基于MCS—51單片機的直流電機轉(zhuǎn)速Fuzzy—PID復合控制器軟件設計

【摘 要】工業(yè)生產(chǎn)過程中的直流電機轉(zhuǎn)速控制是一種非線性、時變的復雜過程，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的直流電機轉(zhuǎn)速Fuzzy-PID復合控制系統(tǒng)，實驗表明該系統(tǒng)在負載、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；單片機；模糊控制；Fuzzy-PID參數(shù)自整定

一、引言

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

穩(wěn)速很難達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載參數(shù)變化適應能力差。模糊控制不要求被控對象的精確模型且適應性強，為了克服常規(guī)數(shù)字直流調(diào)速裝置的缺點，可將模糊控制與PID調(diào)節(jié)器結(jié)合，形成fuzzy-PID復合控制方案，設計能在負載、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控制器。

二、硬件設計

整個直流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件由電機控制模塊、速度反饋模塊、隔離保護模塊、電機驅(qū)動模塊、過流保護模塊、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的輸出軸上的增量式光電編碼盤反饋電機的實際位置，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單片機實現(xiàn)模糊控制以及與運動控制芯片LM629的數(shù)據(jù)傳送，單片機通過LM629獲得電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過中值濾波得到實際轉(zhuǎn)速V，之后經(jīng)模糊運算得到的KP、KI、KD參數(shù)，再發(fā)送至LM629。電機驅(qū)動模塊采用LMD18200實現(xiàn)受限單極性驅(qū)動方式。過流保護模塊采用比較器LM339構(gòu)成。系統(tǒng)采用RS232串口與PC機實現(xiàn)通信。

三、軟件設計

（一）直流電機Fuzzy-PID控制器的設計

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)的基礎上，采用模糊推理思想，加上一個模糊推理環(huán)節(jié)。模糊推理環(huán)節(jié)是為了根據(jù)系統(tǒng)實時狀態(tài)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)而設置的。

由Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，模糊控制器實際上是對PID調(diào)節(jié)參數(shù)進行修正，其輸入語言變量為直流電機轉(zhuǎn)速偏差絕對值│E│和直流電機轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對值│EC│，輸出語言變量為KP、KI、KD三個參數(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算，計算得到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單片機程序?qū)崿F(xiàn)

在本系統(tǒng)中單片機主要工作是對LM629的控制，其中包括LM629硬件軟件啟動、相關(guān)運動參數(shù)的設定，速度數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)模糊控制，并完成與上位機的數(shù)據(jù)通信。單片機程序采，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計。其PID控制算法可表示為：

為進一步提高控制精度，達到穩(wěn)速的效果，對此算法進行改進后得到Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制算法。即在PID算法的基礎上，通過計算當前系統(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)則進行模糊推理，實時計算進行PID參數(shù)調(diào)整，得到此時針對直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最適合的PID參數(shù)。

模糊隸屬度函數(shù)的實現(xiàn)方式可以采用的點斜式存儲方式實現(xiàn)。為了簡化該程序設計，實驗中將│E│和│EC│共設置為5種簡單組合。

四、結(jié)論

通過實驗，F(xiàn)uzzy-PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了對直流電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。加上上位機監(jiān)控平臺的使用，使對該直流電機的轉(zhuǎn)速控制更加方便快捷。當前，直流電機調(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，自適應模糊控制及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡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：

[1] 陳梅，楊琳琳，許正榮.直流電機的模糊PID控制[J].自動化技術(shù)與應用，2008，02.

[2]紀友芳，林美娜.模糊PID復合智能控制參數(shù)自整定研究[J].微計算機應用，2007，08.

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)。