，進(jìn)行位置跟蹤，PID控制和生成PWM信號輸出。同時LM629也能向單片機(jī)提供實(shí)際轉(zhuǎn)速信息，讀實(shí)際速度指令RDRV，指令碼為OBH，但起缺點(diǎn)是只能提供速度采樣值的65535倍的整數(shù)部分，數(shù)據(jù)范圍:C000H3FFFH，可知，其所記錄速度數(shù)據(jù)的真實(shí)程度并不準(zhǔn)確。隨后是參數(shù)數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)占2個字節(jié)，順序?yàn)镵P、KI、KD和積分極限。其指令操作碼為IEH (210個字節(jié)寫數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)的前兩個字節(jié)中，低字節(jié)的內(nèi)容如表61所示。作為另一條地址線，如圖65所示。在本系統(tǒng)中LM629的I/O口D0D7與單片機(jī)的P0口相連，用來從單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)和控制指令，從LM629傳送電機(jī)的狀態(tài)和運(yùn)動信息。AT89S52是一款低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由單片機(jī)提供。如果速度存在擾動，LM629可使其平均速度恒定不變。在電動機(jī)運(yùn)行時，上述參數(shù)允許更改，產(chǎn)生如圖64(b)所示的軌跡。[21]LM629的梯形速度圖發(fā)生器用于計(jì)算所需的梯形速度分布圖。A，B邏輯狀態(tài)每變化一次， LM629內(nèi)的位置寄存器加(減)1。[11]增量式光電編碼盤直流電動機(jī)驅(qū)動PID控制器 LM629AT89S52接口指令位置位置反饋圖63 LM629構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)框圖（3）工作原理用一個增量式光電編碼盤來反饋電動機(jī)的實(shí)際位置。驅(qū)動器多采用專用的直流電動機(jī)驅(qū)動芯片(雙極性或單極性)。其內(nèi)部有1個16位數(shù)字控制器，輸出PWM和方向控制信號(Sign)，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。圖62 LM629N芯片管腳圖由LM629構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)框圖如圖63所示。管腳2628分別是CKL、RTS、VDD。管腳17是Hl，H1=1時申請中斷。管腳1215分別是CS、RD、GND、WR。管腳13與增量碼盤的輸出信號相連(IN，A，B)。(9)可對增量式光電碼盤的輸出進(jìn)行4倍頻處理和信號處理。(7)速度、位置和數(shù)字PID控制器參數(shù)可以在控制過程中改變。(5)內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器。(3)可編程分項(xiàng)采樣時間間隔。具體特點(diǎn)如下:(l)內(nèi)部有32位的位置、速度和加速度寄存器。它是可編程全數(shù)字式控制的專用運(yùn)動控制處理器。單片機(jī)通過LM629獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過中值濾波得到實(shí)際轉(zhuǎn)速V，之后經(jīng)模糊運(yùn)算得到的KP、KI、KD參數(shù)，再發(fā)送至LM629。在以下幾節(jié)中將分別介紹各個模塊的功能以及電路構(gòu)成。本設(shè)計(jì)所針對實(shí)際對象為額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘。本系統(tǒng)可控制額定電壓為1255V。其原理是通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電動機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。[8]6 硬件設(shè)計(jì)生產(chǎn)實(shí)際中要求生產(chǎn)機(jī)械在不同情況下以不同速度工作，這就需要對電機(jī)的速度進(jìn)行快速精確的調(diào)節(jié)。同理可推得KI，KD參數(shù)的精確值。具體調(diào)節(jié)規(guī)則表如下[9]:表51KP調(diào)節(jié)規(guī)則表│EC│ │E│ B M S B M S M M B M B S B M B表52KI調(diào)節(jié)規(guī)則表│EC│ │E│ B M S B Z S M M Z S B S Z Z B表53KD調(diào)節(jié)規(guī)則表│EC│ │E│ B M S B S M Z M M M S S B B S模糊推理和模糊運(yùn)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，就可以寫成如下形式的模糊條件語句:(1)If│E│=B and│EC│=B then KP=M(2)If│E│=B and│EC│=M then KP=B……………….那么對于其規(guī)則的隸屬度計(jì)算為:(1)uKP1= uBE (x)∧uBEC (x)(2)uKP2= uBE (x)∧uMEC (x)……………….在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，對于一個特定的輸入量，它最多只能模糊化為兩個模糊量，即它對應(yīng)只有兩個模糊量的隸屬度不為0，其余都為0。其語言值隸屬函數(shù)曲線如圖53，54所示。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(shí)質(zhì)上是一個模糊控制器，其輸入語言變量為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差絕對值│E│和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對值│EC│，輸出語言變量為KP、KI、KD。以保持系統(tǒng)的響應(yīng)速度。、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:圖52輸出響應(yīng)曲線(1)當(dāng)│E│較大，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖52輸出