直流電機的調(diào)速原理直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法兩類。隨著電力電子技術(shù)的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電,使用晶閘管進行相控調(diào)壓；使用硅整流器將交流電整流成直流或由蓄電池等直流電源供電，再由PWM斬波器進行斬波調(diào)壓等。PWM驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)晶閘管驅(qū)動裝置比較，具有下列優(yōu)點：需用的大功率可控器件少，線路簡單；調(diào)速范圍寬；電流波形系數(shù)好，附加損耗?。还β室驍?shù)高。可以廣泛應用于現(xiàn)代直流電機伺服系統(tǒng)中。小功率直流電機的調(diào)速原理：對于小功率電機的調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機控制是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值（即占空比）來控制電機速度。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），簡稱PWM。因此。PWM又被成為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。改變占空比的方法有三種：（1）定寬調(diào)頻法，保持t1不變，只改變七，這樣周期T（或頻率）也隨之改變；（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持t2不變，而改變"，這樣也使周期T（或頻率）改變；（3）定頻調(diào)寬法，這種方法周期T（或頻率）不變，而同時改變ti和七。由于前兩種方法都改變了周期（或頻率），當控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)采用的是定頻調(diào)寬法。在買沖作用下，當電機通電時，速度增加。電機斷電時，速度逐漸減小。只要按一定規(guī)律，改變通斷電時間，即可實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制。脈沖寬度調(diào)速的系統(tǒng)原理圖如圖6.6所示［11：設(shè)電機永遠接通電源時，其最大轉(zhuǎn)速為Vmax，設(shè)占空比D=t"T，則電機的平均速度七，V廣V*D，平均速度V^與占空比D的函數(shù)曲線如圖6.7所示。從圖中可以看出，V^與占空比D并不是完全的線性關(guān)系（圖中實線），當系統(tǒng)允許時，可以將其近似的看成線性關(guān)系（圖中虛線），本系統(tǒng)采用近似法。

脈沖信號 二'，t2一最大值Vmax平均值Vd轉(zhuǎn)速脈沖信號 二'，t2一最大值Vmax平均值Vd轉(zhuǎn)速圖6.6脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)原理圖_最小值Vmin圖6.7平均速度與占空比關(guān)系1.1.1電機同步設(shè)計中選擇模糊控制的原因在古典控制理論中，應用最成功的是比例積分微分(PID)控制。它是一種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的常規(guī)控制算法，屬于線性控制。這種控制方式的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以不用被控對象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進行調(diào)節(jié)。該算法由于其簡單實用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。但是當被控對象比較復雜時，便難以取得滿意的控制效果?，F(xiàn)代控制理論為控制復雜系統(tǒng)提供了新的思路。采用該理論進行控制時，需要提供準確的數(shù)學模型。盡管數(shù)值計算與計算機技術(shù)的發(fā)展，為求解模型參數(shù)提供了有效的方法和工具，但由于這些模型方程中有眾多的參數(shù)需要估計，而求解這些參數(shù)時又往往缺少足夠的信息特征和信息量，因此限制了現(xiàn)代控制理論的有效應用。一個控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)鍵在于它能否對被控對象提供精確的控制。當研究的控制系統(tǒng)涉及非線性、多變量、時變性等這樣的大系統(tǒng)時，如煤炭生產(chǎn)過程、金屬冶煉、石油化工、工業(yè)鍋爐等，系統(tǒng)的復雜性與控制技術(shù)的精確性便形成了尖銳的矛盾。由于被控對象和過程的非線性、時變性、多參數(shù)間的強烈耦合、隨機干擾、被控過程的機理錯綜復雜等，很難建立被控對象的精確數(shù)學模型，只能測得其參數(shù)間的模糊關(guān)系的估計。這就給傳統(tǒng)的古典控制理論及現(xiàn)代控制理論方法的應用帶來了很大的困難。對于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過程，有時一個有實踐經(jīng)驗的操作人員，手動操作效果卻很好。操作人員恰恰是利用了人腦的特點，通過對外界事物進行識別與判決，使看來不經(jīng)意的模糊手動操作，達到精確控制的目的。模糊控制與傳統(tǒng)的控制方式相比，具有以下特點：在設(shè)計系統(tǒng)時不需要建立被控對象的數(shù)學模型。只要求掌握現(xiàn)場有經(jīng)驗的操作人員或有關(guān)專家的經(jīng)驗、知識，或者操作者在操作過程中的操作數(shù)據(jù)及被控對象的運行數(shù)據(jù)等。對被控對象特性參數(shù)的變化具有較強的魯棒性。適合于對難以建立被控對象的數(shù)學模型的復雜系統(tǒng)進行控制，如非線性、時變、滯后系統(tǒng)。為“語言型”控制，由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，較容易建立語言變量控制規(guī)則，易于形成知識庫。由不同觀點出發(fā)，可以設(shè)計幾個不同的指標函數(shù)，但對一個給定系統(tǒng)而言，其語言控制規(guī)則是分別獨立的，且通過整個控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)可以取得總體的協(xié)調(diào)控制?？刂菩Ч茫宜柙O(shè)備簡單，經(jīng)濟效益顯著。傳統(tǒng)的雨刮器大多是機械連桿結(jié)構(gòu)的，當下雨時，駕駛員需要手動操作雨刮器來掃除風擋玻璃上的雨滴，由此增加了雨天行車的危險性。本文設(shè)計的基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)是采用自行研制的紅外線雨滴傳感器感應落在風擋玻璃上雨滴的大小，使雨刮器自動工作在低速狀態(tài)或高速狀態(tài)。這樣，當在濕路上駕駛時，駕駛者就無需動手打開雨刮器，使駕駛者集中精力開車。傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，應用很廣泛，但也存在一些不足。例如，無法有效克服負載參數(shù)的大范圍變化和非線性因素對系統(tǒng)造成的影響，因而，不能滿足高性能、高精度的要求。隨著模糊控制技術(shù)的成熟，汽車的許多裝置也越來越多地使用了模糊控制技術(shù)，如剎車裝置、變速控制等。模糊控制不需要建立精確的數(shù)學模型，而是運用模糊理論將人的經(jīng)驗知識、思維進行推理，控制過程的方法與策略由所謂模糊控制器來實現(xiàn)。模糊控制對那些難以獲得數(shù)學模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)有獨特優(yōu)勢。因此，模糊控制設(shè)計的核心是模糊控制器的設(shè)計。本文設(shè)計的基于模糊控制的汽車智能雨刷系統(tǒng)，用模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，能明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，控制效果良好。1.1.2模糊控制在電機同步控制中的應用本設(shè)計中的雨刮器是采用具有高速和低速兩個檔位的雨刮電機來同時控制兩個雨刮，雨刮器不工作時，兩個雨刮都停在風擋玻璃的左側(cè)位置，即雨刮電機復位位置。我們用單片機來控制整個系統(tǒng)，當80C51的INT1口檢測到紅外線雨滴傳感器的信號時，即有雨滴落在風擋玻璃上，按脈沖個數(shù)對轉(zhuǎn)速的分配，兩個雨刮就分別左右擺動。當小雨時，雨刮器工作在低速擋，當大雨時，雨刮器工作在高速擋。由于生產(chǎn)工藝的問題，兩個雨刮電機的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就會存在兩個雨刮擺動不同步的問題。用電機的復位信號來檢測兩個雨刮運動的快慢，哪個雨刮先到復位位置，說明它快，通過單片機的PWM口，對快的進行斬波。雨刮每運行一個周期檢測一次，哪個先到復位位置就對哪個斬波，直到兩個雨刮無論在低速狀態(tài)還是高速狀態(tài)，都達到同步擺動。確定輸入變量和輸出變量本設(shè)計中選擇兩電極復位端的時間偏差E及偏差變化為輸入變量，PWM脈寬調(diào)制信號占空比增量U為輸出量。精確量的模糊化本設(shè)計中把誤差變量的模糊子集論域定為[-66],誤差變化的模糊子集論域也定為[-66],PWM占空比增量的模糊子集論域為[-77],在進行輸入變量模糊化時，時間偏差e在其論域上定義7個模糊集隸屬度函數(shù)，相應的語言變量為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，其隸屬度函數(shù)為三角形。時間偏差化e在其論域上定義5個模糊集隸屬度函數(shù)，相應的語言變量為負大(NB)、負小(卬)、零(0)、正小(PS)、正大(PB)，其隸屬度函數(shù)

為三角形。輸出變量PWM占空比增量^在其論域上定義7個模糊集隸屬度函數(shù)，相應的語言變量為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，其隸屬度函數(shù)為三角形。模糊變量E、Ec及U的隸屬度函數(shù)賦值表如表6.1，表6.2，表6.3所示［12：表6.1模糊變量E的隸屬度函數(shù)賦值表U E"e"-A-6-5-4-3-2-10123456PB000O0000000.40.81.0PM000000000.20.71.00.70.2PS0000000.10.81.00.50.100000000.20.61.00.60.20000NS000.10.51.00.80.1000000NM0.20.71.00.70.200000000NB1.00.8表0.46.2t0糊變0量Ec0的隸0度函0數(shù)賦0表0000uECEC-■A.-6-5-4-3-2-10123456PB000O000000.10.40.81.0PS0000000.10.40.71.00.70.40.100000.20.40.81.00.80.40.2000NS0.10.40.71.00.70.40.1000000NB1.00.80.40.1000000000表6.3模糊變量U的隸屬度函數(shù)賦值表\uU-7-6-5-4-3-2-101234567PB0000O0000000.10.40.81.0PM0000000000.20.71.00.70.20PS00000000.41.00.80.40.100000000000.51.00.5000000NS0000.10.40.81.00.40000000NM00.20.71.00.70.2000000000NB3.模糊1.0控制0.8規(guī)則0.4的確1.0定00000000000確定了模糊控制器的輸入變量和輸出變量的模糊集、論域及隸屬度函數(shù)之后，則需建立模糊控制規(guī)則。根據(jù)人的直覺思維推理,由系統(tǒng)輸出的誤差及誤差變化率來消除系統(tǒng)誤差的模糊規(guī)則可以用35條if—then模糊條件語句來描述。例如，從系統(tǒng)的響應看，如果誤差E為PB,則需要給出正的控制量U。如果此時EC為值時，則說明誤差較大且還有加大的趨勢，則應該設(shè)置控制量U為PB;相反的如果EC為NS,說明誤差有減小的趨勢，所以無需加太大的控制量U,可以設(shè)置為PM;若EC為NM、NB,則說明誤差有較快的減小趨勢，則應該加更小的控制量U,甚至可以不加,如設(shè)置U為0。這樣，針對E、EC的組合可以總結(jié)出類似的規(guī)則，如表6.4所示。通常情況下，模糊控制器一旦完成，語言規(guī)則和模糊推理就確定了。隨意在設(shè)計模糊控制規(guī)則時要結(jié)合操作者的實際經(jīng)驗，不斷對控制規(guī)則進行調(diào)整，知道控制結(jié)果滿意為止。表6.4模糊控制規(guī)則表UENS0PSPBNBNBNMNMNS0NMNBNMNMNS0NSNBNMNS0PM0NBNM0PMPBPSNM0PSPMPBPM0PSPMPMPBPB0PSPMPMPBNBUENS0PSPBNBNBNMNMNS0NMNBNMNMNS0NSNBNMNS0PM0NBNM0PMPBPSNM0PSPMPBPM0PSPMPMPBPB0PSPMPMPBNB量化因子和比例因子的選擇本設(shè)計中，經(jīng)過Matlab仿真多次的調(diào)試，選定Ke=7.5,Kec=0.4,Ku=3.5根據(jù)式6.4,6.5,6.6,6.7，可得模糊控制器的誤差范圍是［-800,800］ms，誤差變化的實際范圍是［-1500，1500］ms,Pwm占空比的增量范圍是［-24.5%,24.5%］。而本設(shè)計中電機選用3000轉(zhuǎn)/min的小型直流電機，其轉(zhuǎn)動的最慢速度的占空比在程序中幾經(jīng)給出為40%，相當于一轉(zhuǎn)需要50ms。雨刮器從一端擺到另一端需要半個周期，為25ms,所以誤差范圍最大為［-25,25］ms,誤差變化的最大范圍是［-50，50］ms,Pwm增量范圍是［-10.5%,10.5%］,所以說明此量化因子和比例因子選擇恰當，可以完全反應本設(shè)計的控制規(guī)律。模糊控制器的設(shè)計MATLAB，取自矩陣(Matrix)和實驗室(Laboratory)兩個英文單詞的前三個字母，意即“矩陣實驗室”。它是一種以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單元的程序設(shè)計語言，提供了數(shù)據(jù)分析、算法實現(xiàn)與應用開發(fā)的交互式開發(fā)環(huán)境，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程。本文采用MATLAB模糊邏輯工具箱設(shè)計模糊控制器。在MATLAB中鍵入命令FUZZY，進入模糊邏輯編輯窗口FISEditor，在輸入e、ec，和輸出u圖標上雙擊，可以對輸入和輸出的隸屬函數(shù)進行編輯，如：論域范圍、隸屬函數(shù)條數(shù)、隸屬函數(shù)形狀等。如附錄中圖A.1所示，本設(shè)計中取兩個雨刷到達復位位置的時間偏差e的論域為［-6,+6］，有7個語言變量，三角形隸屬度函數(shù)。如附錄中圖A.2所示，兩個雨刷到達復位位置的時間偏差變化率ec的論域為［-6,+6］，有5個語言變量，三角形隸屬度函數(shù)。如附錄中圖A.3所示，輸出PWM脈寬調(diào)制信號占空比的增量u的論域為［-7,+7］，有7個語言變量，三角形隸屬度函數(shù)。然后在RulesE