（通信与信息系统专业论文）发动机性能测控系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本论文来源于8 6 3 项目摩托车排放净化关键技术及产业化 ( 2 0 0 2 从6 4 3 0 1 0 ) 的子项目一一低污染摩托车净化转化系统的建立与匹 配设计。 论文介绍了系统设计原理和硬件电路设计，包括信号处理、信号采 集、l m 3 5 2 4 输出p w m 和隔离驱动m o s f e t 的模拟电路等；再详细介绍了 模糊控制的原理、模糊控制器的设计以及系统其它软件程序设计；为了 确保系统的可靠性，系统采用了相应的硬件和软件可靠性措施，文中对 这部分内容也进行了介绍。 本论文的主要工作是解决测功机的控制、实时数据显示以及单片机 和监控计算机的数据通信问题。在论文项目中将测功机的控制纳入自研 系统中，提高发动机测试系统的自动化程度，减轻了实验人员的劳动强 度，同时也改善了实验数据的精确度。 在自动化的检测和控制系统中，监控计算机和控制单元之间需要进 行数据的交换，以便以更好的人机交互方式实现对设备的控制。由于串 行通信是实现两端设备交换数据的主要手段，并遵循统一的标准因而得 到广泛的应用。本系统由监控计算机和以单片机为核心的检测设备组 成，包括主从单片机和a d 转换器等，实现监控计算机和单片机之间的 通信。监控计算机可以处理单片机送来的数据，同时也可以通过条件的 判断对单片机发出指令。由于使用环境的恶劣，在通信中数据易丢失、 出错，在物理层无法完成数据的校验，因而在数据链路层采取了一定的 措施，最主要的就是使用了基于h d l c 数据链路层协议制定的协议。 本论文实现了对测试平台中的测功机的控制。设计了用于扭矩信 号、转速信号等模拟数据向数字信号转换的数据转换卡的驱动程序。驱 动程序的设计进行了两种方案的比较，选定了最优的方案，并在实验中 实现。完成了单片机与监控计算机之间的数据通信，针对特定的环境， 设计了基于h d l c 的数据链路层协议，利用v b 语言的字节处理能力，实 现了该协议。建立了一套传感器的使用和信号处理方法，设计了一套测 功机控制单元硬件，并实现了采用模糊控制策略对测功机的实时控制。 关键词：测试平台，协议，模糊控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sr o o t e di nt h es u b p r o j e c to fn o8 6 3t h a to fk e y t e c h n o l o g i e s f o rm o t o r s c o n t a m i n a t i o n p u r i f i c a t i o n a n di t s i n d u s t r i a l i z a t i o n ( 2 0 0 2 a a 6 4 3 0 1 0 ) ：t h es e t u po f l o w p o l l u t i n g m o t o r s p u r i f y i n gc o n v e r s i o ns y s t e ma n di t sm a t c h i n gd e s i g n s t h em a i np u r p o s ei st os e t u pt h ee n g i n ep l a t f o r mm e a s u r ea n d c o n t r o l s y s t e mi s i t sa i m t h et h e o r yo ff u z z yc o n t r 0 1 、s t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e so f e v e r yp a r ti nt h es y s t e m 、t h ed e s i g no ft h ef u z z yc o n t r o l l e ra r e t ob ei n t r o d u c e d t h e p a p e r e l a b o r a t e st h ec i r c u i t d e s i g n i n c l u d i n gs e n s o r s ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t aa c q u i r i n g ，p 1 v mc o n t r o l a n di n s u l a t e dd r i v i n g ，e t c i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r eo nm a s t e rp c f o ri n s u r i n gt h e t e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e e i r e u i ta n d s o f t w a r ea r ea l s od i s c u s s e d t h et a s ko ft h i sp a p e ri n c l u d e sd y n a m o m e t e rc o n t r o l ，r e a lt i m e d a t ad i s p l a ya n dt h ed a t ac o t m n u n i c a t i o nb e t w e e ns c wa n dc o m p u t e r i nt h i sp a p e r ，t h ed y n a m o m e t e rc o n t r o lb e c o m e sap a r to fs y s t e m i ta d v a n c e st h ea u t o m a t i z a t i o nd e g r e eo ft e s ts y s t e m ，a l l e v i a t e s t h ew o r ki n t e n s i o no fl a ba s s i s t a n ta n di m p r o v e st h ep r e c i s i o n o ft e s td a t a i na u t o m a t i cd e t e c t i n gt e s ta n dc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o m p u t e r e x c h a n g ed a t aw i t ht h ec o n t r o l l i n gu n i ti no r d e rt or e a l i z et h e c o n t r o lb yab e t t e rp e r s o n a n d m a c h i n ea l t e r a t i v ea p p r o a c ho f e q u i p m e n t s t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sp r e v a i l i n gi na p p l i c a t i o n ， a si ti st h em a i na p p r o a c ht oe x c h a n g ed a t ab e t w e e nt w oe q u i p m e n t s u n d e rt h eu n i f i e ds t a n d a r d s t h i ss y s t e mc o n s i s t so fp ca n dt h e d e t e c t i n gs e t t i n g sc o r e db ys i n g l eu n i tc o n t r o l l e r ，i n c l u d i n g m a i n a c c e s s o r i a ls c w a n da ds w i t c h e r ，t oa t t e m p t t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n ds c w p cc a nd e a lw i t ht h ed a t ac a r r i e d b y s c wt h es a m et i m es e n dt h ei n s t r u c t i o nt os c wt h r o u g ht h e c o n d i t i o nd e c i s i o n t h ed a t aa r e1 i k e l yt ol o s ea n de r r o rs oa s t oi tc a nn ob ec h e c k e da n dr e v i s e di np h y s i c a ll a y e rd u et ot h e n o t o r i o u s u s i n ge n v i r o n m e n t a c c o r d i n g t ot h i s p o i n t s o m e m e a s u r e sa r ea d o p t e di nd a t a c h a i nl a y e ra n dt h ec o m m o n e s tw a y i st oa d o p tt h ep r o t o c o lb a s eo nh d l cd a t a - c h a i nl a y e rp r o t o c 0 1 i nt h is p a p e r ，t h e c o n t r o lo fd y n a m o m e t e r ，p a r to ft e s t 武汉理工大学硕十学位论文 p l a t f o r mi sa c c o m p l i s h e da n dt h ed r i v e ro fd a t ac o l l e c t i o nc a r d i sd e s i g n e d t h ed a t ac o l l e c t i o nc a r di su s e dt og a t h e rt h er o t a t e s p e e di n f o r m a t i o n t w op r o j e c t s a r ec o m p a r e di nd e s i g n i n gt h e d r i v e r b e t t e rp r o j e c ti ss e l e c t e da n da c c o m p l i s h e d t h ed a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns c ma n dc o m p u t e ri sd o n e d u et ot h eg i v e n c o n d i t i o n ，t h ep r o t o c o lb a s e do nh d l ci sd e s i g n e d t h ep r o t o c o l i sr e a l i z e db yu s i n gt h ec a p a b i l i t yo fv bl a n g u a g e sd e a l i n gw i t h b y t ed a t a t h ew a yt o u s es e n s o ro ft h es y s t e ma n dt h em e a n st o d e a lw i t hs e n s o rs i g n a la r es e tu p as e to fh a r d w a r ei sd e s i g n e d t h er e a l t i m ec o n t r o lo fd y n a m o m e t e ri sa c c o m p l i s h e db yu s i n g f u z z yc o n t r o lt a c t i c k e y w o r d ：t e s tp l a t f o r m ，p r o t o c o l ，f u z z yc o n t r 0 1 i l l 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 发动机测控系统的发展现状 人类在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获得 客观事物的量值，这个任务我们称之为“测量”；另一方面也要采用各种 方法支配或者约束某一客观事物的进程结果。这个任务我们称之为“控 制”。“测量”和“控制”是人类认识世界和改造世界的两项工作任务， 而测控系统是人类实现这两项任务的手段。按照系统承担任务的不同， 测控系统可以分为三个大类：单纯完成测试或检测任务的“测试系统”、 单纯完成控制任务的“控制系统”和测控任务一体的“测控系统”。 测控系统在工业生产中起着把关者和指导者的作用，它从现场获取 各种参数，运用科学规律和系统工程的方法，综合有效地利用各种先进 技术，通过自控手段和装备，使每个生产环节得到优化，进而保证生产 规范化，提高产品质量，降低成本，满足需要，保证安全生产。 目前测控技术广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和 纺织等行业。传统的测控系统主要由“测控电路”组成，所具备的功能 较少，也比较弱。随着计算机技术的发展，使得传统的测控系统发生了 根本性的变革，即采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，代替传 统测控系统的常规电子线路，从而成为新一代的微机化测控系统。将计 算机技术引入测控系统，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题， 而且还能简化电路、增加或增强功能、提高精度和可靠性，显著增强测 控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、 易于升级换代等【1 j 。 计算机技术的引入，可为测控系统带来以下一些新特点和新功能： 自动对零功能在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从而 大大减低测控系统漂移变化造成的误差； 量程的自动切换可根据测量值和控制值的大小来改变测量范 围和控制范围，在保证测量和控制范围的同时提高分辨率； 武汉理工大学硕士学位论文 数字滤波功能 利用计算机软件对测试数据进行处理，可抑制 各种干扰和脉冲信号； 自动修正误差许多传感器和控制器的特性是非线性的，且受 环境参数变化的影响比较严重，从而给仪器带来误差，采用计算 机技术，可以依靠软件进行在线或离线修正； 数据处理功能利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现 的各种复杂的处理和运算功能，比如统计分析、检索排序、函数 变换等； 复杂控制规律利用计算机技术不仅可以实现经典的p i d 控 制，还可以实现各种复杂的控制规律，例如，自适应控制、模糊 控制等【7 1 ； 通信和网络功能利用计算机的数据通信功能，可以大大增强 测控系统的外部接口功能和数据传输功能。采用网络功能的测控 系统则将拓展一系列新颖的功能1 2 1 。 1 2 课题来源 本论文课题来源于8 6 3 项目摩托车排放净化关键技术及产业化 ( 2 0 0 2 a a 6 4 3 0 1 0 ) 的子项目一一低污染摩托车净化转化系统的建立与匹 配设计。其目的就是针对四冲程摩托车发动机的节能和环保的要求建立 一个用于摩托车发动机的电控燃油喷射系统设计的发动机性能测控系 统，该发动机性能测控系统的功能有： 1 在软件设定下，可对摩托车发动机动态工况进行自动控制。 2 由数据采集系统自动获取各个传感器的技术数据。 3 可对测功机有无冷却水流、油耗仪油量进行自动监控与报警。 4 具有恒转速、恒扭矩控制功能。 1 3 发动机性能测控系统的研究意义及技术方案分析 发动机性能测控系统是为满足发动机制造业中各种不同类型的柴油 机、汽油机、天然气、液化气发动机性能试验和出厂试验而精心设计的 武汉理丁大学硕士学位论文 大型测控系统。它也适用国t 杉 1 - 各种不同的水力、电涡流、电力测功机， 用于控制和测量发动机的转速、转矩、功率、燃油燃气消耗量、温度、 压力、流量等各种不同类型的参数。一个发动机性能测控系统主要包括 电子控制单元( e c u ) 单元、测功系统、数据采集单元等。 随着世界范围内的能源危机及环境污染的日益严重。改善车用发动 机燃油经济性和降低排放便成了人们关注的焦点。而电子控制技术正向 人们展示其无穷的魅力，目前在喷油系统、调速系统、换气系统、废气 涡轮增压系统、进气涡流、配气机构、怠速控制和故障诊断、故障保险 备用控制、操纵机构等方面电控技术都得到了广泛的应用1 3 】。 测功系统作为测控系统中重要的一部分，是测控系统设计的难点和 精华。测功系统是用于测量各种动力机械转速、转矩、功率的测试设备， 它作为电机的试验负载和输出参数( 转速等) 的计量装置，在电机的生产、 检验、测量等领域有着广泛的应用。随着生产水平的提高、科学技术的 发展，测功机已成为科研部门和动力机械生产厂必须具备的实验设备，高 精度、高可靠性和自动化程度高、稳定性能好的测功机系统是现代科技 的需求。目前大多数测功机系统还在使用陈旧老式的模拟控制方案。这 样的系统由于元器件老化、参数漂移、机械配合的误差等原因，致使模拟 控制的测功机系统始终处于一种自动化程度不高的状态，在系统中加载、 调整、稳定参数、检验记录等一系列步骤不能同时完成，给实时数据分析 带来一定难度；在每一状态都需较多的人力和较长的时间，且随着电机温 升的变化，测量数据与电机特性不相吻合，造成实验数据不准确，以致影 响生产。因此，对模拟控制的测功机系统的数字化改造已势在必行，只 有运用先进的数字化测功系统，才能满足新型动力机械的测试要求，得 到高精度、高准确率的实验数据，以满足试验的要求【4 】【”。 课题实现了针对四冲程摩托车发动机的节能和环保的要求建立的一 个用于摩托车发动机的电控燃油喷射系统设计的发动机性能测控系统。 发动机性能测控系统国内外也有类似的研究产品，结合自身的实际，认 为课题建立的发动机性能测控系统利用了现有的设备，只添置了少量的 新设备，节约了成本。达到了实验要求功能。和a v l 公司设计的自动测 武汉理工大学硕士学位论文 控系统比较而言，我们设计的系统功能相对简单，但是实用，课题的主 要工作之一是得到一组有效的发动机工况参数来供实验分析使用，因此 在功能没有a v l 公司设计的测控系统那么完善。其次，开发费用少。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要工作有以下几个方面： 1 实现主控单片机与监视计算机之间的数据交换。 2 完成i s aa d d a 转换卡的驱动程序设计。 3 实现对测功机的电流闭环控制的硬件电路设计、调试。 4 测功机模糊控制策略的实现。 武汉理丁大学硕士学位论文 第2 章发动机性能测控系统 2 1 发动机性能测控系统基本组成 发动机性能测控系统基于测功机、油耗仪、尾气分析仪等外围测试 设备，依照发动机台架试验标准完成各类发动机性能试验、各种工况排 放试验、催化器性能和老化试验、电控匹配和标定试验的数据采集和数 据处理。系统总体框图如图2 一l 所示： 图2 1 发动机性能测控系统功能模块图 图中电控单元( e c u 单元) 和传感器单元构成了一个完整的电控燃 油喷射系统。电控燃油喷射系统的电控单元( e c u 单元) 和传感器单元 硬件结构并未有太大的修改，唯一改变是采用双端口r a m 后，需要把 电控单元的三总线与双端口r a m 连接，同时电控单元的控制参数改放 在双端口r a m 中。监控计算机可以在发动机运行时实时地把电控单元 的控制参数和匹配参数输入电控单元中，电控单元也可以把传感器采集 武汉理工大学硕士学位论文 的数据随时传入监控计算机进行数据和图形两种方式的实时显示。 通过该测控系统，一方面可以方便地对发动机的运行状况进行监测， 由于监控计算机监视的是电控单元数据采集系统采集的发动机工作状 态，在对电控单元的开发中还可以对电控单元的数据采集系统进行评价； 另方面，电控单元的控制参数的变化可以迅速地在发动机上反映出来， 对减小性能参数匹配实验工作量、缩短电控系统开发周期有极大帮助。 1 通信单元 通信单元包括通信单片机、双口r a m 和串行接口。它的功能是确 保e c u 单元和监控计算机之间的数据传输。通信单片机的作用是连接监 控汁算机与双端口r a m ；串行接口的作用是在单片机和监控计算机之间 进行电平转换。如图2 - 2 所示： 通信单元 图2 - 2通信单7 b 原理图 双端口r a m 的主要作用是存储电控单元的控制参数，同时它也是 e c u 单元和监控计算机之间通信的一个数据缓冲。双端口r a m 的特点 是支持从两套总线任意读写存储器所有单元的数据，允许不经过外部仲 裁，能经受冲突地进行双机同步读写存储器中的同一单元，确保了数据 的准确性，简化了系统硬件的电路设计。 双端口r a m 的这种特点使e c u 单元的控制程序与监控计算机的控 制程序之间仅仅存在控制参数的调节关系，也省去了e c u 单元直接与监 控计算机连接时复杂的通信程序。在e c u 单元匹配完毕后，e c u 单元控 制程序只需要把控制参数移入e c u 单元的r o m 中就可以使用。减少了 武汉理工大学硕+ 学位论文 程序的开发量。 ( 1 ) 通信软件 监控计算机通过双端口对e c u 单元进行参数的传递与控制的实施。 监控计算机与e c u 单元的通信程序实际上是监控计算机控制通信单片机 和e c u 单元在双端口r a m 上对不同地址的读数据与写数据。 通信软件要执行的任务主要有两个： 监控计算机读r a m 的内容，首先监控计算机向通信单片机发 送读r a m 命令和所要读r a m 的地址，然后通信单片机根据 这个地址向监控计算机发送这个地址的内容； 监控计算机写r a m 的内容，此时监控计算机向通信单片机发 送写r a m 命令和所要写的r a m 的地址和数据，然后通信单 片机根据这个地址在r a m 上写入所要写的数据。 串行通信中，串行口一位一位地传输数据，在数据传输过程中，难 免会出错。万一出错，将对发动机的运转产生极大的影响，为了保证数 据通信的正确性，在通信软件包中特别设计了错误检测。在通信单元中 通信协议的制定和实施是个重点，我们将在第5 章中详细说明，这里不 再详细叙述。 2 测功机控制单元 测功机控制单元原理如图2 3 所示： 监 模发 控 卜一 数 1 l = d 转速、扭矩调理和测量k 卜 计 转测动 算 换功 机 萱 机机 一 二纠 控制单元 卜 斗 兀 图2 - 3 测功机控制单元原理图 武汉理工大学硕士学位论文 测功机控制单元由模数转换单元、测功机以及转速、扭矩测量部分 组成。主要完成对测功机的转速以及扭矩的测量，得到的参数交给监控 计算机进行分析、处理，然后监控计算机通过分析给出处理结果，通过 改变测功机励磁电流来控制测功机。 模数转换单元主要实现从电路板和传感器中得到的模拟信号向数字 信号的转换，得到的数字信号送到监控计算机中进行处理；另一方面， 当监控计算机需要对测功机进行控制时，将监控计算机的命令变成模拟 的电信号，从而达到控制的目的。 转速、扭矩测量部分完成对测功机最重要的两个参数转速和扭矩 的调理和测量。对于转速的测量主要由硬件f u 电路以及软件数据处理 组成；扭矩的测量主要由扭矩传感器以及a d 6 2 5 芯片构成的放大电路组 成，这两个参量的具体测量过程在第3 章中将详细说明。 3e c l j 单元 e c u 单元主要由主控单片机以及测速单片机组成。主控单片机的功 能主要包括： 控制a d 转换器获取进气温度、缸体温度、蓄电池电压等参数： 计算点火提前角； 计算循环喷油时间； 与测速单片机进行通信获得转速值同时向测速单片机发送点火 提前角控制值和喷油开始时刻值。 测速单片机的程序主要包括以下几个功能： 转速计算和曲轴位置判断 与主控单片机之间的数据通信 接受主控单片机的点火提前角控制和喷油开始时刻控制 点火提前信号发出和喷油开始信号发出 在双单片机系统中，测速单片机要向主控单片机发送转速信息，主 控单片机要对测速单片机发出的点火提前角信号和喷油时刻信号进行控 制，它们之问的通信采用串行通信。 4 传感器单元 武汉理工大学硕士学位论文 传感器单元主要由标量发动机缸体温度、进气温度、节气门位置、 曲轴位置以及曲轴转速这几个发动机性能测试对象的传感器组成。 2 2 测功机功能及其工作原理 涡流测功机是一种动力测功设备，具有体积小、重量轻、结构简单、 测量精度高、转动惯量低、使用维护方便等优点，特别适用于自动控制 与远距离操纵。随着动力设备不断地向高速大容量发展，涡流测功机也 相应获得迅速发展。涡流测功机广泛地应用于航天航空、石油、汽车、 航海、机械等方面，涡流测功机的测控系统的可靠性及精度是我们面临 的重要问题。 本文使用的测功机为c w 系列电涡流测功机，由于涡流测功机测控系 统工况复杂，测控精度要求高，比如转速要求额定转速1 0 0 0 0 转的情况 下，测量的转速误差为o 1 ，而其检测的目标有励磁电流、转速和扭矩， 使得其控制变得比较复杂；特别是对于容量比较大的设备，其转动惯量 大而使整个控制部分的设计难度较大，使涡流测功机的优点难以得到充 分的发挥。涡流测功机由电枢、励磁绕组及感应子所组成，c w 盘式电涡 流测功机主要由旋转部分( 感应部) 和电枢和励磁绕组组成，感应盘形 状犹如直齿轮，一般由低碳钢制成。而产生涡流的地方是冷却室壁，当 给励磁绕组通上直流电以后，围绕励磁绕组产生一个闭合磁通，当感应 盘被原动机拖动旋转时，气隙磁密随感应盘的旋转而发生周期变化。由 此，在冷却室的表面及一定的深度范围内将产生涡流电势，并产生涡流； 该涡流所产生的磁场又与气隙磁场相互作用，就产生7 n 动转矩。因此， 当原动机拖动感应盘旋转时，对装有涡流环的电枢就通过传力臂把它所 产生的制动力矩传至测力装置上，从而达到测量转矩和功率的目的，这 就是测功机的工作原理。 2 3 测功机的控制实现 电涡流测功机有恒转速和恒扭矩等控制方式。 恒转速控制方式转速的设定值和实测值进行比较，比较后的 武汉理工大学硕士学位论文 差值经调节，按选定的控制方式自动调节涡流制动器的励磁电 流，改变测功机的转速使其等于设定值，达到所要求的控制特 性。 恒扭矩控制方式扭矩的设定值和实测值进行比较，比较后的 差值经调节，按选定的控制方式自动调节涡流制动器的励磁电 流，改变测功机的扭矩，使其等于设定值，达到所要求的控制 特性。 本文讨论恒转速状态下测功机的控制。传统测功机控制主要采用p i 或者p i d 控制。但是，p i 或p i d 调节是根据控制系统的物理、化学以及 力学的特征，导出一些常常是复杂的模型方程，求解这些方程需要复杂 的算法，并且由于现实中往往是多变量、非线性、时变大的系统，使得 系统的复杂性与控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。 p i d 或p i 控制器参数的确定依赖模型的参数，当针对一种型号的电 机整定控制器参数时，往往会有较好的控制性能，但对于另一种型号的 测功机，若其机械时间常数有较大的变化，则上述p i d 或p i 控制器的调 节性能将很不理想，会出现大的超调或响应速度慢等现象。因此单纯采 用传统的p i d 控制进行系统设计，实际证明其控制效果不能令人满意。 为了解决这个问题，本系统采用模糊控制和p i 调节器相结合的控制方法 来实现对测功机的控制。其中转速调节a s r 采用模糊控制器，它的作用 是对转速的抗扰调节并使之在稳态时候无静差；电流调节器a c r 用p i 调 节器，它的作用是电流跟随，过流自动保护和及时拟制电压扰动。测功 机恒转速调速控制系统原理图如图2 4 所示： 图2 4 测功机恒转速调速控制系统原理图 武汉理工火学硕士学位论文 u n * ，u n 一转速给定电压和转速反馈电压 u i * ，u i 一电流给定电压和电流反馈电压 t a 一电流传感器，v m o s f e t 管 从上图可以看到，恒转速调速控制系统包括两个闭环部分： 1 转速闭环a s r ，用模糊控制器； 2 电流闭环a c r ，用p i 调节器。下面就这两个部分分别说明。 2 3 1 模糊控制器 模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。这种 控制方法是一种非线性的控制方法，对那些无法确定数学模型和数学模 型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决了一些用传统控制 方法无法解决的问题。模糊控制是建立在人类思维模糊性的基础上的， 它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控 制理论那样需要用矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是在于它用具 有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制，控制规则往往是 由对被控过程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制在本质上来说 是一种专家控制，这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。 模糊控制与经典的p i d 控制系统有着明显的区别：模糊控制系统不需 要建立数学模型，只需要人类的经验，进行自适应控制，而对于p i d 控 制来说，最好要有数学模型，要进行参数调节比较麻烦和困难。最主要 的是，通过模糊控制可以有效地抑制系统控制过程中的振荡和超调现象 5 1 1 ，从而快速、稳定地达到控制目的；可以使系统被测测功机很快运行 到期望的转矩、转速以及功率点，以实现调节快速性。 1 模糊控制器的控制规则设计 控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三个部分设计 内容：选择描述输入输出变量的词集，定义个模糊变量的模糊予集及建 立模糊控制器的控制规则。 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描 武汉理工大学硕士学位论文 述输入输出变量的状态的一些词汇( 如“正大”、“负小”等) 的集合， 称为变量的模糊状态。对于二维模糊控制器，其输入变量有两个：误差 和误差的变化。误差这个输入变量选择其状态为f n b ，n m ，n s ，z o ，p s ， p m ，p b ) ，而对于误差变化这个输入变量，描述其状态的词汇词集为 n b ， n m ，n s ，z o ， p s ，p m ，p b ) 。在本文中，转速的误差为e ，转速误差的变 化为e c 。控制规则表如下表2 1 所示： 表2 - 1 控制规则表 愁 n bn mn sz ep sp mp b n bp bp bp bp bp mz ez e n mp bp bp bp bp mz ez e n sp mp mp sp sz en sn s z ep mp mp sz en sn mn m p sp sp sz en sn sn mn m p mz ez en mn bn bn bn b p bz ez en mn bn bn bn b 建立模糊控制规则表的基本思想如下：首先考虑误差为负的情况， 若误差的变化为负大，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大 误差并抑制误差变大，所以控制量的变化取正大。当误差为负中时，控 制量的变化应该使误差尽快消除，基于这种原则，控制量的变化选取同 误差为负大时相同f l 】。 2 模糊化 模糊化是精确量到模糊量的转化过程，常用的模糊化方法有两种： 方法之一是把精确量离散化，如把在 一6 ，+ 6 之间变化的连续量分为七 个档次，每个档次对应一个模糊集，这样处理使模糊化过程简单；另一 个方法是将在某区间的精确量x 模糊化成这样一个模糊子集，它在点x 处的隶属度为1 ，其余各点的隶属度为0 。 3 论域、量化因子以及比例因子 武汉理工大学硕士学位论文 模糊控制器的输入变量误差、误差的变化的实际范围称为这些变量 的基本论域。设误差变量所取的模糊子集的论域为： 卜5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 误差的变化变量所取的模糊子集的论域范围为： ( 一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，一0 ，+ 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 l 控制量变化范围为： 卜5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 根据上面的变化范围，建立控制表如表2 2 所示： 表2 2 模糊控制表 这 543210+ l+ 2+ 3 + 4 + 5 555544443333 - 4 5554 43 32o0o 354444332oo0 244433321o0o - l443332l1o一1 1 ，033222 1l01- 12 + o32211o01123 + l222l1o0- 123 4 + 222l011223- 34 + 32100 12233- 4- 5 + 41oo0o123345 + 50ooo 123 - 4 - 455 当监控计算机实现模糊控制算法进行模糊控制的时候，每次采样得 到的被控制量需经监控计算机计算，便得到模糊控制器的输入变量误差 及误差变化。为了实现模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到 响应的模糊集的论域，这中间必须将输入变量乘以相应的因子，从而引 出量化因子的概念。误差的量化因子为k e ，误差变化的量化因子为k e c 。 在实际工作过程中，一般误差和误差变化的基本论域范围要比模糊论域 范围小，因此，量化因子一般是大于l 的。此外，每次采样经模糊控制 算法给出的控制量，还不能直接控制对象，还必须将其转化到为控制对 武汉理工大学硕士学位论文 象所能接受的基本论域中去。本论文中，误差的量化因子取k e = o 2 ，那 么表中的数字5 描述的是实际转速高于给定转速1 0 转的情况；一5 描述的 是实际转速低于给定转速1 0 转的情况。由此可知，系统转速控制的精度 是在给定转速n 的 n i 0 ，n + l o 范围内。 4 模糊控制算法的实现 根据采样得到的转速误差e ，转速误差变化e c ，模糊量化后，直接 查表可以获取控制量的变化值，再乘以输出控制量的比例因子k u ，就可 以作为输出去控制被控对象了。算法程序框图如图2 - 5 所示： 设置基本论域及初值 误差e ： - x 。，x 。 误差变化e c ： x 卵，x 杯 控制量u ： - r “，y “ + 中断采样 土 计算e ，e c ，比较e ，e c 是否在论域范围 上 e e c 模糊化处理，查询控制表得到u ， u + k u o u l 图2 - 5 模糊控制算法程序流程图 模糊控制函数的程序实现： p u b l i ef u n c t i o nc o n t r o l t a b l e ( ea si n t e g e r i n t e g e r d i ma a aa si n t e g e r i f ( e 6 ) t h e ne = 6 i f ( e 6 ) t h e ne c = 6 i f ( e c l j ) ，( r e s u l t 一 y s ) ) f c l o s e ( f p ) ： r e t u r n ( 0 ) ： i n tw r i t er e s u l t ( s t r u c tr e s u l t d e f i n e 宰r e s u l t ) 写入数据到记事本 f i l e f p ： i f ( ( f p = f o p e n ( ”r e s u l t t x t ”，”w ”) ) = 2 n u l l ) ( p r i n t f ( ”f i l ec a n n o to p e n ”) ； e x i t ( 1 ) ； j f p r i n t f ( f p ，”3 3 f n f n ” ，r e s u l t 一 l j ，r e s u l t 一 y s ) ： f e l o s e ( f p ) ： r e t u r n ( 0 ) ： ) 通过实验可以看到，在调用c 程序后，c p u 资源几乎被占用9 0 ， 极大的影响了其他程序的运行。同时，每次调用c 程序后，打开一个 d o s 的运行窗口，该窗口无法自动关闭。多次运行后，会有多个d o s 的 程序在后台运行，使计算机陷入死机状态。分析原因，认为一个d o s 程序作为一个单独的进程存在，操作系统必须分配相应的计算机资源 武汉理工大学硕士学位论文 来运行这个进程。因此，编写d l l 来作为v b 程序的内部函数是较好的 解决方法f 3 ” 3 4 11 3 5 1 。 4 2 动态链接库技术 a c t i v e xd l l 是一种进程内服务器程序，即客户使用进程内服务器 时，服务器在客户应用程序地址空间内运行，其执行速度远比调用进程 外服务器( a c t i v e xe x e ) 快。因此，可创建一个a c t i v e xd l l 动态链接库 ( 服务器) ，编写实现不同功能的库函数( 子程序) ，并将库函数( 子程序) 封装在一个类中，需要时即可调用这些库函数( 子程序) 了。又由于d l l 是在客户应用程序运行时才加载到程序中的，这样既简化了编程和调试 工作，又节约了存储空问，同时加快了运行速度。 4 2 1 动态链接库与动态连接 实行动态连接首先需要建立相应的动态链接库，所谓动态链接库 ( d y n a m i cl i n kl i b r a r i e s ，简称d l l ) 是指一个在运行时进行连接的、可 执行的代码或数据模块。 建立动态链接库的一个重要意义在于可以使不同的应用程序能共 享库中的代码和数据，这样就可以充分利用系统资源，并且能够建立供 所有程序使用的标准库。动态链接库在程序形式上和应用程序相似，它 们具有相同的文件格式，均为一个“执行模块“。但是，通常动态链接 库不能直接运行，也不象般的应用程序必须有一个消息循环随时准备 接受消息，动态链接库是不接受任何消息的f 3 8 】。 动态连接库只有在别的应用程序调用了其中某个函数以后才会发挥 作用。另外，动态链接库没有自己的堆栈，所以应用程序调用动态链接 库中的函数时，动态链接库可以使用自身的数据，但是必须使用调用它 的函数的堆栈。 众所周知，m i c r o s o f tw i n d o w s 是一个具有优良的图形界面和强大 的功能的操作系统，为了在有限的内存里运行多个程序，该系统采用了 两种重要的技术，一种是虚拟内存技术，两另一种就是动态链接库技术。 武汉理工大学硕士学位论文 由于动态链接库具有代码共享的特点，而且应用程序可以象使用w i n d o w s 库函数一样地使用d l l 内的函数，因此，我们可以把d l l 看作是操作系 统的动态扩张。从理论上讲，d l l 可以对操作系统的功能进行无限扩展， w i n d o w s 本身也证明了这一点。该系统的g d i ，u s r ，k e r n e l 虽然扩展名 为e x e ，但实际上都是d l l 。不仅如此，w i n d o w s 的标准设备驱动程序和 所有库函数也是由d l l 实现的。启动时，w i n d o w s 首先建立支持d l l 的机 制，然后通过这些d l l 对d o s 的全面扩展就形成了功能强大的w i n d o w s 。 在应用程序中使用动态链接库具有以下优点： 应用程序编译连接生成的可执行文件较小。 应用程序所需使用的内存开销少。 应用程序易修改更新。 另一方面，在应用程序中使用动态连接库时，由于应用程序必须依 靠动态连接库才能正常运行，因此，动态连接库的存放位置一定要设置 正确，否则，应用程序将无法独立运行。 4 2 2 动态连接与静态连接 动态连接是区别于静态连接的一种不同的应用程序技术，这里以d o s 下l i n k 程序和w i n d o w s 应用程序的使用为例，分别说明两者的工作原理。 d o s 下l i n k 程序可以把函数的可执行代码拷贝到目标文件，最终形 成可执行文件，该文件包含了运行时所需的全部代码，这种方式称为静 态连接。但是，在w i n d o w s 环境下，由于可同时执行多个应用程序，如 果仍然使用静态连接，则内存中就可能出现同一个函数的多个代码，这 样就造成了对本身就有限的内存空间的浪费。因此，w i n d o w s 引进了动态 连接技术，它既可以完成静态连接的功能，又可以充分共享代码以节约 内存。 在开发应用程序时，使用动态连接与静态连接有以下不同之处： ( 1 ) 。使用的库文件不同。静态连接使用的库函数( l i b 文件) 是不可执 行的，而动态链接库( d l l 文件) 是一个包含若干函数的可执行模块。 ( 2 ) 连接的时机不同。静态连接是在编译时完成的，而动态连接是 武汉理工大学硕士学位论文 在程序执行时才连接，随着程序的退出，这种连接又会断开直到下次执 行时再建立。 ( 3 ) 静态连接是由程序员执行外部命令l i n k 完成的，而动态连接不 需要操作人员的任何干预，除非应用程序没有找到相应的d l l 而报告错 误，否则操作人员感觉不到d l l 的存在和动态连接过程 ( 4 ) 静态连接生成的是一个不可分割的可执行文件，连接完后不再 需要库的支持，而d l l 和调用它的应用程序是两个孤立的模块，它们相 互依赖，共同组成一个完整的程序。 ( 5 ) 连接方法不同。静态连接是将程序中被调用的函数从库文件中 拷贝到目标文件中，动态连接却不从任何d l l 中拷贝任何代码，而是将 d l l 加载到内存，然后重新定位应用程序中的有关指令，使其与d l l 中的 函数连接起来。动态连接不会对d l l 的函数代码产生任何影响，因而， 一个d l l 可以同时和多个应用程序相连接而正常工作。 4 2 3 动态链接库函数和环境下d l l 的引用 动态链接库可以用任何支持w i n d o w s 开发的高级语言编写，例如， t u r b op a s c a l ，b o r l a n dc c + + ，m i c r o s o f tc c + + 等。但就通常的v b 程 序设计来说，并没有办法设计出一个能够直接处理计算机硬件界面的程 序，也没有办法去处理大量动态的内