【摘 要】工業(yè)生產(chǎn)過程中的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是一種非線性、時(shí)變的復(fù)雜過程，轉(zhuǎn)速直接影響著工件質(zhì)量。本文介紹了一種基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速Fuzzy-PID復(fù)合控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)在負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響下均能較好地滿足穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的要求。

【關(guān)鍵詞】直流電機(jī)；單片機(jī)；模糊控制；Fuzzy-PID參數(shù)自整定

一、引言

通常，工業(yè)生產(chǎn)中對于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求有調(diào)速、加速或減速、穩(wěn)速三個(gè)方面。其中，前兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，穩(wěn)速即要求在生產(chǎn)過程中直流電機(jī)能以所需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，并具有良好的抗干擾能力。

穩(wěn)速很難達(dá)到要求的原因在于數(shù)字直流調(diào)速裝置中的PID調(diào)節(jié)器對被控對象及其負(fù)載參數(shù)變化適應(yīng)能力差。模糊控制不要求被控對象的精確模型且適應(yīng)性強(qiáng)，為了克服常規(guī)數(shù)字直流調(diào)速裝置的缺點(diǎn)，可將模糊控制與PID調(diào)節(jié)器結(jié)合，形成fuzzy-PID復(fù)合控制方案，設(shè)計(jì)能在負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響下均可以滿足控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度要求的直流電機(jī)控制器。

二、硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件由電機(jī)控制模塊、速度反饋模塊、隔離保護(hù)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、過流保護(hù)模塊、串口通信模塊幾部分組成。速度反饋模塊由安裝在直流電機(jī)的輸出軸上的增量式光電編碼盤反饋電機(jī)的實(shí)際位置，它的輸出直接聯(lián)到LM629的A、B輸入端，形成反饋環(huán)節(jié)。主控單元采用AT89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制以及與運(yùn)動控制芯片LM629的數(shù)據(jù)傳送，單片機(jī)通過LM629獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過中值濾波得到實(shí)際轉(zhuǎn)速V，之后經(jīng)模糊運(yùn)算得到的KP、KI、KD參數(shù)，再發(fā)送至LM629。電機(jī)驅(qū)動模塊采用LMD18200實(shí)現(xiàn)受限單極性驅(qū)動方式。過流保護(hù)模塊采用比較器LM339構(gòu)成。系統(tǒng)采用RS232串口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）直流電機(jī)Fuzzy-PID控制器的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)采用Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制，即在一般的PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用模糊推理思想，加上一個(gè)模糊推理環(huán)節(jié)。模糊推理環(huán)節(jié)是為了根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)而設(shè)置的。

由Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，模糊控制器實(shí)際上是對PID調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行修正，其輸入語言變量為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差絕對值│E│和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對值│EC│，輸出語言變量為KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)。

用于在線自整定PID參數(shù)的模糊控制器是以誤差和誤差變化率為輸入語言變量，以比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)為輸出語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)則就是對參數(shù)KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則。由此可建立模糊調(diào)節(jié)規(guī)則表，再通過模糊推理和模糊運(yùn)算，計(jì)算得到KP、KI、KD參數(shù)的精確值，以此做為PID調(diào)節(jié)的整定值，從而實(shí)現(xiàn)Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制的功能。

（二）控制系統(tǒng)AT89S52單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)

在本系統(tǒng)中單片機(jī)主要工作是對LM629的控制，其中包括LM629硬件軟件啟動、相關(guān)運(yùn)動參數(shù)的設(shè)定，速度數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)模糊控制，并完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)程序采，其內(nèi)部含有梯形速度發(fā)生器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，極大地簡化了位置伺服控制模塊的軟件設(shè)計(jì)。其PID控制算法可表示為：

為進(jìn)一步提高控制精度，達(dá)到穩(wěn)速的效果，對此算法進(jìn)行改進(jìn)后得到Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制算法。即在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率△e，e、△e則構(gòu)成此二維模糊控制器的輸入量，再利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，實(shí)時(shí)計(jì)算進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整，得到此時(shí)針對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最適合的PID參數(shù)。

模糊隸屬度函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式可以采用的點(diǎn)斜式存儲方式實(shí)現(xiàn)。為了簡化該程序設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中將│E│和│EC│共設(shè)置為5種簡單組合。

四、結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)uzzy-PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。加上上位機(jī)監(jiān)控平臺的使用，使對該直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制更加方便快捷。當(dāng)前，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制方案層出不窮，并且控制效果也越來越好，自適應(yīng)模糊控制及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方式也是直流調(diào)速系統(tǒng)控制的重要手段。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

陳科（1981- ），男，四川遂寧人，講師，碩士，研究方向：工業(yè)自動化控制技術(shù)。