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1、常州工学院毕业设计论文摘 要由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化自适应能力差。模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直
2、流调速装置的缺点，本文将模糊控制与PID调节器结合，着手fuzzy-PID复合控制方案理论研究和硬件的实现，设计出相关控制方案的直流调速系统，该方案以AT89C51单片机为主控单元，合适的驱动电路和一些外围电路构成硬件系统；以参数模糊自整定PID为控制策略。本文对于系统的硬件及软件设计进行了详细的设计，包括电机控制模块、检测模块、电机驱动模块的设计等，以及软件的控制思想和编程方法。本系统的设计顺应了目前国外直流调速朝着数字化，发展的趋势，充分利用了单片机的优点，使得通用性得到了提高。经过理论分析和设计此控制器的各项性能指标优于模糊控制器和常规PID控制器，具有很强的鲁棒性。关键词：模糊控制；直
3、流调速；稳态性能；单片机Abstract After Frequency Conversion Technology appeared，AC speed regulation method had always impacted DC Speed Regulation，but Generally speaking，especially the status in our country，in addition to digital DC Speed Regulation emerged，it improving the precision and the reliability in DC S
4、peed Regulation SystemDC Speed Regulation was also in the important statusSpeed stability、speed ratio、acceleration、deceleration are the four factors in DC Speed Regulation System，the last two factors already reached well in industry applicationBut the Stability index does not match the desired purpo
5、seStability index is that the DC motor running in the precision range on desired speed，even if the system has uncertain disturbanceIt is hard to realize because of adaptiveability digital DC Speed Regulation device is not enough when in the condition of the load parameters change unpredictably Fuzzy
6、 control does not need precision mathematic model to conquer the shortcoming in routine digital DC Speed RegulationWe can combine with the PID adjuster and fuzzy control，focusing on theory research and realization of fuzzy-PID compound control scheme，design relevant DC Speed Regulation System was de
7、signed in the dissertationThis scheme is based on the core of AT89C51 single chip，appropriate driver circuit and some peripheral circuits，Fuzzy Self-tuning PID is the control strategy,This dissertation also introduce the plan of hardware and software，including DC motor control module、driver module、e
8、xamine circuit and so on in detail，if explained the method of control and the thought of software，this system got used to the trend of digital power in the international，used the single microcomputer fully，and improveed the general use of the powerTheoretical analysis and design showed that all perf
9、ormance indexes of Parameter Self-Adjusting Fuzzy Logic PID Controller was in advance of those of the simple fuzzy controller and the conventional PID controllerEspecially，the adaptive fuzzy controller is robustKeywords：fuzzy logic control(FLC)；DC Speed Regulation；stability performance；Single micro-
10、computer目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1 序言11.2 PID控制中存在的问题11.3 模糊控制的发展状况21.3.1 模糊控制的发展过程21.3.2 模糊控制技术要解决的问题31.4 直流调速系统的发展概况41.5 本课题的研究内容及目的5第二章 直流调速系统的理论分析62.1 控制理论在调速系统中的应用分析62.1.1 调速系统性能指标62.1.2直流调速常用的方法72.2 传统直流调速系统中调节器参数的计算92.2.1 设计指标及要求92.2.2 固有、预置参数计算92.2.3 电流调节器参数计算102.2.4 转速调节器参数102.3 数字PI
11、D调节器的原理及应用122.4 数字PID控制器的算法实现14第三章 模糊PID控制算法设计163.1 模糊控制的原理163.1.1模糊控制的理论基础163.1.2 模糊控制系统的组成163.1.3模糊控制在实际中的适用性173.1.4 模糊控制器的设计方法173.2直流调速系统模糊PID控制结构设计183.2.1被控过程对参数、的自整定要求193.3模糊自整定PID参数控器设计203.3.1确定控制器的输入、输出语言变量203.3.2确定各语言变量论域，在其论域上定义模糊量213.3.3确定、的调节规则213.3.4 模糊推理和模糊运算22第四章 调速系统硬件设计244.1硬件总体方案设计2
12、44.2 主电路设计244.3 整流电力二极管参数的确定254.4 IGBT的选择264.5 IGBT驱动电路的设计264.5.1 IGBT驱动电路的一般要求264.5.2 IGBT的专用驱动集成电路264.6 泵升电压的抑制284.7 电流反馈信号检测装置设计294.7.1 概述294.7.2 电流检测装置的设计304.8转速检测环节及其与单片机接口电路的设计304.9 模拟量给定电流、转速反馈量与单片机的接口设计324.10 键盘与显示接口电路32第五章 系统软件设计345.1主程序345.2 A/D转换设计355.3键盘与显示子程序设计365.4模糊PID控制流程设计37结 论38参考文
13、献39致 谢4243第一章 绪论1.1 序言在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式
14、。1.2 PID控制中存在的问题对于PID控制尽管取得了一系列的研究成果和应用经验，但人们对PID的认识和改进还远没有完成。到目前为止，对PID的机理、适用范围、鲁棒性等问题还没有彻底的全面的分析研究。事实上，PID并非万能的控制器，在存在多变量藕合、时变、大时滞、强干扰、等复杂动态特性的系统中，PID很难获得理想的控制效果，甚至产生不稳定。因此有必要对PID的控制机理进行全面的分析，并对在上述场合中的应用提出改进的办法。PID控制中的一个关键问题是PID参数整定，传统的整定方法是在获得被控对象数学模型的基础上按照某种整定原则来进行PID参数值的整定。而实际的工业生产过程往往具有非线性，时变不
15、确定性，难以建立精缺的数学模型，应用常规的PID控制不能达到理想的控制效果。另外，在甚致产生不稳定实际生产现场中，PID参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实施或不太理想，常规PID控制器参数常常整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。因此，在PID参数值的整定及在自整定方面还有待进一步深入研究。另外，从结构上看PID控制器最简单，但并非最优，在克服较大扰动影响，提高系统动态品质等方面，光靠调整参数难以获得满意的控制效果。因此，还有必要在全面分析的基础上，对PID控制器进行结构上的改进。1.3 模糊控制的发展状况1.3.1 模糊控制的发展过程以往各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学
16、模型之上的，随着系统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的要求。人们期望探索出一种简便灵活的描述手段和处理方法，并进行了种种尝试。结果发现一个复杂的传统控制理论似乎难以实现的控制系统，却可由一个操作人员凭着丰富的实践经验得到满意的控制效果。如能模拟人的思维方法，把自然语言植入计算机内核，使计算机具有活性和智能。模糊罗辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。模糊控制是以模糊集合论作为他的数学基础的，它的诞生是以L.A.Zadehl965年提出模糊集理论为标记的。模糊控制经历了30多年的研究和发展已经逐步完善，自从1974年E.H.Mamdani首先利用模糊
17、数学理论进新和进行蒸汽机和锅炉控制方面的研究获得成功以后，模糊控制的研究和应用一直十分活跃。模糊控制系统应用于诸如在测量数据不确切、要处理的数据量过大以致无法判断它们的兼容性、一些复杂可变的被控对象等场合是非常合适的。与传统控制器依赖于系统行为参数的控制器设计方法不同的是模糊控制器的设计依赖于操作者的经验。在传统控制器中，参数或控制输出的调整是跟据对由一组微分方程描述的过程模型的状态分析和综合来进行的，而模糊控制器参数或控制输出的调整是从过程函数的罗辑模型产生的规则来进行的。改善模糊控制性能的最有效方法是优化模糊控制规则。通常模糊控制规则是通过将人的操作经验转化为模糊语言型式获取的，因此带有相
18、当的主观性。自从扎德1965年发表了首篇有关模糊集理沦的沦文来，模糊理沦和模糊控制开始了它的艰难历程。模糊集理论无法得到广大学者的认同，尤其是得到权威学者的认可。当时提出反对模糊集理论主要有两个理由:一是认为模糊隶属度函数的确定具有主观臆断性和人为经验技巧色彩，没有严格的系统方法，因而是不可靠的。二是认为模糊罗辑实际上是改头换面的概率理论。由于存在众多权威人士的反对，模糊理论在它的发源地美国的发展相当缓慢。在欧洲，对模糊理论的研究着重在模糊控制上。自从Mamdani教授1974年首先将模糊理论用于蒸汽机和锅炉的控制，开创模糊控制的先河。模糊控制理论的应用研究在70年代的欧洲取得了一些成功，推动
19、了模糊控制理沦的研究，同时模糊控制理论也不断地得到人们的认识和重视。在80年代后期，模糊控制理论进入了发展期，包括美国在内的世界各国在模糊控制理论和模糊控制产品的不断发展和不断更新。近十年来模糊控制发展相当迅速。1.3.2 模糊控制技术要解决的问题模糊控制是建立在人工经验基础上的。若能把这些实践经验加以总结和描述，并用语言表达和描述出来，它就是一种定性的、不确定的控制规则。如果用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形成了模糊控制理论。它在短短的十年里发展如此迅速，主要归结于模糊控制器的一些明显特点：无需知道被控对象的数学模型，模糊控制是以人对被控系统的控制经验为依据而设计的控制器；是一
20、种反映人类智慧思维的智能控制，模糊控制采用人类思维中的模糊是如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”控制量由模糊推理导出；易被人们所接受；构造容易，有单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般的数字控制原系统无异，模糊控制算法用软件实现；鲁棒性好，模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性、适应性，典型的缺点是模糊控制通过语言描述受控系统，控制品质存在粗糙和精度不高的弊病。模糊控制技术的发展离不开它所需要解决的具体问题的发展，模糊控制技术需要解决的具体问题有：模糊控制器的构造有三种技术：采用传统的单片机或微型机作为物理基础，编制相应的软件实现模糊推理和控制
21、；用模糊单片机或集成电路芯片构造模糊控制器，利用配制数据来确定模糊控制器的结构形式；采用可编程门陈列构造模糊控制器，这主要是构造控制表，需要预先脱机处理；模糊信息与精确信息转换的物理结构和方法模糊信息与精确信息转换问题目前基本上采用的是A/D，D/A转换技术；模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术对外界环境的适应问题目前还没有一种专门的良好技术。大多还是采用传统的技术或依赖于工艺水平；实现模糊控制系统的软技术，软技术主要包括系统的仿真和实际工作软件等，目前世界上已有多种仿真软件出现，如Neuralogix的产品；模糊控制器和被控对象的匹配技术；模糊控制器和被控对象的匹配技术仍然依赖于人们的经验
22、。这些模糊控制技术随着大规模集乘电路技术，计算机技术，工艺技术的发展而不断成熟起来。但是，模糊控制毕竟还是一门新兴学科，仍有许多问题有待解决。目前，模糊控制理论还存在需要解决的系统方法有：人的知识和经验的表达；知识推理的法则；人的知识的获取和总结；模糊控制系统稳定性判据；模糊控制系统的学习；模糊控制系统的分析设计；模糊控制系统的设计方法；用模糊控制更能容忍干扰和元器件的变化，使系统适应性更好。应用领域更加广泛，应用前景更加开阔。1.4 直流调速系统的发展概况在工程实践中，有许多生产机械要求在一定范围内进行速度的平滑调节，并要求有良好的稳态、动态性能。（一）直流调速控制技术发展概况直流调速系统的
23、主要优点在于调速范围广，静差率小，稳定性好，具有良好的动态性能。在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎采用直流电力拖动系统。直流调速控制的发展趋势有以下几个方面：提高调速系统的单机容量；提高电力电子器件的生产水平，使变流器结构变得简单紧凑；提高控制单元水平，使其具有控制监视，保护诊断及自复原等多种功能。（二）调速系统发展趋势（1）.高频化：在功率驱动装置中，低频的半控器件晶闸管在中小功率范围将会被高频的全控器件大功率晶体管所代替，既可提高系统性能又可改善电网的功率因数。（2）交流化：随着交流调速系统成本的逐步降低，不仅现有的直流调速系统将被交流调速所取代，而且大量的原来恒速运行的交流传动系
24、统将改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速，大功率领域，也将采用交流调速系统。（3）网络化：大规模多机协同工作的高度自动系统，需要计算机网络的支持，传动设备及控制器作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中或分散的生产过程实时监控。借助于数字和网络技术，智能控制如模糊控制。神经网络控制、自藕控制等己深入到运动控制系统的各个方面，各种观测器和辩识技术应用于控制系统中，大大改善了控制系统的性能。在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。虽然交流调速得到了快速的发展和广泛的应用，但直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方
25、便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式。1.5 本课题的研究内容及目的对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方而，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。本设计采
26、用PWM控制方法，设计并制作出具有模糊控制全数字化直流调速控制器，解决直流电机负载参数时变情况下能满足稳定转速精度的要求，具体内容有：设计直流脉宽调速系统总体构成，并根据给定对象及要求对调速系统进行参数计算；研究模糊控制理论，以及模糊控制与PID控制技术相结合的控制方案；完成主电路，控制电路，驱动和相关辅助电路的硬件设计；设计软件流程。第二章 直流调速系统的理论分析2.1 控制理论在调速系统中的应用分析2.1.1 调速系统性能指标任何一台需要转速控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如，精密机床要求加工精度达到几十微米至几微米；重型机床的进给机构需要在很宽的范围内调速，最高和最低相
27、差近300倍；容量几千kW的初轧机轧辊电动机在不到1秒的时间内就得完成从正转到反转的过程；高速造纸机的抄纸速度达到1000m/min，要求稳速误差小于0.01%。所有这些要求，都可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。调速系统对转速控制的要求：生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，分为调速，稳速，加、减速控制。调速是指在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。稳速是指以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。而加、减速控制对频繁起、制动的设备要求尽快
28、地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速度变化的生产机械，则要求起、制动尽量平稳。稳态指标：运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下面具体分析调速系统的稳态指标。（1）调速范围D生产机械要求电机能达到的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D表示，即 （2-1）其中,和一般都是指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。（2）静差率当系统在某一转速下运行时，负载有理想空载增加
29、到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称为静差率，即 （2-2）或用百分数表示 （2-3）显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。2.1.2直流调速常用的方法（一）G-M调速系统 图2-1所示为旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。为了给G和M提供励磁电源，通常专设一台直流励磁发电机GE，可装在变流机组同轴上，也可以另外单用一台交流电动机拖动。
30、图2-1 G-M调速系统原理图（二） V-M调速1957年，晶闸管问世，到了20世纪60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，逐步取代了旋转变流机组和离子拖动变流装置，使变流技术产生了根本性的变革。图2-2所示是V-M调速系统的原理图。图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节除触发装置GT的控制电压 Ud,从而实现平滑调速。图2-2 V-M调速系统原理图（三） 直流PWM调速PWM (Pulse Width Modulation)就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串
31、励或复励电动机，由恒压直流电网供电,过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触点控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称脉宽调制变换器。图2-3直流斩波器-电动机系统的原理图直流斩波器-电动机系统的原理图示于图2-3，其中VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图2-3，
32、好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 (T ton) 时间内被斩断，故称“斩波”。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。对上述三种系统进行比较，该设计未模糊化之前选用了PWM调速系统。2.2 传统直流调速系统中调节
33、器参数的计算2.2.1 设计指标及要求以一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统为例，设直流电动机参数：，主回路总电阻，电磁时间常数，机电时间常数，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数，额定转速时的给定电压,调节器ASR,ACR饱和输出电压, .如果要求系统稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量。2.2.2 固有、预置参数计算(1) 固有参数计算电势系数：整流装置滞后时间常数TS,三相零式晶闸管整流电路的平均失控时间：。电流环小时间常数(2) 预置参数计算由ACR输出限幅值：， 则 取起动电流限制在339A内，即由ASR输出限幅值为：
34、 则电流反馈系数为：由转速最大给定值：，则转速反馈系数：2.2.3 电流调节器参数计算 根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯型的，因此可用PI型电流调节器。电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求时，查相关资料可取超调量，此时，电流调节器超前时间常数,阻尼系数=0.707，因此： 于是，ACR的比例系数为：2.2.4 转速调节器参数（1）计算 电流环等效时间常数,由于 , 则 转速反馈滤波时间常数 转速环小时间常数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5, 则ASR的超前时间常数为： ， ASR比例系数： 转速环开环增益(2) 校核转速超调
35、量当h=5时,由相关资料查得, ,不能满足设计要求,但资料中的数据是按线性系统计算的,而突加阶跃给定时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,下面按ASR退饱和的情况重新计算超调量。由已知数据：，,则,当h=5时，z为负载系数，查相关资料可得，则： ，不满足设计要求。取h=3，ASR的超前时间常数为 ，ASR比例系数：转速环开环增益 h=3时，查相关资料可得， 则： ，可以满足设计要求前面所设计的ASR、ACR可用模拟电路设计来实现，但随着智能芯片的发展，采用数字方法实现调速系统的设计得到更广泛的应用。2.3 数字PID调节器的原理及应用随着计算机控制技术的发展，以微处理器为核心的数值控制系统硬件
36、电路的标准化程度高，制作成本底，且不受其间温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。总之，微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。PID调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。 在应用单片机实现控制系统中，PID很容易通过编程来实现。由于软件系统的灵活性
37、，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性。控制器是完成控制任务的核心器件, 控制算法的好坏直接影响着控制质量的优劣。为了更容易理解数字PID控制器，在介绍它之前首先简单的介绍一下模拟PID控制器。典型的单回路模拟PID控制系统如图2-4所示。其控制规律为： （2-4）其中Kp比例增益； 比例带；Ti积分时间常数；Td微分时间常数；u(t)控制量； 偏差。模拟PID控制器的传递函数为： （2-5）图2-4 典型的单回路模拟PID控制系统通过上式可知，PID控制器的输出由三项构成，分别是比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制（D）。比例控制能迅速反映偏差，调节作用
38、及时，从而减小偏差。但比例控制不能完全消除稳态误差，当Kp太大时，可能会引起系统的不稳定。积分控制作用是只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，积分项对应的控制量不断增大，以消除偏差信号。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除偏差信号。积分控制是靠对偏差积累进行控制的，控制作用缓慢，如果积分作用太强会使系统超调过大，甚至使系统出现振荡。微分控制具有预测误差变化趋势的作用，可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时可加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。实际使用中要根据对象的特性、系统性能要求等对PID的三项控制进行组合，以构成适用的控制规律。常用的有比
39、例（P）控制、比例积分（PI）控制、比例微分（PD）控制、比例积分微分（PID）控制。工业过程控制中，模拟PID控制器是用模拟仪表硬件实现的，而数字PID则是用软件实现的，因而它的灵活性更大，可以随时修改。在计算机控制系统中，可将模拟PID控制规律通过离散化方法获得数字PID控制算法。其差分方程为： （2-6）控制器输出仍是由三项构成，第一项Kpe(k)比例控制；第二项数字积分控制；第三项数字微分控制。数字PID控制算法根据被控对象的不同可分为位置型和增量型。位置型其算法如下：增量型其算法如下：其中Kp为比例增益；为积分系数；为微分系数。增量型算法与位置型算法相比较：增量型算法不需要做累加，计
40、算误差或计算精度对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去偏差的累加值，容易产生大的累加误差；增量型算法的误动作影响小，而位置型的误动作影响大；增量型算法易于实现手动到自动的无冲击切换。但是增量型只适用于对步进电机的控制，因而采用既具有上述优点又适用于控制直流电机的改进型增量算法：数字PID算法实施中的问题：算法编程,定点运算运算速度快，但精度较低；浮点运算精度高但运算速度慢；输出限幅,控制系统的执行机构都有其极限位置，与控制器对应就有两个极限量及最大控制量和最小控制量。输出超过极限位置可能损坏设备或使控制性能下降。因此当 时取；当时，取；积累整量化误差：当积分项时，不要把它舍弃，而是将其
41、累加起来，即,直到累加值时，将加入到中。2.4 数字PID控制器的算法实现 根据前面的计算可得到增量式算法中的参数、，电流调节器的计算参数分别为：,，（因采用的是PI调节规律），转速调节器的计算参数分别为,，PID算法流程如图2-5所示。图2-5 PID算法流程图由于控制对象变化的随机性和复杂性，既要获得足够的精度又便于系统分析设计的合适的数学模型是相当困难的，在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数(转动惯量)并不如模型那样一成不变，在某些应用场合随工况而变化;同时，直流电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，因此，被控对象的参数变化与非线性特性，使
42、得线性常参数PID调节器顾此失彼，系统的性能可能会变差，有时甚至造成系统不稳定，工业现场的调试人员不得不重新调节PID各参数，这给工程现场调试人员带来很大的不方便。而模糊控制凭借它的专家经验和知识表示的语言控制规则，不依赖于被控对象的精确的数学模型，将其与传统PID算法结合，能够客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。第三章 模糊PID控制算法设计3.1 模糊控制的原理3.1.1模糊控制的理论基础模糊逻辑控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。与传统控制理论相比，模糊控制有二大优点。第一，模糊控制在许多应用中可以有效便捷地实现人的控制策略和验收。第二模糊控
43、制可以不需按被控对象的数学模型即可实现较好的控制因为被控制对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入，输出模糊集及模糊规则中。3.1.2 模糊控制系统的组成一般常用FUZZY控制器结构框图如图3-1所示。图3-1常用FUZZY控制器结构框图由FUZZY控制器结构框图可以看见它有三个重要功能：把系统的偏差从数字量转换为模糊量；对模糊量由给定的规则进行模糊推理；把推理结果的模糊输出量转化为实际系统接受的精确数字量或模拟量(精确化接口)。由分析可知模糊逻辑控制的过程主要有三步：第一步：模糊化过程。模糊化就是通过传感器把受控对象的相关物理量转换成电量，若传感器的输出量是连续的模拟量，还要通过A/D转换成数字
44、量作为计算机的输入测量值，接着将此输入测量值作标准化处理，即把其变化范围映射到相应论域中，再将论域中的该输入数据转换成相应语言变量的术语，并构成模糊集合，这样就把输入的精确量转换为用隶属度函数表示的某一模糊变量的值。由此才能用检测到的输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊规则进行推理。第二步：模糊逻辑推理。根据事先已制定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则，运用模糊数字理论对模糊控制规则进行推理，根据模糊规则对输入的一系列条件进行综合评价，以得到一个定性的用语言表示的量，即模糊输出量。第三步：精确化计算，模糊输出量是不能直接去控制执行部件的，在这确定的输出范围中，要确定一个最具有代表性的值
45、作为真正的输出控制量。3.1.3模糊控制在实际中的适用性如用模糊控制代替传统控制解决问题，有二个选择标准，第一个是被控对象数学模型未知，但是它有较强的非线性系统或非线性带时限系统，第二个标准是当PID控制不能取得令人满意的控制效果，目前全世界的90%的工业过程自动控制是PID控制器实际的，PID控制器有效地控制线性系统，非线性系统或带时延的系统PID控制器只有三个控制参数可调，在许多场合下PI控制或PD控制已能达到预定控制效果。而绝大多数模糊控制器的可调整参数都远大于三个(输入及输出模糊集的数目及形状，模糊规则等)，在控制非线性，时变或大时延系统的性能优于PID控制器。3.1.4 模糊控制器的
46、设计方法1确定模糊控制器的输入变量，输出变量(控制量)模糊控制器的维数越高，控制就越精细，但维数过高，模糊控制规则会很复杂，控制算法的实现相当困难，通常采用二维模糊控制器。2模糊控制规则的设计(1)选择描述输入和输出变量的词集FUZZY控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入、输出变量状态的一些词汇的集合称为这些变量的词集。偏差己对应的词集E分为8个档级，形成8个子集来反映偏差大小，分别是NL、PL、NM、PM、NS、PS、NU、PV，偏差变化率。de/dt的语言变量E分为7个档级，来反映偏差变化率的大小、分别是NL、PL、NM、PM、NS、PS、O输入变量U分成7个档级，分别是:NL、PL、NM、PM、NS、PS、O。(2)