毕业设计（论文）基于单片机的汽车智能雨刮器设计.doc

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1、基于单片机的汽车智能雨刮器设计摘 要雨刮器属汽车附件，是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪和灰尘等，以保证玻璃透明清晰。本文分析了三种雨滴传感器的组成原理，基于光强变化的原理设计了一种新型的汽车红外线雨滴传感器。当下雨时，该雨刮器系统可以通过红外雨滴传感器感知雨量大小，分辨出是大雨还是小雨,使雨刮器自动工作在高速或低速状态，能够取代传统的机械结构的雨刮器。在汽车智能雨刮系统中由于两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就存在两个雨刮摆动不同步的问题。本文在分析了模糊控制理论及雨刮同步摆动规则的基础上，提出了一种基于模糊控制的汽车智能雨刮系统。该系统将转速偏差和转速偏

2、差变化量模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机，使两个雨刮同步摆动。本文基于单片机完成了对雨滴传感器及模糊控制的软、硬件设计，并对控制系统进行了MATLAB仿真，仿真实验结果表明该系统能有效的抑制超调现象，提高系统的响应速度和稳态性能。关键词：雨滴传感器；模糊控制；单片机；雨刮器The Design Of Intelligent Windscreen Wiper Of Automobile Based On Single Integrated CircuitAbstractThe windscreen

3、wiper is an accessories of the Automobile, it is an important part of Automobile for the steer security. It is used to clear up the rain and snow, dust and cement on the windscreens,rear windows and headlight windows,to make sure the windows transparent and clear.In this thesis,compositive theory of

4、 three kinds of rain sensors are analysed,and a new-type of infrared rain sensor of automobile is designed based on the theory of variety of light intersity.When it rains,the windscreen wiper system senses the amount of rainfall by the infrared rain sensor and distinguish the number of precipitation

5、 rain fall and thus makes the windscreen wiper automatically work either at a high speed or at a low speed. It can replace traditional windscreen wiper system of mechanical structure.In intelligent windscreen wiper system of automobile, As the problem of technics,rotate speed of two electro motors a

6、re not the same completely,so there are the problems that two wiper blades swing ansynchronous. In the thesis,a intelligent windscreen wiper system of automobile based on fuzzy control is presented,by analyzing fuzzy control theory and synchronous swing rules of windscreen wiper. The speed error and

7、 its change were used as fuzzy stable variable.According to a set of fuzzy rules, the output variable was selected to control the PWM switch. In this way, the PWM technique was used to drive the DC motor and control windscreen wiper to swing synchronously.The software and hardware of rain sensors an

8、d fuzzy control was completed based on SCM in this thesis,and process the simulation of MATLAB. The simulation results showed that the system could depress the overshoot and improve the response and steady state performance.keywords：rain sensor；fuzzy control；SCM；windscreen wiper目 录摘 要IAbstractII第一章

9、引 言11.1 研究背景11.2 研究的意义21.3 论文的内容2第二章 智能雨刮器的原理及种类42.1 雨滴传感器的分类42.1.1 压电振子原理的雨滴传感器42.1.2 静电电容原理的雨滴传感器42.1.3 光量变化的雨滴传感器52.2 红外雨滴传感器的原理5第三章 智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍73.1 发射模块73.1.1 发射管73.1.2 由555定时器构成的多谐振荡器73.2 接收模块93.2.1 红外接收管93.2.2 带通滤波器103.2.3 分频器CD4024123.2.4 80C51芯片资料123.3 四总线缓冲门74ls12514第四章 智能雨刮器硬件设计164.1

10、智能雨刮器的结构框图164.2 雨滴传感器的硬件设计164.3 电机控制的硬件设计16第五章 智能雨刮器的软件设计195.1 雨滴传感器的流程图设计195.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计205.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计22第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系统236.1 模糊控制简介236.2 模糊控制的数学基础246.2.1 模糊集合246.2.2 隶属度函数及其确定246.3 模糊控制器的设计256.3.1 模糊控制器的结构设计276.3.2 精确量的模糊化286.3.3建立模糊控制器的控制规则296.3.4模糊判决296.3.5论域、量化因子及比例因子的选择306.3.

11、5.1论域及基本论域306.3.5.2量化因子306.3.5.3比例因子316.3.5.4量化因子和比例因子的选择316.4 智能雨刮器电机的模糊控制326.4.1 智能雨刮器的控制原理图326.4.2 直流电机的调速原理336.4.3 电机同步设计中选择模糊控制的原因346.4.4 模糊控制在电机同步控制中的应用366.5 模糊控制算法流程图406.6 控制系统的仿真与分析42总结45参考文献46附录A matlab仿真图48附录B 硬件原理图51附录C 程序52致谢65第一章 引 言1.1 研究背景汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，现代汽车正从一种单纯的交通工具朝着满足人们需求、安全、

12、节能和环保的方向发展。为了满足人们对汽车日益提高的要求，汽车研发及生产机构必然要将越来越多的电子产品引入到汽车上，智能控制系统也成为汽车革新的主要内容。雨刮器属汽车附件，是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪、灰尘和水泥等，以保证玻璃透明清晰。第一个发明电动刮水器的是德国博世公司，博世将它作为“博世最年幼的产品”加入到博世的产品家族。自那以后，这个婴儿逐渐成长，从单纯的刮片发展到二十一世纪初的风窗玻璃之星无支架的刮水器。在汽车的驾驶史上，对风窗玻璃的清洁问题解决开始得比较晚。汽车从只有平添驾驶发展到成为全天候的驾驶。技术变化最大是在二战以后，伴随着大规模机械的出

13、现。风窗玻璃洗涤器、间歇开关、后窗刮水器和可加热喷水器保证了驾驶时的视野清晰与行车安全。伴随着其他一些技术革新，比如雨滴传感器、可变位刮水臂、刮水器的出现，就更扩大了刮拭的范围，刮水器成为了一个复杂的系统。目前传感器在汽车上的应用已经相当广泛，汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。在对于汽车雨刮器的研究上，智能雨滴传感器自然成了智能刮水器系统的重要组成部分。智能化传感器是具有智能功能的高档传感器，它具有检测、信息处理功能、自动进行各种误差补偿、精度高、量程覆盖范围大、稳定性好、输出信号大、信噪比高、传输中抗干扰性能好，可远

14、距离输送信号，有的还带有自检功能。1.2 研究的意义据统计全世界雨天行车有7%的事故是由于驾驶员手动操作雨刷引起的，现在的汽车中已经安装了越来越多的传感器以增加主动性和被动安全性。采用雨滴感应式自动雨刷控制系统可以使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦，有效地提高了雨天行车的安全性。如果汽车有雨滴传感器，驾驶者就无需调节雨刮器设置来迅速停止刮片的运动或者得到更好的视角。当在湿路上驾驶时，驾驶者就无需动手来打开雨刮器，所以驾驶者就可以集中精力开车。1.3 论文的内容论文结合智能雨刮系统的特点，进行了以下几个问题的研究：1论文总结了汽车雨刮器的发展历程以及汽车传感器的现状及发展趋势，提出了研制汽车雨滴传感

15、器的重要意义。2目前，雨滴传感器主要由三种原理构成：利用压电振子的传感器、利用静电电容的传感器和利用光量变化的传感器。我们根据把雨滴传感器放在汽车内部的需要，利用光量变化的原理，研制出了一种新型红外线汽车雨滴传感器。该雨滴传感器能够智能的分辨出大雨还是小雨，从而使雨刮做高速或低速摆动。3本文系统分析了模糊控制理论及模糊控制技术在汽车上的应用。汽车工业在其发展过程中所日益显示的对于高新技术的可容性和电子化趋势，使得模糊技术颇受各国汽车公司和厂商的重视，并由此掀起了一股模糊技术用于汽车的热潮。因此，要研制智能化的汽车离不开模糊控制技术。4把模糊控制技术用于汽车智能雨刮系统中的两个雨刮片的同步问题。

16、由于生产工艺的问题，两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就会存在两个雨刮片摆动不同步的问题。用模糊控制器来取代传统的PID控制器，可以更好的控制雨刮片的同步。整个系统80c51单片机来控制，给出了硬件和软件设计。5用MATLAB软件对模糊控制系统和PID控制系统进行了仿真，并对比两个仿真结果。仿真结果表明了设计的合理性及方案的可行性。第二章 智能雨刮器的原理及种类现在开发的雨滴检测雨刮器，将雨滴传感器检出的雨量变成电信号，根据电信号的大小，控制刮雨器动作。在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。2.1 雨滴传感器的分类2.1.1 压电振子原理的雨滴传感器0图2.2 静电电容传感器2.1.2 光量变化

17、的雨滴传感器把半导体发光元件和感光元件配成一对，从发光元件发出的光信号，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光强减弱。可利用光强的衰减信号控制雨刮器的动作。前两种雨滴传感器需要放在汽车的外部，而本文所研制的雨滴传感器需要放在汽车的内部，即驾驶室一侧的风挡玻璃上。所以采用第三种方法，利用光强变化来实现的雨滴传感器。2.2 红外雨滴传感器的原理本设计中的雨滴传感器选用红外雨滴传感器，属于光量变化原理雨滴传感器的一种。由光（本设计中选用红外线）发射元件发射出的红外光以全反射角度在挡风玻璃的外表面反射，其角度必须在42（玻璃-水）和63（玻璃-空气）之间。如果在挡风玻璃上有雨，雨量越大，反射回来

18、的光越多。从发射元件发出的光反射到接收装置的挡风玻璃区域被称之为传感器的“敏感区域”，仅当雨水滴到这个区域时，才可以被探测出来。为使系统灵敏可靠，挡风玻璃区域和灵敏区域之间必须要有一个较好的比例1。雨滴传感器的原理图如图2.3所示： 图2.3雨滴传感器原理图第三章 智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍该雨刮器的雨滴传感器部分主要由发射模块和接收模块两大模块组成。而电机部分的主要芯片是四总线缓冲门74LS125。3.1 发射模块发射模块的主要功能是为接收模块提供足够的光辐射通量，本设计中光源定为红外线，所以发射模块由八个红外发射器、一个555定时器和电阻电容元件组成。八个红外发射管采用4个为一组，两

19、组并联的方式，由555定时器驱动。3.1.1 发射管发射管采用西门子公司出产的SFH421作为光源，实物图如图2-10所示。峰值波长为880 nm，带宽80 nm。它具有高线性度、高可靠性、高脉冲处理能力等特点。采用4个一组，两组并联的方式，由555定时器驱动，发出频率为38 kHz的红外光。工作在38 kHz的频率下，采用这种方式可以减少发射电路的功耗。3.1.2 由555定时器构成的多谐振荡器 发射器的核心是振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。可由集成电路反相器、与非门、无稳态电路, 555定时器等组成. 其中55

20、5定时器组成的振荡发射系统容易起振,本身的输出功率较大,常用其组成发射系统,其芯片图如图3.1所示，原理图如图3.2所示：C、C的比较电压分别为V和V。接通电源后，电容C被充电，v上升，当v上升到v时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时v为低电平，电容C通过R和T放电，使v下降。当v降到v时，触发器又被置位，v翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： 式(3.1)当C放电结束时，T截止，v将通过R、R向电容器C充电，v由v上升到v所需的时间为： 式(3.2) 当v上升到v时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为2： 式(3.3) 图3.1 多谢振荡器

21、电路图本文设计的发射模块就是由555定时器构成的多谐振荡器，通过式(3.1)、(3.2)、(3.3)计算出R、R和C的值，使555电路发出频率为38 kHz的脉冲波，从而驱动红外发射管工作在38 kHz的频率下。由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电压和温度变化的影响很小。所以电源电压的变化,对发射频率的影响可忽略.但对红外光发射强度的影响不容忽略,须采取提高稳定发射强度的措施,方法是采取恒流源技术或窄脉冲发射的措施,能使红外辐射强度保持不变3。本设计中采用的是恒流源技术。图3.2 555定时器原理图3.2 接收模块接收模块是由一个红外接收管、带通滤波器、分频

22、器及51单片机组成。3.2.1 红外接收管红外接收管SFH320是西门子公司生产的，外形图如图3.2所示。它将接收到的红外光脉冲信号变成电脉冲信号后送入带通滤波器。SFH320是NPN型硅光电三极管。峰值波长为880 nm，具有高线性度、高可靠性等特点。图3.2 SFH320外形图3.2.2 带通滤波器带通滤波器的作用是只允许某一段频带内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。这种滤波器经常用于抗干扰的设备中，以便接收某一频带范围内的有效信号，而消除高频段及低频段的干扰和噪声。将低通滤波器和高通滤波器串联起来，即可获得带通滤波电路。其原理示意图如图3.3所示。在图2.3中，低通滤波器的通带截止频

23、率为f，即该低通滤波器只允许ff的信号通过。现将二者串联起来，且ff，则其通频带即是上述二者频带的覆盖部分，即等于f-f，成为一个带通滤波器根据以上原理组成的带通滤波器的典型电路见图2.4。输入端的电阻R和电容C组成低通电路，另一个电容C和电阻R组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端4。图3.3 带通滤波器原理示意图图3.4 带通滤波器的典型电路为了估算方便起见，设R=2R，R=R，此时可求得带通滤波器的电压放大倍数为： 式(3.4) 式(3.5) 式(3.6) 式(3.7) 式(3.8)本设计中选取中心频率为38kHz，带宽为100Hz，所以Q为380，选取C，再求R 。C的容量

24、不易超过。因大容量的电容器体积大，价格高，应尽量避免使用。根据式取C=0.1，,根据式(3.5)可得：计算出R=41.9.再根据值求和：因为f=时则=380，所以。根据与A、的关系，集成运放两输入端外接电阻的对称条件，可得： 1+ 解得：R=188.7,R=376.83.2.3 PIC16F877A的功能第四章 智能雨刮器硬件设计4.1 智能雨刮器的结构框图智能雨刮器系统由单片机、直流电动机、雨滴传感器及雨刷等组成。智能雨刮器的系统结构框图如图4.1所示。图4.1智能雨刮器的系统结构框图4.2 雨滴传感器的硬件设计雨滴传感器部分，由555定时器构成的多谢振荡器对红外发射管进行驱动，再由接收管接

25、收，这样就构成一个光电传感器。把光电传感器的信号经带通滤波器把信号频率限制在38KHz左右，再经分频器进行128分频，使脉冲信号变为毫秒数量级。如此构成的硬件图如图4.2所示：4.3 电机控制的硬件设计80c51单片机的P0口的P0.0、P0.1及P0.3、P0.4分别经四总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS04控制4个光电隔离器和4个大功率场效应开关管IRF640。下面举例说明此电路对电机A的控制过程:当单片机经P0接口输出12H控制模型时，由于锁存器74LS125中的三态门1是打开的，所以光电隔离器LEI导通并发光，光敏三极管输出为高电平，因而使大功率场效应开关管IRF640（v1

26、）导通。同理，74LS125中的三态门4输出为高电平，因此光电隔离器LEI发光并导通，因而使v4导通。同理可分析，此时v2和v3是关断的。因此电流从左至右流过直流电机，使电机正转。当P0接口输出09H时，则锁存器74LS125中的2，3号三态门打开，使得v2和v3接通，v1和v4关断，电流由右向左流过电机，使电机反转。SA0为电机左到位开关，当SA0置一，则输出正向代码；SA1为电机右到位开关，当SA1置一，则输出反向代码7。电机复位端为两电机各自的左到位开关。电机部分硬件图如图4.3所示：图4.2雨滴传感器部分硬件图图4.3雨刮器电机控制部分硬件图第五章 智能雨刮器的软件设计5.1 雨滴传感

27、器的流程图设计因为脉冲的中心频率为38KHZ，进行128分频后约为300HZ，周期即为3ms，所以选定定时时间为60ms，在此时间段内最多可接收20个脉冲，由此在按脉冲的多少进行大小雨的分配，由此形成的雨滴传感器的流程图如图5.1所示，60ms定时器的流程图如图5.2所示：图5.1雨滴传感器部分流程图图5.2 60ms定时器流程图5.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计对于直流电动机的转速来说，当励磁恒定时，它是随着电枢电压的增减而增减的(当然也可以利用改变励磁的大小来调节直流电机的转速)。所以，一旦调节或改变直流电动机的电枢电压，即可达到控制转速的目的。通过改变单片机输出PWM脉宽信号的占空

28、比，来控制直流电动机的电枢电压，从而改变雨刮电动机的转速8。汽车雨刮器电机的软件流程图如图5.3所示： 图5.3雨刮器电机部分流程图5.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计在汽车智能雨刮系统中，有许多非线性因素都会对雨刮同步造成影响。这样，我们就需要用人的经验知识来调整PWM信号的占空比，使两个雨刮同步摆动。因此，把模糊控制技术运用到雨刮同步控制中，可以使系统有良好的控制效果。汽车智能雨刮器的主程序流程图如图5.4所示： 图5.4 智能雨刮器主程序流程图第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系统6.1 模糊控制简介 几十年来，控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智

29、能控制又包括模糊控制、神经网络控制、专家控制和仿人智能控制等。模糊控制理论是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出。他以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略。自从1974年英国的E.H.Mamdan首先把模糊语言组成的模糊控制器用于控制蒸汽发动机，在以后的二十多年中，模糊控制在控制领域中的应用越来越广泛，也越来越受到人们的重视。模糊控制较大规模的研究是从1980年开始的。1985年，模糊推理集成块开始开发。1986年，在日本，基于模糊控制技术所开发的产品及系统开始出现，并在实际应用中取得明显的经济效益。之后，模糊

30、控制在许多国家如美国、西欧、中国、东南亚引起了广泛的重视，并受到国际控制理论学术界的关注。1984年，国际模糊系统学会成立。1985年，召开了第一届国际模糊系统学会的学术交流会，各国相继成立了模糊控制系统工程研究所，90年代起，世界上一些大公司开始了模糊产品的开发，模糊理论与应用研究及模糊产品的开发像一股强劲的风浪席卷世界各地9。到目前为止，模糊控制还没有统一的定义。但从广义上可将它定义为：“模糊控制指的是以模糊集合理论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一类计算机数字控制方法”或者定义为“基于模糊集合理论、模糊逻辑，并同传统的控制理论相结合，模拟人的思维方式，对难以建立数学模型的对象实施的一种控

31、制方法”。其基本思想是在被控对象的模糊模型的基础上，用机器去模拟人对系统控制的一种方法。6.2 模糊控制的数学基础6.2.1 模糊集合模糊集合是一种特别定义的集合、它与普通集合既有联系又有区别。对于普通集合来说，任何一个元素要么属于该集合，要么不属于，非此即彼，界限分明，决不模棱两可。它可用来描述模糊现象，而模糊集合的边界是模糊的，允许论域中的某些元素部分属于该集合，只要规定该元素属于这个集合的程度即可。对于普通集合中特征函数的值域从0,1集合扩展为0,1闭区间，且定义特征函数为该闭区间的连续函数，则以这特征函数对论域进行划分，即可得到模糊集合。模糊集合定义为：给定论域U中的一个模糊集A，是指

32、对任意u U，都为其指定一个数(u)u0,1与之对应，这个数叫做u对A的隶属度。这意味着作出一个映射：:u0,1，u这个映射称为A的隶属函数。模糊集A就是以这个隶属函数为特征的集合。由此可见，模糊集是普通集的一般化，普通集是模糊集的特殊情况。正如普通集合完全由其特征函数所刻画一样，模糊集A完全由隶属函数所刻画。当模糊集隶属函数的值域为0,1时，A就蜕化为普通集，(u)则变为普通集的特征函数。6.2.2 隶属度函数及其确定普通集合用特征函数来表示，模糊集合用隶属函数来表示。隶属函数这个概念很好地描述了事物的模糊性，关于隶属函数需要做以下几点说明：(1)隶属函数的值域为0,1，它将普通集合特征函数

33、只能取0，1两个值，推广到0,1闭区间上连续取值。的值越接近1，表示元素x隶属于模糊集合A的程度越大。反之，的值越接近0，表示元素x隶属于模糊集合A的程度越小。(2)隶属函数完全刻化了模糊集合，隶属函数是模糊数学的基本概念。不同的隶属函数所描述的模糊集合也不同。借助隶属函数才能对模糊集合进行描述，那么，如何正确地建立隶属函数，将是一项非常关键的工作。在实际工作中，隶属函数选择好坏的标准只能看是否符合客观实际。尽管我们所面对的对象不同，且在选择隶属函数时带有很大的主观性，但是，仍有一些基本的原则可遵循。几种常见的隶属函数形式在实际应用中，根据满足问题需要及计算简便的原则，常用的隶属函数有下列几种

34、10：(1)正态型，b0 式(6.1) (2)三角形 式(6.2) (3)升半梯形 式(6.3) 本文选用的是三角形隶属函数。6.3 模糊控制器的设计它是模糊控制系统的核心，是采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，也是模糊控制系统区别于其他控制系统的主要标志。模糊控制器存放的是由规则导出的模糊控制算法，一般由计算机程序或硬件实现。根据被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性要求的不同，模糊控制器的规则也有所不同，即模糊控制算法各异。实际上，模糊控制器的作用与其他控制器的作用相同，如在经典控制理论中，有PID控制器、有串、并联校正器。在现代控制理论中，有有限状态观测器、自适应

35、控制器、鲁棒控制器等。 模糊控制器的组成如图6.1所示，它主要包括输入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或称模糊判决)三部分。模糊控制器的实现可由模糊控制通用芯片实现或由计算机(或微处理机)的程序来实现，用计算机实现的具体过程如下10：1求系统给定值与反馈值的误差e。微机通过采样获得系统被控量的精确值，然后将其与给定值比较，得到系统的误差。2计算误差变化率。这里，对误差求微分，指的是在一个A/D采样周期内求误差的变化e。3输入量的模糊化。由前边得到的误差及误差变化率都是精确值，那么，必须将其模糊化变成模糊量E、EC。同时，把语言变量E、EC的语言值化为某适当论域上模糊子集(如“大”、“小”、“快

36、”、“慢”等)。4控制规则。它是模糊控制器的核心，是专家的知识或现场操作人员的经验的一种体现，即控制中所需要的策略。控制规则的条数可能有很多条，那么需要求出总的控制规则R，作为模糊推理的依据。5模糊推理。输入量模糊化后的语言变量E、EC(具有一定的语言值)作为模糊推理部分的输入，再由E、EC和总的控制规则R，根据推理合成规则进行模糊推理得到模糊控制量U为：U=(E*EC)*R6逆模糊化。为了对被控对象施加精确的控制，必须将模糊控制量转化为精确量u，即逆模糊化。7计算机执行完16步骤后，即完成了对被控对象的一步控制，然后等到下一次A/D采样，再进行第二步控制，这样循环下去，就完成了对被控对象的控

37、制。图6.1 模糊控制器的组成6.3.1 模糊控制器的结构设计设计模糊控制器时，首先要根据被控对象的具体情况确定模糊控制器的结构。即要确定哪些量作为模糊控制器的输入量，哪些量作为输出量。因为模糊控制器的控制规则多半是总结专家或操作人员的经验而得来的，所以在确定输入量、输出量时，要充分考虑到专家或现场有经验的操作人员他们在控制时主要观察了哪些量，即以哪些量的变化作为控制依据，又通过哪些量输出到被控对象。模糊控制系统类似传统控制系统，可分为单变量控制系统、多变量控制系统。模糊控制系统的输入就是系统的给定值，输出就是系统的输出值，通常称这样的模糊控制系统为单变量模糊控制系统。但是，模糊控制器输入量往

38、往可选择为系统输出量的误差、误差变化率及误差变化的变化率，输出量一般为1个，即系统的控制量。根据模糊控制器输入量的个数可做如下分类：1一维模糊控制器如图6.2所示，它常用于一阶被控对象。由于这种控制器的输入就是一个量即误差，因此系统的动态控制性能不佳。图6.2一维模糊控制器2二维模糊控制器如图6.3所示，它的适应性较好。由于这种控制器的输入量除了误差外，还增加了误差变化率，因此系统的动态控制性能较一维模糊控制器好，这种结构反映模糊控制器具有PD控制规律，从而有利于保证系统的稳定性，并可减少系统的超调量，削弱系统的振荡现象。目前，这种模糊控制器的结构较常用。但是，二维模糊控制器也可取系统的误差e

39、及其和e作为输入变量，这种结构反映的是PI控制规律。图6.3 二维模糊控制器3多维模糊控制器如图6.4所示，由于这种控制器的输入量除了误差外，还增加了误差变化率及误差变化的变化率，从理论上讲，控制会更精细。但是，由于模糊控制器输入的维数增多，控制规则的选取越来越困难，相应的控制算法越来越复杂。这也是三维或多维模糊控制器的应用“瓶颈”。图6.4 多维模糊控制器因此本设计采用二维模糊控制器，把两个电机复位的时间差及偏差变化作为输入量，pwm的变化量作为输出量，进行控制。算法既不复杂，又能保证系统的稳定性。6.3.2 精确量的模糊化将精确量(实际上是数字量)转化为模糊量的过程称为模糊化或称模糊量化。

40、在计算机中算出的控制量均为精确量，须经过模糊量化处理，变为模糊量，以便实现模糊控制算法。如果把-6，+6区间的离散化了的精确量分为七个档次，每个档对应一个模糊集，模糊化过程就相当简单。如果将每一精确量都对应一个模糊集，就有无穷多个模糊子集，模糊化过程就比较复杂了。6.3.3建立模糊控制器的控制规则模糊控制器的控制规则是以手动控制策略为基础的。它利用模糊集合理论将手动控制策略上升为具体的数值运算，根据推理运算的结果做出相应的控制动作，使执行机构控制被控对象的运行。要建立模糊控制器的控制规则，就是要利用语言来归纳手动控制过程中所使用的控制策略。手动控制策略一般都可以用“IFTHEN”形式的条件语句

41、来加以描述。这里将用模糊条件语句来表示二维模糊控制器：“若e is A and ec is B，则u is C”。其中A表示误差e的对应误差语言变量E的语言值，如PB、PM、PS、0、NS、NM、NB中的一个值。B、C分别表示误差e、控制量u的对应语言变量的语言值，如PM、PS、0、NS、NM中的一个值。6.3.4模糊判决输出信息的模糊判决模糊控制器的输出是一个模糊量，这个模糊量不能用于控制执行机构，还需要把这个模糊量转化为一个精确量，这种转换过程称为清晰化，或者称为非模糊化，也称为模糊判决。一般而言，非模糊化方法有三种：1最大隶属度方法该方法是选择模糊子集中隶属度最大的元素称为控制量。若对应

42、的模糊决策的模糊集为c，则决策(所确定的精确量)u应满足：U。这个判别方法简单易行，实时性也好，但它概括的信息量少，因为它完全不考虑其余一切从属程度较小的点的情况。例如：若C=，则按从属度最大的原则进行判决，应取u。，或取u，u的中点（u+u）/2（其中u=u=u）作为控制量。例如：若C=，则应取u=2取中位数法。3加权平均判决方法。6.3.5论域、量化因子及比例因子的选择6.3.5.1论域及基本论域我们把模糊控制器的输入变量误差，误差变化的实际范围称为这些变量的基本论域。显然基本论域内的量为精确量。在理论上讲，增加论域中的元素个数。即把等级细分，可以提高控制精度，但这受到计算机字长的限制，另

43、外也要增大计算量。关于基本论域的选择，由于事先对被控对象缺乏先验知识，所以误差及误差变化的基本论域只能做初步选择，待系统调整时再进一步确定。控制量的基本论域根据被控对象提供的数据选定。6.3.5.2量化因子为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集论域中，这中间须将输入变量乘以相应的量化因子。 设误差变量所取的模糊子集的论域为：-n，-n+1，0,，n-1，n，误差变化量所取的模糊子集论域为:-m,-m+1, ,0,m-1,m。量化因子一般用K表示，误差的量化因子Ke及误差变化的量化因子Kec分别由下面两个公式来确定，即:Ke=n/x 式(6.4) Kec=m/x 式(6.

44、5) 在模糊控制器实际工作过程中，一般误差和误差变化的基本论域选择范围要比模糊论域选择范围小得多，所以量化因子一般都远大于1。6.3.5.3比例因子每次采样经过模糊控制算法给出的控制量（精确量）还不能直接去控制对象，必须将其转换到为控制对象所能接受的基本论域中去。设控制量所取的模糊子集论域为：-h,-h+1, ,0,h-1,h,输出控制量的比例因子由下式确定，即: Ku=y/h 式(6.6)由于控制量的基本论域为一连续的实际域，所以，从控制量的模糊集论域到基本论域的变换，可以用下式计算，即：y=Ku*h 式(6.7)式中h为控制量模糊集论域中的任一元素或为控制量的模糊集所判决得到的确切控制量，y为控制量基本论域中的一个精确量，Ku为比例因子。6.3.5.4量化因子和比例因子的选择设计一个模糊控制器除了要有一个好的模糊控制规则外，合理的选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子也是非常重要的。实验结果表明，量化因子和比例因子也时非常重要的。实验结果表明，量化因子和比例因子的大小及其不同量化因子之间大小的相对关系，对模糊控制器的控制性能影响极大。合理的确定量化因子和比例因子要考虑所采用的计算机的字长，还要考虑计算机的输入输出接口中D/A和A/D转换的精度及变化的范围。即，选择量化因子和比例因子要