（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的天然气发动机转速模糊控制策略研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 天然气发动机的研究是针对世界能源的日益匮乏和环境污染问 题而随之产生的天然气是种经济性的燃料，我国有丰富的天然 气资源，发展天然气发动机能够充分利用国内资源，降低对国际能 源市场的依赖，天然气发动机的前景广阔天然气发动机电控系统 的研究也成为一个重要的研究课题电控系统的不断完善使天然气 发动机的动力性、经济性、排放性等各项性能不断提高 本文设计的系统采用d s p 控制器作为硬件核心，硬件系统由信 号采集模块、人机接口模块及电源模块等三部分构成信号采集模 块主要将转速和温度信号经过放大整形后送到d s p 控制器；人机接 口模块主要是实现显示和故障报警功能：电源模块提供系统所需要 的电源 对于那些性能和精度要求高、实时性强、体积小、嵌入式的场 合，基于d s p 控制器来构成运动控制可能是一种具有较高性能价格 比的实现方法。 根据天然气发动机的转速和排气温度来控制天然气和空气的进 气量，使之充分燃烧，以达到转速稳定，提高动力性能，同时可以 减少污染本文根据转速变化量、转速变化率和温度变化量设计了 一个三输入二输出的模糊控制器，采用模糊控制算法，通过系统仿 真，所设计的模糊控制器能达到很好的效果 模糊控制器的明显优点是控制规则不受任何约束，可以完全是 不可解析的，便于同有实践经验的操作者一起讨论和修改，定性地 采纳各种好的控制思想应用计算机实现模糊控制，便于人们采用 自然语言对被控过程的运行施加影响。另外，这种控制规则具有很 大的通用性通过较小的修改与组合就可以适用于多种不同的被控 过程。 本文在第二章介绍了数字信号处理器的基础知识以及 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的主要特点；第三章详细地介绍控制系统硬件的 设计，包括电源模块、信号采集模块和人机接i = l 模块的设计；第四 章首先介绍了模糊控制的基础理论知识，模糊控制器的设计过程以 及天然气发动机的模糊控制器的设计和系统仿真；第五章主要介绍 了系统软件的设计。 关键词：天然气发动机数字信号处理器( d s p )模糊控制 。 ：塑婆兰墼笪丝丝塞一 一t = ! = ! = ! = = 2 1 = = ! ! = ! e = = = ! = = = ! ! ! = = = = = = = = = = = = = = ；= 2 5 一 a b s t r a c t r e s e a r c ho fn a t u r a lg a se n g i n ei sp r o d u c e db ys h o r t a g eo fe n e r g y a n dd r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nd a yb yd a yi nt k ew o r l d t h e n a t u r a lg a si sak i n do fe c o n o m i cf u e l ，t h e r ea r ea b u n d a n tn a t u r a lg a s r e s ou r c e si no u rc o u n t r y ，d e v e l o p i n gt h en a t u r a lg a se n g i n ec a nf u l l y u t i l l z cd o m e s t i c r e s o u r c e sa n dr e d u c et h e r e l i a n c e0 1 1t h e i n t e r n a t i o n a le n e r g ym a r k e t ，n a t u r a lg a se n g i n eh a sab r i g h tf u t u r e i t b e c o m e sa ni m p o r t a n ts u b j e c t t h a te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m o f n a t u r a lg a se n g i n ei s r e s e a r c h e d t h ec o n s t a n tp e r f e c t i o n o ft h e e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mm a k e sp e r f o r m a n c eo fp o w e r ，e c o n o m ya n d d i s c h a r g i n go fn a t u r a lg a se n g i n ei m p r o v ec o n s t a n t l y s y s t e mo ft h i st h e s i sd e s i g na d o p t sd s pc o n t r o l l e ra sh a r d w a r e c o r e h a r d w a r es y s t e mg a t h e r sb ys i g n a lm o d u l e ，m a n m a c h i n e i n t e i f a c em o d u l ea n dp o w e rm o d u l e s i g n a lm o d u l em a i n l ys e n d s s p e e da n dt e m p e r a t u r es i g n a lt od s p c o n t r o l l e ra f t e ra m p l i f y i n ga n d s h a p i n g ；m a nm a c h i n ei n t e r f a c em o d u l em a i n l yr e a l i z e sd i s p l a ya n d f a u l ta l a r mf u n c t i o n ；p o w e rm o d u l eo f f e r st h ep o w e rt h a tt h es y s t e m n e e d s e x p e c tm u c h t ot h o s e p e r f o r m a n c e o r p r e c i s i o n ，r e a l - t i m e c h a r a c t e ri ss t r o n g ，s m a l l ，e m b e d d e do c c a s i o n ，i tm a yb eak i n do f i m p l e m e n t a t i o nm e t h o dw i t hh i g h e rp e r f o r m a n c e c o s tr a t i ot om o t i o n c o n t r o lo nt h eb a s i so fd s pc o n t r o l l e r c o n t r o li n f l o wo fa i fa n dn a t u r a lg a sa c c o r d i n gt ot h es p e e da n d t e m p e r a t u r eo ft h en a t u r a lg a se n g i n e ，m a k ea b u n d a n tb u r n i n g ，i n o r d e rt om a k es p e e dt 0b ei n v a r i a b l e ，i m p r o v ep o w e rp e r f o r m a n c e ta t t h es a m et i m e c a nr e d u c ep o l l u t i o n t h i st h e s i sf o u n d a t i o ns p e e d c h a n g e ，s p e e dr a t eo fc h a n g ea n dt e m p e r a t u r ec h a n g ed e s i g nt h r e e i n p u tt w oo u t p u tf u z z yc o n t r o l l e r ，a d o p t i n gf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m s ， t h r o u g hs i m u l a t i o no ft h es y s t e m ，t h ef u z z yc o n t r o l l e r sd e s i g n e dc a n r e a c hv e r yg o o dr e s u l t t h eo b v i o u sa d v a n t a g e so ft h ef u z z yc o n t r o l l e rc o n t r o lr u l e sd o n o tr e c e i v ea n yr e s t r a i n t ，c a nn o tb e t o t a l l ya n a l y z e d ，b e n e f i tt o d i s c u s sa n dr e v i s ew i t ht h e o p e r a t o r w i t h p r a c t i c a le x p e r i e n c e t o g e t h e r ，a d o p tv a r i o u sk i n d so fg o o dc o n t r o lt h o u g h t s u s i n gt h e c o m p u t e rt or e a l i z ef u z z yc o n t r o l ，i ti sc o n v e n i e n tf o rp e o p l et oa d o p t t h en a t u r a ll a n g u a g et oe x e r to n e si n f l u e n c eo np l a n t i na d d i t i o n ， t h i sk i n do fc o n t r o lr u l eh a sv e r yg r e a tc u r r e n c y ，c a nb es u i t a b l ef o r m a n yk i n d so fd i f f e r e n tp l a n tt h r o u g hs m a l lm o d i f i c a t i o n i n c h a p t e r 2w ei n t r o d u c em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fb a s i c k n o w l e d g eo ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h i p i n c h a p t e r3w ep r o v i d eh a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n g p o w e rm o d u l e ，s i g n a ls a m p l em o d u l ea n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e m o d u l e i nc h a p t e r4w es h o wb a s i ct h e o r yk n o w l e d g eo ff u z z y c o n t r o l ，d e s i g np r o c e s so ft h ef u z z yc o n t r o l l e ra n dd e s i g na n d s i m u l a t i o no ff u z z yc o n t r o l l e ro fn a t u r a lg a se n g i n e i nc h a p t e r5w e m a i n l ye x p l a i nd e s i g no fs y s t e m ss o f t w a r e k e yw o r d s ：n a t u r a lg a se n g i n e ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ：f u z z yc o n t r o l i n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童空窒 日期：丝：! ! ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：之塑歪导师签名：避日期：丝! ! ： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 压缩天然气用作燃料最早始于3 0 年代的意大利，近年来由于 环境保护条例，国家法规及各种资源条件等诸多方面的原因，天然 气作为发动机燃料在许多国家逐步得到使用，其中意大利、荷兰、 俄罗斯、美国、日本、韩国和澳大利亚等国家发展较快川 1 1 天然气发动机控制系统的发展现状 天然气发动机的研究是针对世界能源的日益匮乏和环境污染 问题而随之产生的在七十年代发生能源危机时，人们便开始着眼 于代用燃料的问题目前由于经济的持续发展，以及汽车数量的不 断增加，汽车的有害排放成为城市大气环境的主要污染源。据统计， 在城市中7 8 的c 0 2 ，4 5 的n o x 和3 7 的v o c ( 挥发性有机物) 是由运输车辆产生的随着石油资源的日益枯竭和天然气气田的不 断发现和探明，天然气的应用越来越显示出其重要性l ”。 1 1 1 天然气燃料 发动机是最主要的石油消耗源之一，而我国是石油消耗大国， 从1 9 9 3 年起已成为石油净进口国，石油进口量逐年递增，2 0 0 3 年 我国进口石油9 1 1 2 万吨，约占当年原油总消费量的3 0 ，石油资 源的短缺已经相当严重据预测，中国未来能源供需的缺口将越来 越大，2 0 1 0 年我国的石油供求缺口将在l 亿吨以上，这个数字要 占到我国2 0 1 0 年石油需求量的l 3 左右，相当于科威特一年的总 产量【2 1 这种对单一能源的过渡依赖将对我国可持续发展战略的实 施造成极为不利的影响，必须进行能源结构的合理调整 为适应同趋严格的排放法规和能源结构调整的要求，丌发具有 节能、环保优势的天然气发动机已成为我国发动机工业的发展趋 势。 中国拥有丰富的天然气资源，约占世界资源量的l l ，这是我 国开发天然气发动机的物质基础和优势所在经过第二轮油气资源 评价，我国的常规天然气总储量在3 8 万亿立方米左右，最终可探 明的天然气地质储量约为2 2 万亿立方米，2 0 0 0 年底已累计探明储 量2 6 万亿立方米，占资源总量的6 目前在四川、中西部和海 上已形成了年产5 0 0 亿立方米的生产能力，2 0 l o 年将为7 0 0 8 0 0 亿立方米，2 0 2 0 年为1 0 0 0l l o o 亿立方米中国大部分天然气甲 烷含量均在9 0 以上，是优质、清洁的发动机代用燃料【2 1 。 与巨大的天然气储量相比，我国天然气利用率还很低，由于天 然气在运输过程中的复杂性，目前很多地区的天然气与油品价格相 差不大，使得发动机的经济性不能满足用户期望，从而制约了燃气 发动机的发展 我国政府对发展燃气发动机是大力支持的，为推广燃气发动 机，主要采取了两方面措施一方面，国家启动了“西气东输”工 程。随着该工程的逐步实施，天然气长输管道和加气站等配套设施 的进一步建设，油气差价较小的矛盾将得到解决另一方面，国家 在1 9 9 8 年成立了燃气协调领导小组。1 9 9 9 年科技报、国家环保总 局、国家计委的1 3 个部位开始实施“清洁燃料行动”，力图通过代 用燃料发动机等项目的研究开发和推广应用，迅速有效地改善我国 城市大气环境质量【2 1 。 近几年来我国天然气发动机数量增长较快，但总体上缺乏对天 然气发动机控制技术的系统研究和试验，我国在该技术领域与国外 水平相比仍有很大差距，因此深入开展天然气发动机的研究开发， 充分发挥天然气发动机的技术潜力，已经成为我国发动机工业发展 的当务之急 天然气有很低的氮氧化物排放，烟度值几乎为零，单位能量的 天然气中碳的质量小于柴油和汽油，因此天然气发动机有望降低 c 0 2 的排放值天然气是一种经济性的燃料，我国有丰富的天然气 资源，发展天然气发动机能够充分利用国内资源，降低对国际能源 市场的依赖，天然气发动机的前景广阔【1 1 1 1 2 天然气发动机的发展现状 目i ； ，国内应用的天然气发动机大多是在原有汽油机或柴油机 基础上经过改装而成的两用燃料或双燃料发动机在国外，多是针 山东大学硕士学位论文 对天然气燃科特点而进行改进设计的单燃料发动机或双燃料发动 机 3 1 。 ( 1 ) 两用燃料( 天然气或汽油) 发动机 国内目前改装的天然气发动机大多属于这一种采用已定型的 汽油机。保留原机供油系统，经改装增加一套压缩天然气的供给装 置采用任何一种燃料无论是天然气还是汽油，发动机都能正常工 作，利用选择开关即能实现发动机从一种燃料到另一种燃料的转换 【，1 国外许多公司均开发了一系列的天然气发动机改装系统，并利 用了他们在发动机电控技术上的优势美国s t e w a r t & s t e v e n s o n 公司，e d o 、a n g i 等公司是其中较为著名的公司，这些公司将微 处理机用于转换系统，使全系统达到天然气与空气最佳混合，燃烧 完全 3 1 ( 2 ) 单燃料天然气发动机 单燃料天然气发动机，其发动机的结构专为燃用天然气燃料而 设计，以保证气体燃料能有效利用 由汽油机改装的单燃料天然气发动机 目前国外公司在汽油机基础上开发出仅燃用天然气单一燃料 的发动机，并应用于汽车上，以改善排放性能如日本日产公司研 制的n i s s a na dv a n 小型超低污染天然气汽车将原汽油机压缩比从 9 ，5 提高到1 2 8 ，使发动机动力性和转矩有较大提高1 3 1 一汽集团研制的c a 6 1 0 2 n 2 型天然气发动机改进了进气道 结构，压缩比从原来的6 7 5 提高到8 8 ，最大功率及最大转矩分别 达到原汽油机的9 5 和9 4 i 在柴油机基础上改装的单燃料天然气发动机 国外对车用柴油机改燃天然气的研究较早，据有关资料报道， 改造成电火花点火式天然气发动机的机型有较多已投放市场 将柴油机改装为火花塞点火式天然气发动机，对发动机原有结 构改动较大，首先要降低压缩比，根据国外研究结果：燃用天然气 的单燃料非增压发动机合理的压缩比为1 2 左右，允许的最高压缩 3 山东大学硕士学位论文 比可达1 5 降低压缩比可通过改进设计活塞顶部燃烧室的形状实 现，活塞顶部燃烧室的设计应有利于天然气发动机燃烧过程的组 织考虑到天然气的燃烧率较低，排温升高，应改进气门和气门座 的材料在喷油嘴处攻丝，安装火花塞，考虑到火花塞周围的冷却 性能，应改进进水套结构另外天然气发动机由原柴油机的质调 节变为量调节，进气管的真空度增大，应考虑气门组件等的防漏油 措施若天然气供气系统采用混合器预混合供气方式，可燃混合气 的形成是在进气道内完成，扫气过程是用混合气进行。使天然气消 耗率增大且增加h c 排放，故气体重叠角应适当减小若采用天然 气喷射阀定时喷射方式，可以不改变气门重叠角。就可达到更优良 的性能【 将柴油机改造为火花塞点火式天然气发动机，要求对柴油机原 有结构改动较多，且受加气条件限制，目前这项研究在国内开展较 少【3 1 ( 3 ) 柴油引燃方式天然气发动机 大多数双燃料( 柴油一天然气) 发动机，引燃油量是由原来的机 械式喷油泵控制，只增加一套供气系统，而不必对柴油机做很大改 动，就可以实现双燃料运行，用天然气替代较多的柴油。 为了提高双燃料发动机的天然气替代柴油的比例，有的柴油机 采用小型高压油泵控制点火用的少量柴油，可大大提高控制精度， 甚至点火油量可减至以柴油运行时全负荷喷油量的1 双燃料运 行状态下，气体燃料的导入量决定了发动机功率的大小，而工作于 纯柴油运行方式时，发动机的功率大小由主喷油泵的喷油量决定 由柴油机改装的双燃料发动机的功率一般来说可达到原柴油 机的功率，对于原来是空气利用率不高的柴油机，改装以后。甚至 要超过原机功率由于引燃柴油火焰能量大，可使天然气实现稀薄 燃烧。燃烧温度较低，在中等负荷以上，双燃料发动机可获得较好 的性能，燃料经济性可接近柴油机i3 1 柴油机改装为柴油引燃式天然气发动机。不能从根本上解决发 动机的排放问题。燃烧室设计及压缩比的选择，改善天然气燃烧过 山东大学硕士学位论文 程、提高其性能等方面需要做更多的工作 1 1 3 天然气发动机控制系统的研究状况 发动机电控系统的基本构成，可以用如图1 1 3 - l 表示： 1 传感器 - l 控捌嚣 执行嚣 i tt上上 1 发动机 i 图1 1 3 - i 发动机电控系统框图 传感器：将正在运行的发动机的一些机械参数和热力学参数转 化为电信号传到控制器 控制器：将从传感器接收到的信息进行综合分析，决定发动机 当前的运行模式，然后根据分析结果发出控制指令并送到执行器 控制器是发动机电控系统的控制中心，它利用内部存储的软件( 各 种函数、算法程序，数据表格) 与硬件，来处理从传感器输入的诸 多信号，并以这些信号为基础，结合内部软件的其它信息，制定出 各种控制命令送到各种执行器，从而实现发动机的控制 执行器：按照控制指令进行动作，将电信号转换为某些机械运 动，从而改变( 或保持) 发动机的某些运行条件 ( 1 ) 国外研究状况 在国外，其天然气发动机普遍采用电子控制方式，使天然气发 动机在动力性和经济性方面都有显著的提高目前主要有电控混合 器方式，电控单点喷射方式和电控多点喷射方式【1 1 电控混合器方式 九十年代初国外天然气发动机的最大特点是采用电子闭环控 制天然气混合方式，即压缩天然气在单点混合器中与空气混合后， 再进入发动机美国康明斯中型b 5 9 g 天然气发动机的供气系统采 用的就是这种方案，安装在混合器之前的步进电机由电控单元 f e c u ) 控制，使之能根据发动机转速，负荷和传感器反馈信号等控 制空燃比，从而使发动机工作过程始终处于理想化学空燃比附件 山东大学硕士学位论文 这种闭环电控混合器与早期的机械式混合器相比，其优势在于在发 动机的全部工况范围内可对空燃比进行控制，可从燃料消耗、动力 和排放等性能之间获得优化匹配点【1 1 电控单点喷射方式 闭环电控混合器控制技术因为不能精确控制输送给发动机的 进气量，因而对发动机的过渡工况适应性差，影响整车的驾驶性能 和排放性能。针对这些缺点，又出现了电控单点喷射系统v o l v o 客车公司推出了一种低排放城市大客车发动机t h g l 0 3 ，排量9 1 6 升，功率l8 5 k w ，采用的就是电控单点喷射系统，在增压器前的 混合装置上装四个喷射阀，在l m p a 进气压力下，通过电磁控制喷 射阀流量，操纵控制基于脉宽调制( p w m ) 技术 电控多点喷射方式 单点喷射在气门重叠期仍可能有少量燃气随废气排出，且在发 动机工况骤变时，单点喷射不能对空燃比进行快速调整，多点喷射 系统能对各缸天然气的喷射时间和喷射量进行实时控制，可以很好 的解决这些问题，并具有以下性能： 适应发动机的热力学和动力学过渡工况； 精确控制输送给发动机的进气量，保持稳定的操作工况； 能对传感器作出快速响应 ( 2 ) 国内研究状况 由于我国对天然气发动机及其电控技术的研究起步较晚，无论 在理论基础方面还是技术应用水平上与国外相比都有很大的差距 在环境保护成为社会共识之后，国家加大了对天然气发动机的投 入，从而促进了国内天然气发动机电控技术研究的开展虽然有些 研究工作取得了一定的试验成果和开发经验。但总体来说国内对天 然气发动机电控技术的研究还处于电控混合器的研究完善阶段，单 燃料天然气发动机的整体电控技术，特别是大功率天然气发动机电 子控制技术方面与国外同行业水平相比尚有较大的差距 在国内天然气发动机在许多地方得到推广应用，但我国目前单 一燃料发动机发展还处于起步阶段除小部分车辆用燃气发动机是 6 i 。墅茎兰墼笪丝篁薹一 ii ! = = = = = ! ! = = ! = ! ! = = ! = = = ! ! = = = ! = = = ! = = = = = ! = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 进口产品外，大部分是在原有柴油机和汽油机上采用机械控制混合 器，这种改装带来的最大问题是改装后燃气汽车不能充分体现气体 燃料的清洁特性目前我国一些研究机构和科研院校正在研究开发 具有燃气电喷技术的发动机，对于单燃料电控喷射天然气发动机的 研究还处于起步阶段 于是近年来，国外许多天然气发动机生产商，都在其最新的产 品中采用发动机燃气多点喷射技术，这一技术正在成为当今世界天 然气发动机技术发展的主流和发展方向。天然气发动机气体燃料供 给方式以及空燃比控制方法在很大程度上影响发动机的动力性、经 济性、安全可靠性以及排放性当今天然气发动机技术是以电控喷 射为特征，电控系统采用顺序多点喷射、缸内直喷、高能直接点火 等先进技术是气体燃料发动机电控技术的发展趋势【i 】 1 2 选题的意义及论文主要内容 近年来，天然气作为一种新型能源在国际和国内都受到广泛的 关注，天然气以其资源丰富、价格便宜等突出优点，被认为是2 1 世纪最有发展前途的清洁代用燃料与汽油相比，用天然气作为汽 车发动机燃料，不仅可以节约石油资源，降低燃料费用，而且作为 一种清洁燃料，可以大大降低环境污染。 天然气资源的开发和发动机技术研究作为新的前沿正在迅速 发展天然气发动机通过良好的控制可以比同等的汽油机和柴油 机具有更低的排放，有利于解决日益严重的大气污染问题：同时 天然气是一种廉价的燃料。而且分布广泛具有良好的资源配置， 以天然气作为代用燃料将减少国家对进口石油的依赖程度各种 天然气发动机的燃料存储和供给系统，专用电子控制系统、排放 控制和废气净化系统不断地涌现；对各种不同的发动机总体结构 方案和控制策略的研究，使天然气发动机的动力性、经济性、排 放性等各项性能不断提高因此天然气作为动力能源是传统燃料 的理想替代品 与使用石油燃料相比，天然气发动机主要存在问题：转速不稳 7 定，动力性能差针对这一问题，本文提出一种控制方案来解决它， 根据发动机转速和排气温度，采用模糊控制算法来控制天然气和空 气的进气量 本文的主要内容是采用d s p 控制器为控制系统的硬件核心，包 括转速和温度信号的采集，人机接1 3 部分的设计本文所设计发动 机控制系统的基本功能是通过转速传感器和温度传感器。分别测得 发动机转速和排气温度，根据转速变化量、转速变化率和温度变化 量设计了一个三输入= 输出的模糊控制器，再根据一些控制规则来 调节电磁阀以控制天然气和空气的进气量，来控制发动机的转速， 使转速稳定，以提高其动力性能在m a t l a b 中。将所设计的模糊控 制系统进行仿真。 本文主要特点是： ( 1 ) 在控制系统硬件设计上。微处理器采用d s p 控制器，设计的 硬件系统具有响应速度快，实时性强的特点。 ( 2 ) 人机接口部分采用了一种键盘和数码管的智能控制芯片 h d 7 2 7 9 a ，简化了硬件电路，提高系统可靠性和稳定性 ( 3 ) 根据转速变化量、转速变化率和温度变化量设计了一个三输 入二输出的模糊控制器由系统仿真表明。所设计的模糊控制系统 具有控制速度快、超调量小、稳定性好。对参数不敏感等特点 ( 4 ) 系统仿真在s i m u l i n k 下进行，s i m u l i n k 是m a t l a b 环境下的模拟 工具，为用户提供了很方便的图形化功能模块，以便连接一个模拟 系统，简化设计流程，减轻设计负担 本文在第二章介绍了数字信号处理器的基础知识以及 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的主要特点；第三章详细地介绍控制系统硬件 的设计，包括电源模块、信号采集模块和人机接口模块的设计；第 四章首先介绍了模糊控制的基础理论知识，模糊控制器的设计过程 以及天然气发动机的模糊控制器的设计和系统仿真；第五章主要介 绍了系统软件的设计 8 山东大学硕士学位论文 第二章数字信号处理器基础知识 数字信号处理器( d s p ) 是一种具有特殊结构的微处理器该芯 片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法 器，广泛采用流水线操作，提供特殊的指令，可以用来快速地实现 各种数字信号处理算法 2 1d s p 的发展概述 近十几年来，随着计算机和信息产业的飞速发展，数字信号处 理学科不但在理论上而且在方法上都获得了迅猛的发展数字信号 处理包含很多任务，如采集、滤波、变换、估值、压缩解压缩、存 储等等d s p 就是这样一种的可以实际操作的平台，在算法与数字 信号处理的实际任务之间承担着桥梁的作用d s p 是以数字信号来 处理大量信息的可编程器件，是一种专门设计用来实现各种数字信 号处理算法的微处理器，是嵌入式处理器家族中的一名重要成员i t 3 1 一i t 6 1 数字信号处理器d s p 的诞生与快速发展，使各种数字信号 处理算法得以实现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面 d s p 技术的发展经历了三个主要阶段：7 0 年代、8 0 年代、9 0 年代。1 9 7 8 年，a m i 公司宣布第一个d s p 芯片问世，但人们一般 认为，7 0 年代后期推出的i n t e l 2 9 2 0 才是第一块具有独立结构的 d s p 芯片，它实质上是用数字方式处理模拟信号的一个系统1 9 8 2 年美国t i 公司推出首枚低成本高性能的d s p 数字信号处理器，使 d s p 技术向前跨出了具有重大意义的一步9 0 年代以来，d s p 技 术获得了惊人的发展。这体现在d s p 芯片的性能和指标不断提高， 而价格却不断下降目前，d s p 已经发展到第五代，它也被广泛应 用到通信、多媒体系统和消费电子，医用电子等领域【”i 2 2d s p 芯片的特点 现代d s p 芯片作为可编程超大规模集成电路( v l s i ) 器件，通过 可下载的软件或内部硬件来实现复杂的数字信号处理功能d s p 芯片除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，针对高数据传 输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作。在处理器结构、 9 山东大学硕士学位论文 指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进l 卜 1 6 1 ( 1 ) 哈佛结构 实际上，存储器结构一直存在两种基本结构：哈佛结构和冯 诺依曼结构冯诺依曼结构是指地址和数据总线共用一套，指令、 数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，在执行程序时，依靠 指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址，取指令和取 数据以分时复用的方式访问同一存储器，速度很低哈佛结构具有 独立的程序和数据总线 d s p 具有哈佛总线结构哈佛结构是优于传统的冯诺依曼结 构的并行体系结构，其特点是程序存储器和数据存储器是两个相互 独立的存储器，程序和数据存储在不同的存储空间里，并且有着与 两个独立的存储器空间相对应的独立分开的程序总线和数据总线， 可以同时访问程序空间和数据空间，取指和执行两种操作并行运 行，速度非常快【】_ 【i ( 2 ) 流水线指令执行方式 d s p 芯片执行一条指令通常需要经过取指、译码、取操作数和 执行等几个阶段正是因为d s p 具有哈佛结构，所以执行指令时 是以流水线操作方式运行，可以并行处理多条指令，增强了处理器 的处理能力，缩短了运行时间。大大提高了速度在流水线操作中， d s p 芯片可同时并行处理2 - 4 条指令，每条指令处于其执行过程中 的不同状态【。3 i 一“ ( 3 ) 专用的硬件乘法器 从数字信号处理的理论研究可知，在数字信号处理算法中，数 量最多的运算类型是乘法和加法运算在通用的微处理器中，乘法 般由软件实现。需要多个指令周期来完成。这样就限制了数字信 号处理算法的执行速度在d s p 芯片中，一般都有专用的硬件乘 法器( 一个或多个) 使得一次或多次乘法运算可以在_ 个单指令周 期内完成，从而极大提高了d s p 芯片的运算性能和运算速度l l i t6 1 ( 4 ) 专用寻址单元 1 0 山东大学硕士学位论文 d s p 芯片面向的是数据密集型应用场合，伴随着频繁的数据访 问次数。数据地址的计算时间也线性增长如果不在地址计算上做 特殊考虑，有时计算地址的时间比实际的算术操作时间还长因此， 现代d s p 芯片内一般都有支持地址运算的算术单元一一地址产生 器地址产生器与逻辑单元并行工作，因此，地址的计算不再额外 占用c p u 的计算时间 d s p 芯片的地址产生器一般都支持直接寻址、间接寻址等多种 寻址方式，有些还支持位寻址和循环寻址i t 3 1 一i t 6 ( 5 ) 片内存储器 由于d s p 芯片面对的是数据密集型应用，因此，存储器的访问 速度对付处理器的性能影响很大现代微处理器内部一般都集成了 高速缓存( c a c h e ) ，但是片内一般不设存储程序的r o m 和存储数据 的r a m ，这是因为通用微处理器的程序一般都很大，片内存储器 不会给处理器性能带来明显的改善 d s p 算法的特点是需要大量的重复运算，其程序一般都比较小， 存放在片内可以减少指令的传输时问，并有效缓解芯片外部总线接 口的压力除了片内程序存储器外，d s p 芯片般还集成了片内数 据存储器，用于存放参数和数据。 片内存储器虽然不可能具有很大的容量，但是由于不存在访问 外部存储器所带来的总线竞争和速度不匹配等问题，因此访问速度 很快，可以多个存储器块并行访问，缓解d s p 芯片的数掘瓶颈， 从分利用芯片强大的处理能力【3 j - i t 6 1 ( 6 ) 快速的指令周期 上面介绍的所有优点使得d s p 芯片的指令周期非常短，一般都 在n s 级t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的指令周期为3 3 n s ，而c 6 0 0 0 系列的芯 片已经达到了6 7 n s ，是一个非常快的速度级数正是因为d s p 有 着如此快速的指令周期，才得意实现许多d s p 的工程应用，完成 了普通微处理器无法完成的实时任务d 3 1 一f j ( 7 ) 强大的片内硬件配置 为了实现s o c 现代d s p 芯片内部除了d s p 核以外，一般还 山东大学硕士学位论文 集成了一些其他功能外设，如通用串行口，主机接口( h p d ，事件 管理器模块、d m a 控制器、c a n 总线控制模块、软件等待状态发 生器，锁相环电路、模拟数字转换模块以及实现在片内仿真符合 i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g 测试仿真口等；另外，许多d s p 芯片可 工作于低功耗模式，使系统功耗迸一步降低i 1 一i 】 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介 t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列数字信号处理器是t i ( 美国德州仪器) 公司推 出地一种面向数字马达控制、嵌入式控制系统和数字控制系统开发 的新型可编程d s p 芯片1 13 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 是x 2 4 x 系列d s p 控制 器中的新成员，是为了满足控制应用而设计的l f 2 4 0 x 的片内程 序存储器为f l a s he e p r o m ，包括l f 2 4 0 2 、l f 2 4 0 6 和l f 2 4 0 7 三个 型号”】l f 2 4 0 7 是x 2 4 0 x 系列d s p 控制器中功能最强、片上设施 最完备地一个型号。被广泛用于代码开发、系统仿真及实际系统中。 其主要特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压为3 3 v ，减少了 控制器的功耗；执行速度为3 0 m l p s ，从而提高了控制器的实时控制 能力： ( 2 ) 片内有3 2 k 字1 6 位的f l a s h 程序存储器；2 5 k 字1 6 位的 数据，程序r a m ；5 4 4 字双口r a m ；2 k 字的单口r a m ； ( 3 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b 。每个均包括：两个1 6 位通 用定时器：8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道：对外部事件进行定时捕 获的3 4 捕获单元；片内光电编码器接口电路事件管理器模块适用 于控制交流异步电动机无刷直流电动机、步进电动机等： ( 4 ) 可扩展的外部存储器总共具有19 2 k 字x 1 6 位的空间，分别为 6 4 k 字程序存储器空间、6 4 k 字的数据存储器空间和6 4 k 字的i o 空 间： ( 5 ) 看门狗( w d ) 定时器模块； ( 6 ) 串行通信接口( s cj ) 模块； ( 7 ) 1 6 位串行外部设备接口( s pj ) 模块； ( 8 ) 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器； ( 9 ) 1 0 位1 6 通道的a d c 转换器； ( 1 0 ) 4 l 可单独编程或复用的通用输入，输出引脚 j3 1 一( j 6 1 2 3 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的c p u 内核 所有c 2 0 0 0 系列d s p 芯片的c p u 结构完全相同，主要包括五 个基本部分：输入定标部分、乘单元、中央算术逻辑单元c a l u 、 辅助寄存器和辅助寄存器算术单元以及状态寄存器s t 0 ，s t l ，下 面分别进行简单介绍 ( 1 ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的输入定标部分 输入定标完成的功能是把程序存储器或数据存储器送来的1 6 位数调整为3 2 位数，然后送往3 2 位的c a l u 由于c 2 0 0 0 系列是 定点d s p 芯片，存在着定点运算的定标问题，因此，进行算术运 算的数据定标和逻辑运算的时标调整都是非常必要的。输入移位器 的低1 6 位可从两处接收输入信号：数据读总线d r d b ，可输入 由指令操作数所指出的数存单元中的数值程序读总线p r d b ， 可输入由指令中给出的立即数输入移位器将输入值左移0 至1 6 位后，再将3 2 位结果送至c a l u 。注意：输入移位器作为程序数 据空间至c a l u 之间数据通路的一部分，并不占用时钟开销【”卜 【1 6 1 ( 2 ) 乘单元 乘单元的功能是在单机器周期内完成个带符号或不带符号 的1 6 位1 6 位的乘法乘单元由下列硬件组成： 1 6 位的暂存寄存器t r e g ，用来保存其中的一个乘数； 1 6 位1 6 位的乘法器： 3 2 位的乘积寄存器p r e g ，用来存放乘法器的乘积； 乘积移位器对p r e g 中的乘积进行定标操作 参加1 6 位1 6 位乘法运算的两乘数分别为：来自d r d b 总 线( 即数据存储器) 的一个1 6 位数据。已暂存在t r e g 中：来 自d r d b 总线( 即数据存储器) 或p r d b 总线( 即程序存储器) 的一个1 6 位数据除了无符号乘法指令m p y u 之外，其它所有乘 法指令的两个乘数均被视为二进制补码格式两输入值相乘后获得 一个3 2 位的乘积，存放在乘积寄存器p r e g 中。然后将该值复制 到乘积移位器中，经过定标移位操作之后，或者把这个3 2 位乘积 送至c a l u ，或者把这个乘积按高、低两个1 6 位数分别存入数据 存储器，而p r e g 中的原乘积数保持不变 乘积移位器有四种移位方式，由p m ( 状态寄存器s t l 的d l 、 d o 位) 的四种状态决定： 当p m = 0 0 时，不移位，将乘积直接送入c a l u 或数据存储器； 当p m = 0 l 时，乘积左移l 位，将二进制补码乘积中多余的l 位符号位去掉，从而得到q 3 l 格式的结果； ， 当p m = 1 0 时，乘积左移4 位，在乘以1 3 位数的运算中，将二 进制补码乘积中多余的4 位符号位去掉，从而得到q 3 l 格式的结 果： 当p m = l l 时，乘积右移6 位，从而允许累加器进行1 2 8 次乘 加运算而不会溢出 上述的2 及3 两种方式把乘积左移l 位或4 位，对于实现小数 的算术运算，进行小数乘积的定标是很有用处的另外要注意的是： 乘积移位操作不受符号扩展位s x m 的约束，无论s x m 为何值，。 对未用到的高位总是进行符号扩展i t3 卜c 1 ”。 ( 3 ) 中央算术逻辑部分 l f 2 4 0 7 的中央算术逻辑部分主要包括中央算术逻辑单元 ( c a l u ) 、3 2 位累加器( a c c ) 和输出移位器三部分 中央算术逻辑单元c a l u c a l u 是一个独立的算术单元，可执行四种类型的算术和逻辑 运算，包括1 6 位加法、1