基于模糊控制的直流电机调速系统

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霍尔元件测速 26 5 2 3 电机速度数码管显示 27 第六章 硬件电路设计 28 6 1 器件选型 28 6 1 1 主控芯片 AT89C51 28 6 1 2 晶振电路与复位电路 31 6 1 3 L298N 电机驱动模块 33 6 1 4 LED 数码管显示电路 34 6 1 5 霍尔元件测速 34 6 2 PROTUES硬件仿真 35 6 2 1 测速模块仿真 35 6 2 2 调速模块仿真 36 总结与展望 39 参考文献 41 致 谢 42 附录 A 外文文献及其译文 43 附录 B 毕业设计任务书 49 I 摘摘 要要 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段 它是模糊系统 理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物 是一种更为智能和节能的控制 方式 本设计为模糊速度控制器 传感器采集到速度后与设定速度比较 得到模 糊控制所需的两个输入量 设计中对两个输入量模糊量化 并确定其隶属函数 建立模糊控制表 经单片机编程处理后得出结果 通过 PWM 控制电机 进行加 速 最后达到的效果是使速度较稳定的保持恒定 该系统的应用表明 该控制精度对储层设计技术具有可靠稳定性 它已经达 到更高的准确度 并能在短的工作时间确保过渡过程的温度的精确控制 首先 介绍了该系统的整体构成 然后从硬件和软件两方面进行介绍 在硬件 部分 描 述了系统的总体结构和之间的关系 并进一步讲述方式内部结构和外部 特征的 新编程的筹码 在软件部分 解释了模糊控制理论 又说明了该系统的应 用程序 第三 从模糊控制的实现方面说明了该系统的流程图 本文最后对该系 统作出 一个总结 该软件设计模式可分为子模式的主要程序和在模式的合适位置对设 计软件 进行备份 此外 它适用于很多方面的符号选择和处理程序的应用 可消 除因未预 知条件的变化而产生的影响 该系统能高精度地有效控制其它的参 数指标 值得推广和应用 它不仅具有 其它领域那样良好功能 而且具有更低 的价格成本 关键词 模糊控制 隶属函数 单片机编程 模糊控制规则 II Abstract Fuzzy control is a sort of newly arisen control way based on fuzzy sets theory It s one result of fuzzy system theory and fuzzy technique and automatic control technique combined together It s a sort of control way much more intelligent and saving This design is a fuzzy controller of speed Comparing the speed collected transducer with the set speed will give us two input variables Then fuzzificate the two input variables in the design and ascertain their membership functions afterwards establish the fuzzy controlling graph Next get the result through the programming process by single chip and PWM by controlling the faster through controlling the relay on the basis of the result Thus finally we could come to the effect that the speed could be kept constant steadily The application of this system indicates that the precision reservoir designed on this control technology has reliable stability And it has attained higher accuracy short working time in transitive course on the precision temperature control In this thesis I firstly introduced the whole component of this system then the hardware and software In the part of hardware I depicted the relation between the whole structure and modes and further tells the inner structure and outer character of new programming chip As for the part of software I explained the theory of the fuzzy control firstly and then showed its application in this system Thirdly I illustrated the flow chart of this system in which the fuzzy control is implied At the end of this thesis I draw a conclusion about this system The software designed on mode could be divided into sub modes in the main program And on the suitable position of modes was set software trap to redundancy design In addition it applies many ways in the program of symbol selection and processing to eliminate the effect of random shock This system can also control others parameter quota with high accuracy It deserves being spread and applied Furthermore it not only has good function as the other s country but also has lower price Key Words fuzzy control membership function singlechip programme fuzzy control rules 1 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 论文的背景及意义 电动机作为最主要的机电能量转换装置 其应用范围已遍及国民经济的各 个领域和人们的日常生活 无论是在工农业生产 交通运输 国防 航空航天 医疗卫生 商务和办公设备中 还是在日常生活的家用电器和消费电子产品 如电冰箱 空调 DVD 等 中 都大量使用着各种各样的电动机 据资料显 示 在所有动力资源中 百分之九十以上来自电动机 同样 我国生产的电能 中有百分之六十是用于电动机的 电动机与人的生活息息相关 密不可分 直流电机是最常见和成本最低的小型电机 并且广泛用于各种应用 无刷 直流电机宣称能提供更高可靠性以及更低噪声和成本 然而到目前为止 它却 只能在磁盘或计算机风扇等少数量产应用中取代传统直流电机 在某些应用里 无刷直流电机有多项优点胜过传统电刷电机 例如它以电子组件和传感器取代 电刷 不但延长电机寿命和减少维护成本 而且也没有电刷产生的噪音 直流 电机的特性使它成为调速系统最容易使用的电机 电气时代 电动机的调速控制一般采用模拟法 对电动机的简单控制应用 比较多 简单控制是指对电动机进行启动 制动 正反转控制和顺序控制 这 类控制可通过继电器 可编程控制器和开关元件来实现 还有一类控制叫复杂 控制 是指对电动机的转速 转角 转矩 电压 电流 功率等物理量进行控 制 模糊控制技术是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制技术 模糊控 制方式是一种非线性控制方式 对无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系 统可以取得令人满意的控制效果 直流电动机转速控制是一种非线性的时变的 复杂过程 转速直接影响着工件的机器质量 本文讨论了利用模糊控制技术设 计的单片机模糊速度控制系统 实验表明该系统比传统的 PID 速度控制系统精 度高 速度快 1 2 国内外研究现状及发展展望 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性 尽管它不如交流电动机 2 2 那样结构简单 价格便宜 制造方便 维护容易 但是长期以来 直流调速系 统一直占据垄断地位 当然 近年来 随着计算机技术 电力电子技术和控制 技术的发展 交流调速系统发展快 在许多场合正逐渐取代直流调速系统 但 是就目前来看 直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式 在我国许多工 业部门 如轧钢 矿山采掘 海洋钻探 金属加工 纺织 造纸以及高层建筑 等需要高性能可控电力拖动场合 仍然广泛采用直流调速系统 而且 直流调 速系统在理论和实践上都比较成熟 从控制技术角度来看 它又是交流调速系 统的基础 因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统 促进调速系统的进一步完善 在我国 模糊控制的理论研究水平相对较高 而应用技术水平却相对落后 特别是在工业过程控制领域 普遍采用简单的模糊控制方法查表法或公式法实 现模糊控制 虽然其控制精度不高 但简单实用性很高 本文推出一种通用的模糊控制器 其模糊控制用查表法实现 从而改善控 制性能 只要根据对象给出系统输入 输出量的隶属函数及控制规则 再加上 少量的外围电路就可构成一个模糊控制系统 1 3 本文研究的主要内容 1 了解了直流电动机的重要意义 明确了模糊控制的发展现状 知道了 基于模糊控制的直流电机调速系统的发展展望 2 对直流电机和模糊控制的工作原理做了简单介绍 3 详细研究基于模糊控制的直流电机调速系统的可行性 并且具体分析 调速系统的优缺点 软硬件的仿真验证 发现系统的明显优点 4 根据调速系统的功能 完成系统的软件仿真和硬件设计 绘制电路图 并最终完成实物系统 5 重点完成 matlab 系统级仿真 仿真出相应数据输出 6 有效率的完成硬件选材和制作 7 对本次设计做总结 写出设计的心得体会 3 3 第二章第二章 直流电机直流电机 2 1 直流电机简介 将直流电能转换为机械能的转动装置 电动机定子提供磁场 直流电源向 转子的绕组提供电流 换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变 根 据是否是否配置有常用的电刷 换向器可以将直流电动机分为两类 包括有刷直 流电动机和无刷直流电动机 图 1 1 有刷直流电动机 图 1 2 无刷直流电动机 无刷直流电机是近几年来随着微处理器技术的发展和高开关频率低功耗新 型电力电子器件的应用 以及控制方法的优化和低成本 高磁能级的永磁材料 的出现而发展起来的一种新型直流电动机 无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和 换向火花 可靠性高 使用寿命长及噪声低等优点 因而在航空航天 数控机 床 机器人 电动汽车 计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用 按照供电方式的不同 无刷直流电机又可以分为两类 方波无刷直流电动 机 其反电势波形和供电电流波形都是矩形波 又称为矩形波永磁同步电动机 正弦波无刷直流电动机 其反电势波形和供电电流波形均为正弦波 2 2 直流电机结构 直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成 直流电机运行时静止不动 的部分称为定子 定子的主要作用是产生磁场 由机座 主磁极 换向极 端 盖 轴承和电刷装置等组成 运行时转动的部分称为转子 其主要作用是产生 4 4 电磁转矩和感应电动势 是直流电机进行能量转换的枢纽 所以通常又称为电 枢 由转轴 电枢铁心 电枢绕组 换向器和风扇等组成 2 2 1 定子 1 主磁极 主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组 成 铁心一般用 0 5mm 1 5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成 分为极身和极 靴两部分 上面套励磁绕组的部分称为极身 下面扩宽的部分称为极靴 极靴 宽于极身 既可以调整气隙中磁场的分布 又便于固定励磁绕组 励磁绕组用 绝缘铜线绕制而成 套在主磁极铁心上 整个主磁极用螺钉固定在机座上 2 换向极 换向极 换向极的作用是改善换向 减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的 换向火花 一般装在两个相邻主磁极之间 由换向极铁心和换向极绕组组成 换向极绕组用绝缘导线绕制而成 套在换向极铁心上 换向极的数目与主磁极 相等 3 机座 机座 电机定子的外壳称为机座 机座的作用有两个 一 是用来固定主磁极 换向极和端盖 并起整个电机的支撑和固定作用 二 是机座本身也是磁路的一部分 借以构成磁极之间磁的通路 磁通通 过的部分称为磁轭 为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能 一般 为铸钢件或由钢板焊接而成 4 电刷装置 电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的 电刷装置由电刷 刷 握 刷杆和刷杆座等组成 电刷放在刷握内 用弹簧压紧 使电刷与换向器之 间有良好的滑动接触 刷握固定在刷杆上 刷杆装在圆环形的刷杆座上 相互 之间必须绝缘 刷杆座装在端盖或轴承内盖上 圆周位置可以调整 调好以后 加以固定 5 5 2 2 2 转子 1 电枢铁心 电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分 同时用以嵌放电枢绕组 一般电枢铁心采用由 0 5mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成 以降低 电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗 叠成的铁心固定在转轴或 转子支架上 铁心的外圆开有电枢槽 槽内嵌放电枢绕组 2 电枢绕组 电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势 是直流电机进行能量变换 的关键部件 所以叫电枢 它是由许多线圈 以下称元件 按一定规律连接而 成 线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成 不同线圈的线圈边分上下 两层嵌放在电枢槽中 线圈与铁心之间以及上 下两层线圈边之间都必须妥善 绝缘 为防止离心力将线圈边甩出槽外 槽口用槽楔固定 线圈伸出槽外的端 接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎 3 换向器 换向器 在直流电动机中 换向器配以电刷 能将外加直流电源转换为电枢线圈中 的交变电流 使电磁转矩的方向恒定不变 在直流发电机中 换向器配以电刷 能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正 负电刷上引出的直流电动势 换向器是由许多换向片组成的圆柱体 换向片之间用云母片绝缘 4 转轴 转轴 转轴起转子旋转的支撑作用 需有一定的机械强度和刚度 一般用圆钢加 工而成 2 3 直流电机工作原理 6 6 图 1 3 直流电动机模型 图是一个最简单的直流电动机模型 在一对静止的磁极 N 和 S 之间 装设 一个可以绕 Z Z 轴而转动的圆柱形铁芯 在它上面装有矩形的线圈 abcd 这个 转动的部分通常叫做电枢 线圈的两端 a 和 d 分别接到叫做换向片的两个半圆 形铜环 1 和 2 上 换向片 1 和 2 之间是彼此绝缘的 它们和电枢装在同一根轴 上 可随电枢一起转动 A 和 B 是两个固定不动的碳质电刷 它们和换向片之 间是滑动接触的 来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈 里 图 1 4 换向器在直流电机中的作用 当电刷 A 和 B 分别与直流电源的正极和负极接通时 电流从电刷 A 流入 而从电刷 B 流出 这时线圈中的电流方向是从 a 流向 b 再从 c 流向 d 我们知 道 载流导体在磁场中要受到电磁力 其方向由左手定则来决定 当电枢在图 7 5 a 所示的位置时 线圈 ab 边的电流从 a 流向 b 用 表示 cd 边的电流 从 c 流向 d 用 表示 根据左手定则可以判断出 ab 边受力的方向是从右向 左 而 cd 边受力的方向是从左向右 这样 在电枢上就产生了反时针方向的转 矩 因此电枢就将沿着反时针方向转动起来 当电枢转到使线圈的 ab 边从 N 极下面进入 S 极 而 cd 边从 S 极下面进入 N 极时 与线圈 a 端联接的换向片 1 跟电刷 B 接触 而与线圈 d 端联接的换向 片 2 跟电刷 A 接触 如图 7 5 b 所示 这样 线圈内的电流方向变为从 d 流 7 7 向 c 再从 b 流向 a 从而保持在 N 极下面的导体中的电流方向不变 因此转 矩的方向也不改变 电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转 由此可以看出 换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用 2 4 直流电机调速原理 由直流电机的速度公式 n Ua IaRa Ca 其中 n 是电机转速 Ua 是电 枢 电压 Ia 是电枢电流 Ra 是电枢回路总电阻 Ce 是电极常数 是电机的励 磁磁通 对于极对数是 p 匝数是 n 电枢支路数为 a 的电机来说 Ca 是常数 由上式可得 直流电动机的转速控制方法可分为两类 调节励磁磁通的励 磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法 其中励磁控制方法在低速时受磁 极饱和的限制 在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制 并且励磁线圈 电感较大 动态响应较差 所以这种控制方法用得很少 现在 大多数应用场 合都使用电枢控制方法 对电动机的驱动离不开半导体功率器件 在对直流电动机电枢电压的控制 和驱动中 对半导体器件的使用上又可分为两种方式 线性放大驱动方式和开 关驱动方式 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区 这种方式的优点是 控制原理简单 输出波动小 线性好 对邻近电路干扰小 但是功率器件在线 性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率 效率和散热问题严重 因此这 种方式只用于微小功率直流电动机的驱动 绝大多数直流电动机采用开关驱动 方式 开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态 通过脉宽调制 PWM 来 控制电动机电枢电压 实现调速 在 PWM 调速时 占空比 是一个重要参数 以下 3 种方法都可以改变占 空比的值 1 定宽调频法 这种方法是保持 t1 不变 只改变 t2 这样使周期 T 或频率 也随之改变 2 调频调宽法 这种方法是保持 t2 不变 只改变 t1 这样使周期 T 或频率 也随之改变 3 定频调宽法 这种方法是使周期 T 或频率 保持不变 而同时改变 t1 和 t2 8 8 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期 或频率 当控制脉冲 的频率与系统的固有频率接近时 将会引起振荡 因此这两种方法用得很少 目前 在直流电动机的控制中 主要使用定频调宽法 第三章 模糊控制概论 利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法 在传统的控制领域里 控制 系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键 系统动态的信息越详 细 则越能达到精确控制的目的 然而 对于复杂的系统 由于变量太多 往 往难以正确的描述系统的动态 于是工程师便利用各种方法来简化系统动态 以达成控制的目的 但却不尽理想 换言之 传统的控制理论对于明确系统有 强而有力的控制能力 但对于过于复杂或难以精确描述的系统 则显得无能为 力了 因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题 3 1 模糊控制理论 所谓模糊控制 是指在控制方法上应用模糊集理论 模糊语言变量及模糊 逻辑推理来模拟人的模糊思维方法 用计算机实现与操作者相同的控制 其中 模糊 是指知识 概念上的模糊性 虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的 但它所完成的却是一项完全确定的工作 为实现模糊控制 需要设计模糊控 制器 以实现语言控制 模糊控制器结构包括以下模糊控制器结构包括以下 3 个方面个方面 1 精确量的模糊化 把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集 2 模糊控制算法的设计 通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则 并 计算模糊控制规则决定的模糊关系 3 输出信息的模糊判决 并完成模糊量到精确量的转换 模糊控制以模糊数学理论 模糊语言形式为理论基础 是一种基于模糊规 则的控制系统 这些模糊控制规则是直接从专家经验或现场操作者的经验中进 行归纳 优化得出来的 是一种蕴涵着人类智能 推理和决策的控制方式 经 9 9 典数学以特征函数讨论问题 而模糊数学以隶属函数讨论问题 系统精确数学 模型的建立 其实质是应用一定的数学处理手段 基于待辨识系统的大量测量 数据 找出体现系统输入与输出之间的内在联系 并通过一定的数学表达式加 以描述 建立系统模糊模型的基本思想也是这样 只是将采集到的精确量量测 数据进行模糊化处理 转化成通过隶属度和模糊子集表达的模糊量 也就是说 将原通过精确量数据描述系统输入输出之间的内在联系 精确数学模型 转化 成一种相应的由条件语句 IF 输入语言变量模糊子集 THEN 输出语言变量 模糊子集 表达的模糊关系 这便是系统的模糊模型 模糊控制具有以下特点模糊控制具有以下特点 1 模糊控制是一种基于经验规则的控制 它直接采用语言控制规则 依 据现场操作人员的控制经验或相关专家的知识 在设计中不需要建立被控对象 的精确数学模型 因而使得控制机理和策略易于接受和理解 设计简单 便于 应用 2 由于从工业过程的定性认识出发 比较容易建立语言控制规则 因而 模糊控制对那些数学模型难以获取 动态特性不易掌握或变化非常显著的对象 非常适用 3 基于模型的控制算法及系统设计方法 由于出发点和性能指标不同 容易导致较大差异 但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性 利用这些 控制规律间的模糊连接 容易找到折中的选择 使控制效果优于常规控制器 4 模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的 这有利于模拟 人工控制的过程和方法 增强控制系统的适应能力 使之具有一定的智能水平 5 模糊控制系统的鲁棒性强 干扰和参数变化对控制效果影响大大减 弱 尤其适合于非线性 时滞后系统的控制 一个缺乏精确数学模型的被控 对象 很难用现有的控制理论来处理 但是人工智能对复杂现象的分析和判断 能力是很强的 特别是有经验的操作人员 通过对系统的操作 控制 总是可 以总结一套控制规则 应用模糊集合理论 把这些控制规则写成一串模糊条件 语句 构成一个模糊模型 利用这个模型可以设计出比较理想的控制器 模 糊控制是一种典型的智能控制方法 其最大的特点是将专家的经验和知识表示 1010 为语言控制规则 并应用这些语言控制规则去控制系统 这样它可不依赖于被 控对象的精确数学模型 能够克服非线性因素的影响 对被控对象的参数变化 具有较强的鲁棒性 它不用建立数学模型 根据实际系统的输入输出结果数据 参考现场操作人员的操作运行经验 就可对系统进行实时控制 3 2 模糊控制与 PID 控制对比 PID 控制具有结构简单 稳定性能好 可靠性高等优点 适用于可建立精 确数学模型的确定性控制系统 PID 控制之中最关键的是 PID 参数整定 传统 方法是在获取对象数学模型的基础上 根据某一整定原则来确定参数 但在实 际应用中 许多被控对象具有机理复杂 高非线性 时变不确定性和滞后性等 特征 对于大滞后 非线性的复杂系统 常规 PID 控制很难保证其控制效果始 终处于最佳状态 模糊控制不需要控制对象的精确数学模型 它是一种基于规则的控制 依 据操作人员的控制经验和专家的知识 通过查表就可以得到控制量 实现简单 控制效果好 因而模糊控制的控制性能比传统的 PID 控制有明显的优势 模糊控制和 PID 控制性能各有特点 针对模糊控制和 PID 控制对被控对象 参数变化的自适应能力方面进行比较 可以发现 常规的 PID 控制尽管能达到 一定的效果 但基本上对电机参数变化基本上没有适应能力 模糊控制器较 PID 调节控制不仅对被控对象参数变化适应能力强 而且在对象模型结构发生 较大改变的情况下 也能获得较好的控制效果 1111 图 3 1 模糊控制和 pid 控制曲线对比黄 模糊 紫 PID 模糊控制有许多传统控制无法比拟的优点模糊控制有许多传统控制无法比拟的优点 1 使用语言方法 可不需要掌握过程的精确数学模型 2 采用模糊控制 过程的动态响应品质优于常规 PID 控制 并对过程参数 的变化具有较强的适应性 3 对于具有一定操作经验 而非控制专业的工作者控制方法易于掌握 4 工作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系 这些模糊条件语句 很容易加入到过程的控制环节上 3 3 模糊控制原理模糊控制原理 3 3 1 模糊控制的基本原理 模糊控制是以模糊集合论 模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计 算机数字控制 该系统的被控对象是直流电动机 被控参数是直流电动机电流 值 单片机模糊速度控制器 控制器根据系统给定角速度和直流电动机角速度 偏差值及电动机角速度偏差值的变化率 利用模糊控制算法 求出控制系统的 控制输出量 k 数字量 经 D A 变换器转变为控制模拟量以控制直流电动机 电流 它的基本原理见图 可概括为以下四个步骤 1212 a 根据传感器采样值 计算出变化量和变化率作为系统的输入量 b 将输入变量的精确值变为模糊量 c 根据输入变量 模糊量 及模糊控制规则 按模糊推理合成规则计算 模糊量 d 由上述得到的控制量计算精确的控制量 通常使用的变量形式用 N Negabive P Positive L Large S Small 0 Zero 等组合来表示 图 3 2 模糊控制的基本原理 3 3 2 模糊控制器设计方法 模糊控制器的设计基本方法为 模糊控制器的设计基本方法为 a 确定模糊控制器的输入变量与输出变量 b 设计模糊控制器的控制规则 c 模糊化与非模糊化的方法 d 模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定模糊控制器的参数 e 模糊控制算法的应用程序 f 选择模糊控制算法的采样时间 模糊规则的设计一般包括 选择描述输入输出变量的词集 定义一个模糊变量的模糊子集及建立模糊 控制器的控制规则 输入输出变量的词集一般为 NL NM NS NO PO PS PM PL 定义模糊变量的模糊子集就是要 确定模糊子集函数的形状 一般用正态分布 在精确度要求不很高时 可采用 梯形分布 控制规则可用条件语句描述 即 if A and B then C 等 然后建 立控制规则表 模糊化就是把精确量转为模糊量 可采用公式 Y 12 x a b 2 b a 精确 量实际变化范围为 a b 模糊控制的输出是一个模糊量 它不能直接控制被控对象 需要将其转为 精确量 此过程亦称清晰化 判决 1313 方法有三 a 取最大隶属度法 该法简单易行 但利用信息少 b 中位法 c 平均判决法 该法利用信息多 但计算量大 第四章 MATLAB 中模糊应用及仿真 4 1 用 MATLAB 编辑模糊控制器 模糊控制直流电机调速系统的工作过程是 给定一个转速值 根据检测到 的转速值 计算转速偏差 由于此时的转速偏差 e 是精确值 需要经过模糊化 处理 得到模糊量 模糊控制器根据输入变量 模糊量 按照模糊控制推理规 则 计算得到控制量 模糊量 最后 把模糊控制量去模糊处理变成精确量 通过第五章分析已知 本仿真中所用模糊控制器为二维模糊控制器 直流电机调速模糊控制系统的核心是模糊控制器 所以本论文的重点就是 模糊控制器的设计 1414 采用 MATLAB 中模糊推理系统工具箱来编辑模糊控制器 下面简述编辑 过程 1 模糊集合的编辑和运算 2 确定个输入出变化量的变化范围及量化因子 3 模糊规则编辑 4 模糊推理 5 输出预览 4 2 结合本设计巧用 MATLAB 4 2 1 模糊推理的五个步骤 1 输入变量的模糊化 fuzzy inputs 这是模糊推理的第一步 是获取输入变量 并确定它们的隶属函数 从而 确定属于每个模糊集合的隶属度 2 应用模糊算子 Apply Fuzzy Operator 完成了输入模糊化 就知道了对于每个模糊规则 前提中每一个部分被满 足的程度 如果一个给定规则的前提有多个部分 则要应用模糊算子来获得一 个数值 这个数值表示前提对于该规则的满足程度 模糊算子有模糊交 AND 和模糊或 OR 算子 3 应用推理方法 Apply Implication Method 推理的类型有 mamdani 和 sugeno 推理 Mamdani 推理法是一种在模糊控 制中普遍使用的方法 它本质上仍然是一种合成推理方法 只不过对模糊蕴涵 关系取不同的形式而已 Mamdani 型推理 从每个规则的结果中得到的模糊集 通过聚类运算后得到结果模糊集 被反模糊化后得到系统输出 Sugeon 型推理 其中每个规则的结果是输入的线性组合 而输出是结果的加权线性组合 4 输出的聚类 Aggregate All Outputs 由于决策是在对模糊推理系统中所有规则进行综合考虑的基础上做出的 因此必须以某种方式将规则结合起来以做出决策 聚类就是这样一个过程 它 将表示每个规则输出的模糊集结合成一个单独的模糊集 聚类方法有 max probor 概率乘 sum 其中 sum 执行的是各规则输出集的简单相加 1515 5 解模糊化 Defuzzify 解模糊化过程也叫反模糊化过程 它的输入是一个模糊集 既上一步的聚 类输出模糊集 其输出为一个单值 模糊集的聚类中包含很多输出值 因此必 须进行反模糊化 以从集合中解析出一个单输出值 4 2 2 模糊逻辑工具箱的使用 模糊逻辑工具箱提供的图形用户界面 GUI 工具有五个 模糊推理系统 FIS 编辑器 隶属函数编辑器 模糊规则编辑器 模糊规则观察器 输出曲 面观察器 1 FIS 编辑器 Matlab 的 FIS 界面如图所示 在 Matlab 的 launch pad 窗口中 用鼠标双击 模糊逻辑系统工具箱 fuzzy logic toolbox 中的 FIS Editor viewer 项 打开模糊 推理系统编辑器 FIS Editor 或者直接在 Matlab 命令窗口中输入指令 fuzzy FIS 处理系统有多少个输入变量 输出变量 名称是什么 模糊算子 与 min prod 乘积 custom 自定义 或 max 大 probor 概率统计方法 custom 推理方法 min prod custom 聚类方法 max probor sum custom 解 模糊的方法 centroid 质心法 bisector 中位线法 middle of maximum 最大隶 属度法 largest of maximum smallest of maximum 1616 图 4 1 模糊推理系统 FIS 界面 2 隶属函数编辑器 确定各个变量的论域和显示范围 左下角编辑区内 如图 4 所示 打开 方式 FIS Editor edit membership editor function 定义每个变量的模糊集的名称 如负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 和个数 Edit 菜单中 Add MFs 以及每个模糊变量的隶属函数类型和参数 点击变量的隶属函数曲线后 在右下角编辑区内修改 隶属函数的类型有 trimf trapmf gbellmf gaussmf gauss2mf sigmf dsigmf psigmf pimf s mf zmf 利用 FIS Editor 编辑器的 Edit Add variable input 菜单 添加一条输入语 言变量 并将两个输入语言和一个输出语言变量的名称分别定义为 E ED U 其中 E 代表转速差值 七个语言值 负大 负中 负小 不变 正小 正中 正大 转速差值变化量 五个语言值 负大 负小 不变 正小 正大 U 代表电机驱动电压 五个语言变量 极小 小 中 大 极大 1717 图 4 2 隶属函数编辑器 3 模糊规则编辑器 完成了对变量的命名 隶属函数也有了适当的形状和名字 就可以编辑模 糊规则 选择连接关系 and 或者 or 权重 在编辑器左边选择一个输入变量 并选择它的语言值 然后在编辑器右边的输出变量中选择一个输出变量 并选 中它的语言值 然后将这种联系添加到模糊规则中 Options Format 下可以选择模糊规则不同的格式 默认的是 verbose 模糊 规则的详细格式 还有 symbolic 符号格式 indexed 高度压缩格式 图 4 3 模糊规则编辑器 1818 4 模糊规则观察器 模糊规则观察器的功能是可以令用户观察模糊推理图 并观察模糊推理系 统的行为是否与预期的一样 可以观察到输入变量 默认色是黄色 和输出变 量 默认色是蓝色 如何应用在模糊规则中 反模糊化的数值是多少 图 4 4 模糊规则观察器 5 输出曲面观测器 模糊规则观察器非常详细的显示了在某一个时刻的计算 如果看到模糊推理 系统的全部输出曲面 即与整个输入区间相对应的输出区间 就要打开输出曲 面观测器 图 4 5 输出曲面观测器 1919 6 制作模糊控制表 表 4 1 模糊控制表 得到了模糊控制表 接下来我们就可以根据控制表编写相应的程序以控制 硬件 从而达到软硬件结合的目的 4 3 在 MATLAB 中用查询表法仿真 4 3 1 建立查询表法仿真模型 查询表法是模糊控制中的最基本的方法 用这种方法实现模糊控制决策过 程最终转化为一个根据模糊控制系统的误差和误差变化 模糊量 来查询控制 量 模糊量 的方法 本设计利用了 Matlab 仿真模块 直接查询表 Direct look up table 模块 在 Simulink 下的 Functions and Tables 模块下去查找 将 模糊控制表中的数据输入给 Direct look up table 见下图模型 图 4 6 查询表模型 2020 仿真模型如上图所示 考虑到输入变量的变化范围 有可能超出表中给定的 值 选择了两个饱和环节 saturation1 和 saturation2 作为超限的保护 Rounding function 是四舍五入环节 将小数转换为整数 因为 direct look up table 中行和列 的起始号都是从零开始的 所以输入到 direct look up table 中的变量要加一个偏 移量 6 Scope 模块是示波器 可以直接观察系统的输出曲线 4 3 2 模型仿真输出信号分析 图 4 7 输出波形仿真 由此对比波形 更加直观的让我们看到了模糊控制的优越性 和第三章中 PID 和模糊控制的对比相符合 由此图我们看到模糊控制不仅超调很小 而且 以很快的速度达到了稳定值 这正是我们需要的控制波形 由此仿真我们进一 步证明了模糊控制的优越性 2121 第五章 软件算法设计 5 1 模糊控制算法设计 要为直流电机设计一个模糊控制器 需要以模糊控制为核心的算法来作为 模糊控制器调节的主程序 直流电机控制系统的工作原理为 电机在给定转速 r 时 若电机负载增加 必然导致电机转速 下降 从而使给定转速 r 和测量反馈转速 f 之间差值增 大 若要使电机的转速和给定转速保持一致 就必须增大电机的驱动电压 以 提高电机的转速 反之 若电机负载减小 必然导致电机转速 上升 从而使 给定转速 r 和测量反馈转速 f 之间差值增大 若电机的转速和给定转速保持 一致 就必须减小电机的驱动电压 以降低电机的转速 基于上面的直流电机调速原理 下面就开始设计一个模糊控制器以实现其 转速的调节 5 1 1 选取模糊控制器 选取直流电机的测量转速 f 与给定转速 r 之间的差值 e 即 r f e X1 100 100 再选取转速差值 e 的变化量 de de X2 10 10 为输入 量 输出为电机的驱动电压的 pwm 波的占空比 va V 0 100 为该直流电机 选取一个双输入单输出的模糊控制器 5 1 2 选取合适的模糊子集进行模糊化 假设 e 所对应的模糊论语 E 的取值范围与物理论域 X1 七个模糊子集 所 对应的语言值为 NB NM NS 0 PS PM PB 其隶属函数都选三角形函数 其分布 如下在 matlab 中的仿真图 2222 图 5 1 转速差值 E 隶属函数 假设 de 所对应模糊论域 ED 的取值范围与物理论域 X2 一致 选取五个模 糊子集 对应的语言值 NB NS 0 PS PB 其隶属函数都选取三角形函数其分布 图如下在 matlab 中的仿真图 图 5 2 转速差值变化量 ED 隶属函数 2323 假设 va 所对应模糊论域 U 的取值范围与物理论域 V 一致 选取五个模糊 子集 对应的语言值 VS S M B VB 其隶属函数都选取三角形函数其分布图如 下在 matlab 中的仿真图 图 5 3 输出占空比 U 隶属函数 5 1 3 建立模糊规则表 根据人们操作的经验可以建立 35 条模糊规则 图 5 4 模糊规则 2424 整理模糊规则可以得到模糊规则表 表 5 1 模糊规则表 5 1 4 模糊推理 考虑到通常最简单 最方便的推理法还是玛达尼的极大极小推理法 本设 计采用 mamdani 推理法 巧用 Matlab 强大的运算能力 给我们的设计提供了巨 大的方便 实际操作如下直接选择 mamdani 算法 图 5 5 模糊推理方法极大极小值法 2525 5 1 5 去模糊化 本设计采用最大隶属度法 简单地取所有规则推理结果的模糊集合中隶属 度最大的那个元素作为输出值 同样巧用 matlab 的强大功能 直接在去模糊化 的选项中选择最大隶属度法 具体操作如下 图 5 6 去模糊方法最大隶属度法 5 1 6 模糊控制表 经过第四章 巧用 matlab 的强大运算功能 并得到如下模糊控制表后 我 们便可进行相应的编程了 表 5 2 模糊控制表 2626 5 2 软件编程 编写以下程序 将其烧写入 51 单片机 并使其在单片机上运行 从而配合 各个硬件电路完成整体的系统功能 软件中定义了各个端口 实时的完成软硬 件配合 5 2 1 核心模糊算法 核心算法是基于模糊控制表编写的控制程序 通过比较输入量 E2 和 ED 两个输入量的掉落区间 从而判断出相应的输出 U 即占空比的大小 最终 达到控制电机转速的目的 主函数如下 void main init while 1 循环主控和显示函数 IT0 1 EX0 1 EA 1 开启外部中断 display 0 4 if 100 E2 if 75 E2 if 75 E2 基于模糊控制表的模糊控制算法 if 45 E2 if 45 E2 if 15 E2 if 15 E2 if 15 E2 if 45 E2 if 45 E2 if 75 E2 motor 1 U 5 2 2 霍尔元件测速 通过外部中断 获取 P3 2 端口捕捉到的霍尔元件脉冲 霍尔元件测得的速 度 以脉冲形式传送给 P3 2 端口 然后通过中断 1 进行测速扫描 每隔相同时 间测一次脉冲数 然后算出速度 从而得到 E2 速度差和 ED 速度差的变化量 子程序如下 key interrupt 0 count void timer0 interrupt 1 T0 中断服务程序 setspeed 20 E2 E1 TH0 65536 50000 256 TL0 65536 50000 256 aa if aa 10 0 5S 刷新一次数据 2828 aa 0 speed 2 count 转速 转数 时间 0 5s count 0 E1 setspeed speed ED E1 E2 5 2 3 电机速度数码管显示 通过数码管的位选 扫描输出在相应位 从而得到 4 位的转速显示 显示 子程序如下 void display uchar FirstBit uchar Num 显示函数 static unsigned char i 0 P1 0 P2 WeiMa i FirstBit P1 TempData i qian speed 1000 bai speed 1000 100 shi speed 100 10 ge speed 10 TempData 0 table qian TempData 1 table bai TempData 2 table shi TempData 3 table ge i if i Num i 0 2929 第六章 硬件电路设计 6 1 器件选型 6 1 1 主控芯片 AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and E