（机械工程专业论文）液体粘性调速离合器中模糊控制器的硬件研制.pdf

上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 液体粘性调速离合器，简称液粘调速离合器，亦称奥美伽离合器，它利用液 体粘性和油膜剪切作用实现转矩的传递，并通过改变摩擦副之间的距离实现无级 调速功能。当不考虑轴承和密封等的摩擦损失时，液体粘性调速离合器输入转矩 等于输出转矩，转速可以从异步到同步无级可调。它可广泛应用于需要无级调速 的各种场合，如在重载的工况下，实行“软启动”，即可控制地逐步克服整个系统的 惯性而平稳地启动。“软启动”不仅能够大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲 击，延长关键零部件的使用寿命，同时还能大大缩短电动机启动电流的冲击时间， 减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响，从而节约电能并延长电动机的工作 寿命，特别适用于大功率风机水泵的调速、节能。由于粘性调速离合器有节能， 改善启动特性，以及提高设备工作寿命等特点，国内外已有不少学者与企业纷纷 研制与开发该类设备，设法提高该产品的科技含量与运行性能，并且取得了很大 的进展。 本文主要从该设备的控制器出发探索模糊控制实现的可能性，并采用算法软件 与实现硬件相结合，完成控制器的设计。控制器的元件由如下几部分组成：核心 为一个8 位的a v r 单片机；1 6 4 液晶显示模块；3 8 个轻触按键用于参数、程序 的监视与输入：8 个通用的输入接口控制程序的流向，并可根据程序中条件的设 定；8 个通用的输出接口输出开关量信号，以实现与其它控制单元简单的通讯功 能。控制算法采用模糊控制算法。该控制器采用光电编码器作为速度反馈检测元 件，实时监测控制对象的变化；其指令参数可以是由参数设置，亦可由外部条件 决定。反馈和指令的输入加上软件的智能运算构成了整套系统的闭环控制，从而 实现了对转速的实时有效的控制。为了提高系统整体的可靠性，该控制器还具有 对温度、主动电机转速等的监测输入接口，并可通过界面显示和输出接口输出对 应的信息，由用户选择控制或由事先编制的程序流向控制。 作者简述了模糊控制技术以及在控制器中的应用，完成的硬件设计、制作与软 件的测试，已初步达到了设计要求。本文还对不同的硬件设计方案，器件的选用、 测速方法等进行了分析比较与讨论为进一步开发更高品质的产品提供了建设性建 议。 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 关键词：控制器模糊控制液粘调速离合器单片机应用 上海大学工程硕士学位论文 塾! 墅塾巴! 竺坐坠! ! 堕曼垫塑丛生望堡! 竺! 堕 a b s t r a c t t h ew e ts p e e d i n gc l u t c h ，w s cf o r s h o r to rc a l l e do m e g ac l u t c h ，p r o v i d e s a d e q u a t et o r q u eb yo i l f i l mt r a c t i o nw i t h i nf r i c t i o nd i s h e s t h eo u t p u ts p e e dc o u l db e o b t a i n e ds t e p l e s s l yb yc h a n g i n gf i l mt h i c k n e s sw i t h i nf r i c t i o nd i s h e s t h ei n p u tt o r q u e i sa l m o s te q u a lt ot r a n s m i t t a lt o r q u ei fl o s so fb e a r i n ga n ds e a li nt h ed e v i c ec a l lb e i g n o r e d ，a n ds p e e do f t h ed e v i c ec a nb ea d j u s t e ds t e p l e s s l y i ti sw i d e l yu s e di nm i d d l e o rh e a v yl o a dr e a l mf o rs o rs t a r t i nt h i sc a s e ，i tc o u l do v e r c o m es y s t e mi n e r t i af o r s t a r t i n gm a c h i n eu ps m o o t h l ya n ds t e a d i l y t h es o f ts t a r tn o to n l yr e l e a s ea t t a c ko n d e v i c ew h e ni ti ss t a r t e db u ta l s oc u td o w nt h es t a r t i n gc u r r e n tt i m et ot h ep o w e rn e ta n d t h e r m o a t t a c kf o rt h em o t o r , w h i c hm a k e sd e v i c er u nl o n ga n di sag o o ds a v i n ge n e r g y d e v i c e t h ed e v i c ei sw i d e l yu s e di nl a r g ep o w e rw i n d - m a c h i n ea n dw a t e rp u m pf o r s a v i n ge n e r g ya n ds p e e d i n g s i n c e t h ed e v i c eh a sa d v a n t a g eo f s a v i n gp o w e ra n dl o n g w o r k i n gl i f e ，m a n ys c h o l a r sa n de n t e r p r i s e si na l l a b r o a da n do u rc o u n t r ya n dh a v e b e e nd e v e l o p i n ga n df a b r i c a t i n gt h ed e v i c e a n dt 1 1 i n ku pt h em e t h o dt op r o m o t et h e 1 1 i 曲t e c h n i q u ea n dg o o dq u a l i t y i nt h ed e v i c e s o m eg o o da c h i e v e m e n th a sb e e n a r r i v e d t h e p a p e rs e e k sf o rp o s s i b i l i t yo ff u z z yc o n t r o li nw s c c o n t r o l l e ra n da c h i e v e s c o n t r o ld e s i g nw i t hc o m b i n a t i o na l g o r i t h ms o f t w a r ea n dp r a c t i c a lh a r d w a r e t h ek e y c o m p o n e n ti n t h ec o n t r o l l e ri sa8b i t sa v rc h i p m i c r o p r o c e s s o nf u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mi se m p l o y e d l c d ，16 x 4 ，a n d3 8l i g h tt o u c hk e y b o a r da r eu s e df o rc o n t r o l p a r a m e t e ra n dp r o g r a mi n p u t t i n ga n dm o n i t o r i n g t h ec o n t r o l l e rh a s8c o m m o ni n p u t i n t e r f a c e sf o rp r o g r a mf l o w i n g ，a n dh a s8c o i t l w i o no u t p u ti n t e r f a c e sf o re x p o r t i n gt h e s w i t c hi n f o r m a t i o nb a s e do nc o n d i t i o ni n p r o g r a m ，w h i c hc o m m u n i c a t ew i t ho t h e r c o n t r o lu n i t s t h ep h o t o e l e c t r i cc o d e rt a k e sr o l ei ns p e e df e e d b a c kt om o n i t o ro b j e c t c h a n g i n g i nr e a lt i m e ，w h i c ho r d e r p a r a m e t e rc a nb es e tu p w i t had a t ao rd e t e r m i n e db y e x t e r n a lc o n d i t i o n t h ec l o s ec o n t r o lc o n s i s t so ff e e d b a c k ，o r d e r , a n ds o f t w a r e i n t e l l i g e n to p e r a t i o nf o re f f e c t i v es p e e dc o n t r o li nr e a lt i m e t h ec o n t r o l l e ra l s op r o v i d e s t e m p e r a t u r e ，m o t o rs p e e da n do t h e r sd e t e c t i n gi no r d e rt oe n h a n c es y s t e mr e l i a b i l i t y , i l l 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y w h i c h o p e r a t e i np r o g r a mo rc o n t r o lp l a n n e db yu s e rt h r o u g hi n p u ta n do u t p u ti n t e r f a c e t h ea u t h o rb r i e f l yi n t r o d u c e sf u z z yc o n t r o lt e c h n i q u ea n da p p l i c a t i o ni nw s c c o n t r o l l e r , a c c o m p l i s h e sd e s i g n , f a b r i c a t i o no f h a r d w a r eo fc o n t r o l l e r , d e t e c t ss o f t w a r e ， a n d i n i t i a l l yn l e e t sr e q u i r e m e n to fd e s i g n t h ep a p e r a l s od i s c u s s e sa n d a n a l y z e ss e v e r a l s c h e m e so fh a r d w a r ed e s i g n ，s e l e c t i o n so fp a r t s ，a p p r o a c h e so fs p e e dd e t e c t e d ，t h e c o m p a r e i sa l s om a d ei nt h ep a p e r ，w h i c hp r e s e n t st h ep o s i t i v es u g g e s t i o nt od e s i g na n d m a n u f a c t u r e h i g h e rq u a l i t yc o n t r o l l e ro f t h ew s ci nf u t u r e k e y w o r dc o n t r o l l e r f u z z y c o n t r o l c h i pm i c r o p r o c e s s o ra p p l i c a t i o n w e t s p e e d i n g c l u t c h i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：磁：盔日期竺仝：! 予 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝盘：导师签名：i ：l 遣日期：竺上1 2 上海大学工程硕士学位论文 堡! ! ! ! ! 墅! 尘! 堕! 皇! ! 尘! ! ! 堕韭型堕呈! ! ! ! ! 堡 第一章引言 1 1 课题来源与背景 液体粘侄调速离合器，简称液粘调速离合器，亦称奥美伽离合器，是一种利用 液体粘性和油膜剪切作用无级可控研制成功的高新技术节能产品。当不考虑轴承 和密封等的摩擦损失时，液体粘性调速离合器输入转矩等于输出转矩，转速可以 从异步到同步无级可调。广泛的用于重载的工况下，实行“软启动”，既可控制地逐 步克服整个系统的惯性而平稳地启动。“软启动”不仅能够大幅度减轻传动系统本身 所受到的启动冲击，延长关键零部件的使用寿命，同时还能大大缩短电动机启动 电流的冲击时间，减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响，从而节约电能并 延长电动机的工作寿命。由于这些特性，它被广泛应用于需要无级调速的各种场 合，并且特别适用于大功率风机水泵的调速节能。 据预测在全国电力系统中的火力发电机组：在石化工行业，天然气的西气东输 项目，每5 0 公里需要一个加压站；在冶金工业中，发展大型转炉、电炉、炉外精 练、连铸与薄板轧钢；在农业发展的集约化、城市基础设旌建设中均隐含了需要 无级调速的风机与水泵的市场，也间接的反映了液体粘性调速离合器应用的市场 潜力。随着我国改革开放与建设的需要，引进了大量的成套设备，其中就有该类 设备，有些已到了使用寿命。一方面有大量的新品市场，另一方面又有更新换代 的需求，国产化技术显得更为突出，给粘性调速离合器的研制提供了基础。在此 背景条件下，由生产该类设备的企业提出了粘性调速离合器的工作机理研究与控 制器研制项目，本课题是其中的一部分力求探索液体粘性调速离合器中模糊控制 器的硬件研制。 1 2 液体粘性调速离合器控制器的回顾 液体粘性调速离合器靠流体的粘性传递转矩，而它的调速是靠改变摩擦副之间 的距离而实现的。改变摩擦副的距离方法可采用液压为执行部件。而控制液压的 方法有 直接手动控制，它只能实现合与开的功能，等于联轴器； 手动电液控制或手动调节控制电压，从而改变油腔压力实现调速； 第1 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 伺服分配阀控制，作用于分配阀上的压力，经空气线性开关何服成比例的 控制油腔压力实现调速： 伺服闭环控制系统，系统的输出量可以跟踪随机指令信号的变化而变化： 自动调节闭环控制系统，系统的输出量为近似常量； 过程闭环控制系统，输出以给定的时间函数实现控制。 前三种控制方式均属于开环控制方式。随着控制技术与电子技术的发展，目前 液体粘性调速离合器均主要采用后三种，即电液闭环控制方式。 电液闭环控制就是控制系统的指令、信号处理、检测反馈均采用电子器件，经 转换放大后由液压元件完成执行。这是由于液压作为执行元件具有功率重量比大、 转矩惯性矩大、很大的功率传递能力；液压控制系统负载刚性大，精度高，安全 可靠等特点决定的。 电液比例阀是电子控制器直接控制的对象。在工作流量范围内，阀的输出压力 与输入的电流( 或电压) 成正比，可连续无级调节液压系统的压力。输入的电流 ( 或电压) 小，阀的输出压力就小，离合器被动轴转速减小”。 液体粘性调速离台器闭环控制的心脏是电液比例溢流阀、电液比例减压阀、或 电液压力伺服阀。而其控制中心即整套系统的大脑就是控制器，并通过它使该系 统实现最优的无级调速控制。 近年来已有不少学者对采用电液控制技术来实现无级调速进行了分析探讨和 运用【2 训，美国、德国、澳大利亚、日本是该产品的主要设计生产国。美国t w i nd i s c 公司和p h i l a d e l p h i a 公司是生产液体粘性传动装置的主要品牌厂商，其产品的最 大功率可达2 ) 7 - 5 力，均采用电液控制技术来实现系统的调速控制或稳态控制， 其控制器设计仍采用通常的p i d 控制技术。 1 2 1 国内研制的情况 9 0 年代中期国内北京理工大学，煤炭总院太原分院分别曾对液体粘性调速离 台器闭环控制的硬件进行研制。 北京理工大学研制的液体粘性调速离合器的控制硬件是采用了电子式转速反 馈的闭环控制系统。液体粘性调速离合器转速闭环控制系统的原理图为图l l ，其 中虚线框内为闭环控制系统的电子控制器的各个功能模块。主要持点是： 采用了先进的电液比例控制技术，这种控制的特点是对油的清洁度无特殊要 第2 页 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t e t h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 求，制造成本低，能量损失低，稳态和动态控制性能( 即稳定耩度和响应持性) 能够充分满足液体粘性调速离合器的使用要求： 采用了转速反馈闭环控制系统使调节的输出转速十分稳定： 转速反馈为电子式，即通过磁电转速传感器获得转速信号，由电子控制器进行 反馈。这一系统的优点是响应快、反馈系数调整容易、可以很方便地对系统实 行比例控制、比例积分控制等多种控制方式，使控制系统达到满意的控制性能、 并且可以进一步与微型计算机相联，对系统进行自动程序控制和最佳匹配控 制。 电子控制器的功能有两项，一是通过向电液比例溢流阀提供不同的电流，对活 塞产生不同的压力，调节油膜厚度，达到对输出转速的无级调节；二是通过由磁 电转速传感器提供的输出转速反馈信号，构成对转速的闭环控制，使输出转速稳定，同时 扩大稳定的调速范围。 图l 一1 煤炭总院太原分院研制的液体粘性调速离合器的控剖硬件如图卜2 所示。他们 采用工业微机控制技术来实现液体粘性调速离合器的调速，应用s t d 总线技术完 成各模块与微机的连接与通讯。 第3 盘 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t e t h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 液压油箱温度 进油口温度 液体压力 启动 停车 手，自动 主机停车 速度输入 信 号 调 理 前 置 放 大 门 控 电 路 a d 辖 换 电源1 1 总线匹配扳 显示i i 键盘 功 塞 输 出 主电机 冷却器 二位二通 二位三通 故障指示蜘 d ，l a 誓忙 图1 2 液体粘性调速离合器的控制简图 1 2 2 国外研制的情况 在国外，美国t w i nd i s c 公司和p h i l a d e l p h i a 公司是最早生产液体粘性传动 装置的厂商。其产品的最大功率可达2 万马力。德国和日本也先后研制出了具有 各种特点的液体粘性传动装置。 早期的液体粘性传 动装置首先应用在大型 的风机和水泵上，用于这 些设备的无级调速，并起 到了良好的节能效果。随 着电子技术、控制技术的 发展，液体粘性调速离台 器的产品日趋成熟，技术 含量越来越高，性能越来 越好，应用的场合也越来图i - 3 日本液体粘性调速离合器的转速控制图 第4 页 饥 总线工业控制机 哪 开关量输入一一脉冲计数 上海大学工程硕士学位论文 ! 生里! 壁塑圃婴! 里鲤! ! ! ! 垦塑g 型堕璺! ! ! ! ! 堕 越广。美国、澳大利亚、日本是该产品的主要设计生产国，目前均已采用电液控 辫嚣群 奥米伽阀的对称位置上_ 件桔性牙酬盛产甾霭 薯膏音芷-hil ! ! ! l 、 釉平衡重。屉i 羞锸 美国液体粘性调速 舞片 离合器的转速控制系统 见图l 一4 。油缸压力是 严型荸器j 急t 请 蔓琦lj ；- - * - _ 由压力伺服阀控制的。压图1 4 美国液体粘性调速离合器的转速控制系统 第5 页 上海大学工程硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 力伺服阀是一个电液转换器件，它接受转速控制器给出的电信号指令，并按比例 将电信号转换为压力信号，改变油缸压力，达到调速的目的。该系统可以用手动 或自动方式进行调速。自动控制时的信号往往来自水泵和风机的压力、流量和液 面高低。 转速控制器的作用是向压力伺服阀提供一个预定转速的指令信号，一般是电流 信号。同时接受磁电转速传感器提供被动轴转速的反馈信号，经过比较、运算和 处理后得到的误差信号，经功率放大，然后向压力伺服阀提供电流信号以控制油 缸压力。 这一闭环转速控制系统的持点是应用了高精度和高响应性的压力伺服阀。因 此，它的控制精度高、响应快，其缺点是压力伺服阀加工精度高、工艺要求严格、 成本高、滤油精度高。 随着电子技术的发展，液体粘性调速离合器的转速控制的发展主要体现在两个 方面，一就单个设备而言其调速控制从模拟控制技术的应用向数字控制技术应用 过渡；二就多个设备并联组合而言，调速控制往往采用p l c 、工业微机控制技术， 实现与上位机的通讯。无论怎样，采用全数字化技术可以将这两方面很容易的结 合，并可以采用当今的现代控制理论对该设备进行调速控制，从而提高该设备的 高技术含量与适用性。 1 3 本课题主要研制内容 作为一种新的技术，数字化技术具有模拟电路所无法取代的诸多优点：界 面清晰，人机对话方便；参数设置灵活，可以发展成自适应系统：对环境抗 干扰能力强，无温漂、零漂等模拟电路无法克服的缺陷；可以采用多种算法。 并灵活实现；元器件少，可以提高产品可靠性，对生产、管理均有好处。因此， 全数字技术大有取代模拟技术的趋势。 本课题的目的就是利用当今的全数字化技术，来开发研制液体粘性调速离合器 的调速控制的硬件电路。从建立调速离合器的控制模型出发，利用模糊控制的特 点，研究模糊逻辑技术在液体粘性调速离合器控制中的应用，在控制模式上可以 适用传统的控制理论也能适用于程序控制，实现控制的智能化，完成液体粘性调 速离合器的调速控制硬件的开发研制。该方面的工作目前尚属起步阶段。在制造 第6 页 上海大学工程硕士学位论文 堑! 里! 璺g 翌堂堂堡型! 竺! ! 垒坚曼墅坐塑型笪 业日益复苏的今天，作为对液粘调速离合器控制的一种方法，讨论模糊技术的应 用对提高其产品性能和质量有着重要意义。 第7 页 上海大学工程硕士学位论文 坠! 里! ! ! 壁! 蝤! 婴壁! ! ! ! 皇塑业! ! 竺呈! 堡翌塑 第二章计算机( 数字) 控制技术 控制器是整个调速系统的中心，是整个系统完成节能任务的关键所在，它的控 制方式决定了调速控制的性能。早期的控制器以晶体管分立元件和集成元件为核 心的无触点系统，七十年代以来，伴随着集成电路的集成度越来越高，微处理器 诞生了，并以它强大的运算能力、超常的运行速度以及操作的简易性能迅速得到了 广泛的应用。因此，控制器的控制方式由此亦分为四个发展阶段：手动控制、电 液控制、模拟控制和数字( 计算机) 控制。 作为种新的技术，数字化技术具有模拟电路所无法取代的诸多优点【5 l ： 界面清晰，人机对话方便； 参数设置灵活，可以发展成自适应系统； 对环境抗干扰能力强，无温漂、零漂等模拟电路无法克服的缺陷； 可以采用多种算法，并灵活实现； 元器件少，可以提高产品可靠性，对生产、管理均有好处。 因此，全数字技术大有取代模拟技术的趋势。 在工业应用中，采用计算机控制技术最普遍、最实际的就是单片机控制，亦 称为微控制器或微处理器，它是在一块芯片上集成中央处理部件( c p u ) 、存储器 ( r a m 、r o m 或e p r o m ) 和各种输入输出接口( 定时器计数器、并行i o 或串 行a d 转换接口等) ，这就构成一台计算机的基本组成【6 1 。 其功能主要是实现对数据的实时分析计算以及输出控制，因而需要较高的速 度来处理、响应各种数据的变化，并迅速做出反应。自从1 9 7 6 年美国i n t e l 公司 推出了第一代8 位通用m e g 一4 8 系列单片机以来的2 0 多年间，单片机技术蓬勃发 展，质量和性能逐年提高，应用领域日益提高，已完全能满足一般的控制领域的 控制需求p j 。 在电液闭环控制中，控制器需要最直接的控制对象即为输出轴的转速，要保证 转速在各种条件下获得不同的控制，输出轴的转速检测方法和检测精度决定了整 套系统的控制精度。另外，温度、压力、流量等数据在不同应用场合均有可能作 为条件来影响控制流向，这些数据均需要通过电子器件来采样、反馈回控制器， 第8 页 上海大学工程硕士学位论文 堡! ! ! 壁螋坐! ! 生! 堡旦! ! 垫塑g 垒生型望! ! ! 堡! 笪 而且，控制器也需要根据计算结果通过电子线路将数字信号转换为离合器可以接 受的模拟信号，以构成一个完整的闭环控制系统。 伴随着各种型号、各种功能的微处理器大量面世，各种控制技术也应运而生， 由于它超强的计算能力，使各种控制算法的实现有了可能，除了经典的p i d 控制 技术，还出现了实用性更好的模糊控制技术。 第9 页 上海大学工程硕士学位论文 堡! 呈旦! ! 逊型! 堡! ! 塑! ! ! 塾! 堂璺望璺! 堡! ! ! 笪 第三章模糊控制的基本原理 3 i 模糊控制的基本概念 控制理论发展分为三个阶段。经典控制理论和现代控制理论为前两个发展阶 段，统称为传统( 或常规) 的控制理论。它们的共同特点是：各种理论和方法都是 建立在对象的数学模型基础上。但随着认识的深化，认识对象范围的扩大，人们 发现越来越多的控制对象具有高度的复杂性，高度的不确定性，很难用精确的数 学模型来加以描述，而且人们还对其控制提出越来越高的性能要求。对于这些系 统，传统的控制理论就显得有些力不从心，需要寻找一种新的理论，新的方法。 通过研究和模仿人的智能行为，将人工智能引入控制理论，这就进入了控制理论 发展的第三个阶段智能控制理论阶段。 智能控制理论是多种学科交叉的结果，是在常规控制理论的基础上，吸收了人 工智能，运筹学，计算机科学，模糊数学，实验心理学，生理学等其他科学中的 新思想，新方法而发展起来的。它的基本思想就是模仿人的智能对复杂不确定性 系统进行有效的控制，模糊控制技术就是智能控制技术的一个重要分支。 模糊控制技术是近代控制理论中的一种高级策略和新颖技术。模糊控制技术基 于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、 适应性和合理性提高。 传统的p i d 控制由于算法简单、可靠性高、稳定性好而被广泛应用，其最大的 优点是由于积分作用的存在，控制系统的稳态精度高。但是要确定p i d 控制器的 参数( k 。、k 。、ka ) ，必须首先建立精确的数学模型，且系统须为线性定常系统， 实际工业过程往往具有时变性、非线性、不确定性因素，难以建立精确的数学模 型，所以，常规p i d 难以实现有效控制f 耵。 模糊控制就是建立在人类思维模糊性的基础上的。模糊控制与传统控制有着本 质的区别，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 第1 0 页 上海大学工程硕士学位论文 t h e p o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 制的控制规则充分反映了人的智能活动。 模糊控制与传统控制理论有着本质的不同，它是一种非线性的、智能控割方法， 其核心在于只利用系统已知的粗略描述，并在此基础上引入模糊控制算法。模糊控 伟n 方法有三个特点：一是不用数学方程，而用语言为代表的模糊变量描述系统：二 是用条件命题语句记述模糊变量间的关系：三是用模糊推理方法实现系统的运算。 这就为存在不确定性因素、难以建立精确数学模型的液体粘性调速离合器进行控 制提供了更为有效的理论方法。 模糊控制在实践应用中与传统控制相比有一下几个特点： 无需事先知道被控对象的精确数学模型，所以它可以对那些数学模型难以 求取或无法求取的对象进行有效控制 由于控制是以人的经验总结出来的条件语句来表示，所以对一个不熟悉模 糊控制理论的人来说，学习和掌握模糊控制的方法也是很容易的。 由于表示控制知识是以人的语言形式，故有利于人机对话和系统的处理， 从而有系统处理的灵活性和机动性。 一个典型的模糊控制系统的结构如图3 一l 所示。它由给定输入、模糊控制器、 对象、反馈信号以及比较环节组成。而一个模糊控制器通常由三部份组成，即模 糊化部分、模糊推理部分及反模糊化部分或清晰化部分，如图所示。各部分的功 能大致为：模糊化部分把系统的偏差从数字量转化为模糊量；模糊推理部分对模 - - 给定r 图3 1 典型的模糊控制系统 第l i 页 上海大学工程硕士学位论文 ! 堡呈! ! ! 壁型坚! ! 堡坐2 11 塾竺g 坠i 型堕! 鲎业 糊量按照一定的规则进行推理；反模糊化部分把推理出来的结果转化为可用于实 际控制的数字量。 3 2 模糊控制的实现方法 3 2 1 系统的模糊变量描述 在大量的控制领域问题中，消除被控对象或被控过程的输出偏差问题，是相 当普遍的一大类控制问题。仿照人控制这类问题的经验，设计简单的模糊控制器 的结构，一般选择的输入变量为误差e 及误差的变化e c ，输出变量为控制量u ， 因此它是一个二维模糊控制器。 对误差e ，误差变化e c 以及控制量u 的模糊集及其论域定义如下： e 的语言变量为：( n b ，n m ，n s ，n o ，p o ，p s ，p m ，p b ) ： e c 和u 的语言变量均为：( n b ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b ) 。 误差模糊集e 选取八个元素，区分了n o 和p o ，主要是着眼于提高稳态精度。 我们考虑到在对应的数值变量论域选择时，一般这是因为语言变量的词集多 半选为七个或八个，为了确保诸模糊集能较好地覆盖数值变量论域，避免出现失 控现象，模糊集论域中数值变量中所含元素个数应为模糊语言词集总数的二倍以 上。因此，选取对应的数值变量为：误差论域x e 和误差变化论域x 。均为( 一6 ，5 ， 一4 ，一3 ，一2 ，一i ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ；控制量的论域y u 论域为 - 7 ，一6 ，一5 ， 一4 ，一3 ，- 2 ，一l ，0 ，1 ，2 。3 ，4 ，5 ，6 ，7 ) 。 3 2 2 隶属函数 隶属函数是模糊集合应用于实际问题的基础，正确构造隶属函数是能否用好 模糊集合的关键，而隶属函数的确定是个难题。输入量的隶属函数最常用的是三 角形、梯形以及正态形。鉴于正态型模糊变量来描述人进行控制活动时的模糊概 念是相对比较适宜，因此我们选用正态形隶属函数。 队g ) 0 ( 爿+ 一f 至蔓y + et “j ( 3 - 1 ) 其中：a 是整数，t 一范数算子 通常是选用代数积算子或最小( m i n ) 算子。 第1 2 页 上海大学工程硕士学位论文 堡! 呈! ! 坚塑兰坐! 塾! 坐2 11 垒坚璺蜒望坐堕1 1 皇 3 2 3 模糊规则和推理机 模糊规则的形成有四条基本途径：l 、依据专家经验和知识；2 、对操作者的 控制行为建模：3 、对过程进行建模；4 、自组织。我们采用自组织方法，根据 最小推理机原理实现其系统的模糊控制规则： = 嚆册m i 如b 卜，心k l 脚o ) ) ( 3 2 ) 其中m = 5 6 。可以知道在给定的v ，既误差与误差变化的模糊集a ，根据最小推理 机原理，可以得到u ，即控制模糊集b 。 3 2 4 解模糊器 由于根据式( 3 2 ) 我们获得的是模糊集b 是m 个模糊集的模糊交合成，为了 获得相应的控制数值我们需要采用解模糊的方法，即数值化。这里我们采用中心 平均解模糊器作为量化的基础： 矿：型兰( 3 - 3 ) v + = ! 巫一 其中：歹为第1 个模糊集的中心，w ，为其高度，则中心为y 。 3 2 5 模糊控制应用 根据粘性调速离合器的工况条件：调速范围为5 0 0 1 0 0 0 转分，电液比例阀 的控制电压变化范围为o 一5 v 。我们假设：误差e 的实际论域 - 1 8 8 5 ，+ 1 8 8 5 弧秒，误差变化e c 的实际论域 一2 5 l ，+ 2 5 1 弧秒2 则转速的调整对应的量化 因子：误差的量化因子k e = o 3 2 ；误差变化的量化因子l 缸c = 2 3 9 。控制量的实际 论域为 0 ，5 ( 输出控制电压为 o v ，5 v ) ，其对应的控制量比例因子k 。= y 。1 o 3 6 。 根据上述模糊控制的原理，我们采用查表法来完成模糊器设计。表3 1 一表3 3 为模糊变量赋制值表。表4 给出了控制规则表。根据模糊规则，相对应的实际误 差e 、误差变化e c 以及控制物理量y u 之间的控制关系由表5 所示。其系统控制 流程为图3 - 2 。 第1 3 页 上海大学工程硕士学位论文 表3 - l 模糊变量e 的赋值表 一654321一o + 0 + l 十2+ 3 十4+ 5+ 6 p boo00oo0 o0 o 0l o ，4o 81 o p m000o0oo0oo 2o 71 oo7o2 p s0o0o0oo o308 1 o0 50 1 0 o p ooo000oo loo 60 10 ooo n o00o0o 10 610 o o0000o n so00l0 5l00 80 300o0000 n mo 20 71 ，00 7020000 000o0 n b10o 80 40 1o0000o0 000 表3 - 2 模糊变量e c 的赋值表 一65- 4321o+ l+ 2+ 3 + 4+ 5+ 6 p bo0o0o0ooo0 1 o 40 81 0 p mo0ooooo0 o 2o 71 oo 70 2 p s0oo000 00 91 0o 70 200 00000 00 51 00 5000 0o n soo，o 2o 71 00 9 ooo0o o0 n m0 2 o 71 00 7o 20oo o00oo n b1 0 0 8 0 4o 100 o00o0 00 表3 - 3 模糊变量u 的赋值表 ，76 543- 210+ 1+ 2十3+ 4 + 5+ 6 + 7 p boo0o0o00o o00 40 40 8 1 0 p m0 o o0ooooo0 2o 7】o 0 70 2o p s o00o 0o0o 41 oo 8 o ，40 1oo0 00 oo0 00o 51 00 50 o0000 n so0oo 1o 40 81 o0 40o 0oo00 n m0 o 20 71 0o 70 20 o000000 o n b1 00 80 40 1000oo 0ooo00 表3 4 控制规则表 n bn mn sz op sp m p b n bn bn bn bb i bn mz o z o n mn b n bn bn bn mz oz o n s n h in h fn h i n h iz o p sp s n on i ln mn sz op s p mp m p on mp s z op sp mp 驵 p sn sn sz op mp m p mp m p mz oz 0p mp bp b p bp b p bz oz op mp b p bp bp b 上海大学工程硕士学位论文 里! 里! 盥型型! 婴型! ! ! ! 皇垫璺业望呈! ! ! ! ! ! 塑 表3 - 5 实际物理量的控制规则表 恋 25 l2 0 91 _ 6 8 12 6 o 8 4o 4 2o o o o4 2o 8 4l2 6i6 820 925 i 1 8 8 5 54 ，6 454 6 45553 ，9 339 33 2 l25 25 2s 1 57 l 4 6 446 44 6 446 44 6 44 6 446 439 339 332 l25252 5 1 25 7 546 454 6 455539 339 332 1252525 9 4 2 54 ，6 44 6 44 6 446 44 6 44 6 43 5 732 1252 42 1 421 4 62 8 3 9 339 339 34 2 93 9 339 339 328 62525 2 1 42 1 42 1 4 - 31 4 39 33 9 33 9 342 939 339 32 8 6252525 l4 3i7 9 2 ，1 4 o o o 3 9 339 33 9 34 2 92 8 62 8 6252 】421 42 1 4 1 0 710 7 10 7 0 0 0 39 33 9 33 9 34 2 92 8 628 6252 1 42 1 42 1 4 l0 7 l0 7j 0 7 31 4 3 2 13 2 l32 132 l25252 1 4l0 71 0 71 4 31 0 71 0 7 10 7 6 2 8 2 8 63 2 12 聒32 l251 4 3l0 7 10 7i 0 714 3l _ 0 71 0 7l0 7 94 2 2 52 52 52 51 4 31 4 3o 3 60 3 6o3 6o 3 6 0 3 60 3 6o3 6 1 2 5 7 2 52 525l7 9l0 71 0 7oo003 6 oo 3 6o 1 57 l 2 52 52 517 91 0 7l0 7o3 60 3 6o3 6o3 60 3 6 0 3 6o3 6 j 8 8 5 252 525 l7 9l ，0 7l0 70o0o 3 6oo3 60 图3 - 2 系统控制流程图 第1 5 页 上海大学工程硕士学位论文 堡! ! ! ! ! 趔竺塑! 垒! 墅! ! ! 璺皇! 地型堕堕翌坚! 堕 一一 第四章模糊控制系统的设计 4 1 设计的目标 本课题旨在采用全数字化模糊控制技术来开发研制液体粘性调速离合器的调 速控制器硬件，采用电液比例溢流阁为控制元件对粘性调速离合器进行全程调速 控制。其主要功能有： 模拟式电液比例溢流阀； 具有速度自调节功能； 根据设定的转速比实行调速与稳态工作控制； 具有简单的编程和程序控制功能，可根据条件( 温度) 变化进行程序跳转； 通过负载参数可选择多种控制速度的模式( 例：温度、压力、流量、程序) ： 可以与上位机通讯。 4 2 设计框图 根据模糊控制器的设计指标以及功能实现所需的部件分析，硬件设计电路必须 包括以下几个部分( 如图4 - 1 所示) ： 电子控制电路：速度控制调节器( 单片机) 用户程序、数据保存电路( e e p r o m ) 人机界面电路： 显示电路( 1 6 4 液晶模块) ：显示压力、温升、速度、功率、 故障等 按键电路( 按键及扫描接口) ：数字键、功能键 串行口( r s 2 3 2 接口) 数字反馈接口：脉冲接口l ( 测量主动旋转轴的旋转编码器) 脉冲接口2 ( 测量被动旋转轴的旋转编码器) 模拟反馈接口：模拟接口1 ( 外部速度指令) 模拟接i = 12 ( 温度检测) 模拟接口3 ( 压力流量检测) 模拟接口4 ( 通用模拟接口) 标准输入输出口： 6 位输入口( 启动、停止、内外部指令切换及通用输入口) 8 位输出口( 报警、速度到达信号、超温提示信号及通用输出 第1 6 页 上海大学工程硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! 墅塑旦型! 里! ! 姿! ! 婴堡坠堡墅望翌i 堡堡i 堡 口) 模拟电压输出：频率电压转换，并将输出值送到电流放大器 图4 1 液体粘性调速离合器控制方案 4 3 功能实现所需的主要部件 4 3 1 单片机控制单元 计算机是一种能够高速而精确地进行各种数据处理的机器。至今，计算机的 发展已经经历了四代