【正文】 制性能，此外還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。 在應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中， PID 很容易通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 控制器是完成控制 任務(wù)的核心器件 , 控制算法的好壞直接影響著控制質(zhì)量的優(yōu)劣。典型的單回路模擬 PID 控制系統(tǒng)如圖 24 所示。模 擬 PID 控制器的傳遞函數(shù)為： ( ) ( ) / ( ) (1 1 / )P i dD s U s E s K T s T s? ? ? ? （ 25） 被 控 對(duì) 象D ( s )r ( t )e ( t )u ( t ) y ( t ) 圖 24 典型的單回路模擬 PID 控制系統(tǒng) 通過(guò)上式可知， PID 控制器的輸出由三項(xiàng)構(gòu)成，分別是比例控制（ P）、積分控制（ I）和微分控制（ D）。但比例控制不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差，當(dāng) Kp 太大時(shí)，可能會(huì)引起系統(tǒng)的常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 不穩(wěn)定。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除偏差信號(hào)。微分控制具有預(yù)測(cè)誤差變化趨勢(shì)的作用，可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)可加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。常用的有比例（ P）控制、比例積分（ PI）控制、比例微分（ PD）控制、比例積分微分（ PID）控制。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可將模擬 PID 控制規(guī)律通過(guò)離散化方法獲得數(shù)字 PID控制算法。 數(shù)字 PID 控制算法根據(jù)被控對(duì)象的不同可分為位置型和增量型 。 增量型算法與位置型算法相比較：增量型算法不需要做累加 ，計(jì)算誤差或計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。但是增量型只適用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 控制，因而采用既具有上述優(yōu)點(diǎn)又適用于控制直流電機(jī)的 改進(jìn)型增量算法 ： ( ) ( 1) ( )u k u k u k? ? ? ? ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]p i du k K e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 數(shù)字 PID 算法實(shí)施中的問(wèn)題：算法編程 ,定點(diǎn)運(yùn)算運(yùn)算速度快，但精度較低；浮點(diǎn)運(yùn)算精度高但運(yùn)算速度慢；輸出限幅 ,控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有其極限位置，與控制器對(duì)應(yīng)就有兩個(gè)極限量及最大控制量 maxU 和最小控制量 minU 。因此當(dāng) max()u k U? 時(shí)取 max()u k U? ；當(dāng) min()u k U? 時(shí)，取 min()u k U? ；積累整量化誤差： 當(dāng)積分項(xiàng) ()iK e k e??時(shí)，不要把它舍棄，而是將其累加起來(lái)，即1 ()ni iS ui i????,直到累加值 iSe? 時(shí)，將 iS 加入到 ()uk 中。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 程序入口計(jì)算ei=給 定值計(jì)算e i e i 1 ，e i 1 e i 2計(jì)算Kp（ e i e i 1 ）計(jì)算K iei計(jì)算Kd [（e i e i 1 ）（e i 1 e i 2 ）]計(jì)算Kp（ e i e i 1 ）+K i e i計(jì)算 Δ ui=K p（e i e i 1 ）+Kie i+Kd [（e i e i 1 ）（e i 1 e i 2 ）]計(jì)算輸出值u i =u i 1 + Δ u iu i 1 =ui e i 2 =e i 1 e i 1 =e i數(shù)據(jù)迭代返 回 圖 25 PID 算法流程圖 由于 控制對(duì)象變化的隨機(jī)性和復(fù)雜性，既要獲得足夠的精度又便于系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的合適的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的，在實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù) (轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )并不如模型那樣一成不變，在某些應(yīng)用場(chǎng)合隨工況而變化 。 而模糊控制憑借它 的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示的語(yǔ)言控制規(guī)則，不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，將其與傳統(tǒng) PID 算法結(jié)合，能夠客服非線性因素的影響，對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化，具有較強(qiáng)的魯棒性。與傳統(tǒng)控制理論相比，模糊控制有二 大優(yōu)點(diǎn)。第二模糊控制可以不需按被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)較好的控制因?yàn)楸豢刂茖?duì)象的動(dòng)態(tài)特性已隱含在模 糊控制器輸入，輸出模糊集及模糊規(guī)則中。 計(jì) 算 變 化 率 △ EF u z z y判 決F u z z y 算 法控 制 器離 散 化 與模 糊 化工 業(yè) 過(guò) 程輸 入輸 出F u z z y 控 制 器E△ E△ E ( e )給 定 值 x 0實(shí) 際 值 x誤 差 E ( e )圖 31 常用 FUZZY 控制器結(jié)構(gòu)框圖 由 FUZZY 控制器結(jié)構(gòu)框圖可以看見(jiàn)它有三個(gè)重要功能 ： 把系統(tǒng)的偏差從數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模糊量 ； 對(duì)模糊量由給定的規(guī)則進(jìn)行模糊推理 ； 把推理結(jié)果的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)接受的精確數(shù)字量或模擬量 (精確化接口 )。模糊化就是通過(guò)傳感器把受控對(duì)象的相關(guān) 物理量轉(zhuǎn)換 成電量，若傳感器的輸出量是連續(xù)的模擬量，還要通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量作為計(jì)算機(jī)的輸入測(cè)量值，接著將此輸入測(cè)量值作標(biāo)準(zhǔn)化處理，即把其變化范圍映射到相應(yīng)論域中，再將論域中的該輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)語(yǔ)言變量的術(shù)語(yǔ)，并構(gòu)成模糊集合，這樣就把輸入的精確量轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊變量的值。 第二步 ： 模糊邏輯推理。 第三步 ： 精確化計(jì)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(gè)最具有代表性的值作為真正的輸出控制量。而絕大多數(shù)模糊控制器的可調(diào)整參數(shù)都遠(yuǎn)大于三個(gè) (輸入及輸出模糊集的數(shù)目及形狀，模糊規(guī)則等 )，在控制非線性，時(shí)變或大時(shí)延系統(tǒng)的性能優(yōu)于 PID 控制器。 2． 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì) (1)選擇描述輸入和輸出變量的詞集 FUZZY 控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語(yǔ)句，在條件語(yǔ)句中描述輸入、輸出變量狀態(tài)的一些詞匯的集合稱(chēng)為這些變量的詞集。 de/dt 的語(yǔ)言變量 E 分為 7 個(gè)檔級(jí)，來(lái)反映偏差變化率的大小、分別是 NL、 PL、 NM、 PM、 NS、 PS、 O 輸入變量 U 分成 7 個(gè)檔常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 級(jí)，分別是 :NL、 PL、 NM、 PM、 NS、 PS、 O。 (3)建立模糊控制器的控制規(guī) 則 基于手動(dòng)控制策略利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的概念，可以把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制 規(guī)律 上升為數(shù)值運(yùn)算，于 是可以采用計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制，利用語(yǔ)言歸納手動(dòng)控制策略的過(guò)程，就是建立模糊控制器的控制規(guī)則的過(guò)程。 (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(gè)模糊量，這個(gè)模糊量不能直接控制被控對(duì)象，需將它轉(zhuǎn)換為一個(gè)精確量，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程稱(chēng)為清晰化也稱(chēng)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 。應(yīng)用模糊集合區(qū)把這些規(guī)則寫(xiě)成一串模糊條件語(yǔ)句，就可構(gòu)成模糊模型，再得到根據(jù)控制規(guī)則表 可 寫(xiě) 出模糊條件語(yǔ)句。 系統(tǒng)模糊 PID 控制結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 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(shí)時(shí)調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的一種控制系統(tǒng)。模糊自整定 PID 參數(shù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 如圖 32 所 示。 e r r o rd e / d tP I D 調(diào) 節(jié) 器模 糊 控 制對(duì) 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。這些工程方法都要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定之后，才能確定 PK 、 IK 、 DK 參數(shù)。 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(guò)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(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而拖長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性變壞。 IK 越大，系統(tǒng)靜差消除越快，但 IK 過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而 引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)，若 IK 過(guò)小，將使系統(tǒng)靜差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。因?yàn)?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(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前制動(dòng)，但 DK 過(guò)大，則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程過(guò)分提前制動(dòng)，從而拖長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且系統(tǒng)的抗干擾性較差。 (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(shí)，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。 (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(shí)，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(shí)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(shí)， DK 值取中等大小 ； 當(dāng) |EC|較大時(shí)， PK 應(yīng)取小些。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 確定各語(yǔ)言變量論域，在其論域上定義模糊量 設(shè)模糊控制器各語(yǔ)言變量論域如下： }2。0{: ?YEC }2。0{: ?XE }2。0{: ?YEC 其中在輸入語(yǔ)言變量 E 和 EC 的論域中取語(yǔ)言值“大” (B)，“中” (M)，“小”(S)三種。 小 中 大e 1 e 2 e 3 小中大ec2ec3c1 圖 34 語(yǔ)言變量誤差隸屬度函數(shù) 圖 35 語(yǔ)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(jì)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(yǔ)言變量，以比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)為輸出語(yǔ)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(duì)參數(shù) PK 、 IK 、 DK 的調(diào)節(jié)規(guī)則。 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(jì)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(yùn)算 模糊控制器的控制規(guī)則可以寫(xiě)成條件語(yǔ)句的形式，例如，對(duì)于表 22 給出的參數(shù) PK 的調(diào)節(jié)規(guī)則，就可以寫(xiě)成如下形式的模糊條件語(yǔ)句： (1) If ||EB? and ||EC B? then PKM? (2)If ||EB? and ||EC M? then PKB? 那么對(duì)于其規(guī)則的隸屬度計(jì)算為 ： (1) 1 ( ) ( )Kp B E B E Cxx? ? ??? (2) 2 ( ) ( )Kp B E M E Cxx? ? ??? 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，對(duì)于一個(gè)特定的輸入量，它最多只能模糊化為兩各模糊量，即它對(duì)應(yīng)只有兩個(gè)模糊量的隸屬度不為 0，其余都為 0。 同理可推得 IK 、 DK 參數(shù)的精確值。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 第四章 調(diào)速系統(tǒng)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(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行快速精確 的調(diào)節(jié)。其原理是通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。再用模糊化的方法實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的自整定。針對(duì)本系統(tǒng)所用的是直流減速電機(jī)，可使得調(diào)速范圍為 8—300 轉(zhuǎn)／分鐘，速度精度在 1％以?xún)?nèi)，位置精度在 ％以?xún)?nèi)。 主電路由整流電路，濾波電路及 PWM 變換器組成。 PWM 變換器由 四 個(gè)絕緣柵極雙極晶體管 IGBT 和 四 個(gè)續(xù)流二極管組成。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)及各類(lèi)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(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)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(guò)二極管的峰值電流及電機(jī)最大負(fù)載時(shí)的峰值電流，為電機(jī)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(jì)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(cè)，選取 50 /1200AV的電力二極管作為整流電路的主開(kāi)關(guān)管。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。C）為400W，結(jié)溫為 150186。C。在任何情況下，開(kāi)通時(shí)的柵極驅(qū)