基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器設(shè)計(jì)論文

1、 . . . 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版

2、，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳荨Ｗ髡吆灻?日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和

3、電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注意事項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)

4、不少于1.2萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體與大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě)2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà)3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器

5、設(shè)計(jì)摘 要雨刮器屬汽車附件，是汽車安全行駛的重要部件，用于消除擋風(fēng)玻璃、后窗玻璃與大燈玻璃上的雨雪和灰塵等，以保證玻璃透明清晰。本文分析了三種雨滴傳感器的組成原理，基于光強(qiáng)變化的原理設(shè)計(jì)了一種新型的汽車紅外線雨滴傳感器。當(dāng)下雨時(shí)，該雨刮器系統(tǒng)可以通過(guò)紅外雨滴傳感器感知雨量大小，分辨出是大雨還是小雨,使雨刮器自動(dòng)工作在高速或低速狀態(tài)，能夠取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的雨刮器。在汽車智能雨刮系統(tǒng)中由于兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就存在兩個(gè)雨刮擺動(dòng)不同步的問(wèn)題。本文在分析了模糊控制理論與雨刮同步擺動(dòng)規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)。該系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化量模糊化為模糊控制器

6、的輸入語(yǔ)言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來(lái)選擇控制PWM的輸出語(yǔ)言變量，并以此通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，使兩個(gè)雨刮同步擺動(dòng)。本文基于單片機(jī)完成了對(duì)雨滴傳感器與模糊控制的軟、硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效的抑制超調(diào)現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。關(guān)鍵詞：雨滴傳感器；模糊控制；單片機(jī)；雨刮器The Design Of Intelligent Windscreen WiperOf Automobile Based On Single IntegratedCircuitAbstractThe windscreen wiper is an acc

7、essories 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 three kinds of

8、 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 rain fall and

9、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 electromotors are not the same c

10、ompletely,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 its change were u

11、sed 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 motorand controlwindscreen wiper to swing synchronously.The software and hardware of rain sensors and fuzzy control was

12、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 wiper67 / 76目 錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1 研究背景11.

13、2 研究的意義21.3 論文的容2第二章 智能雨刮器的原理與種類42.1 雨滴傳感器的分類42.1.1 壓電振子原理的雨滴傳感器42.1.2 靜電電容原理的雨滴傳感器42.1.3 光量變化的雨滴傳感器52.2 紅外雨滴傳感器的原理5第三章 智能雨刮器的硬件組成與其芯片介紹73.1 發(fā)射模塊73.1.1 發(fā)射管73.1.2 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器73.2 接收模塊93.2.1 紅外接收管93.2.2 帶通濾波器103.2.3 分頻器CD4024123.2.4 80C51芯片資料123.3 四總線緩沖門74ls12514第四章 智能雨刮器硬件設(shè)計(jì)164.1 智能雨刮器的結(jié)構(gòu)框圖164.2

14、雨滴傳感器的硬件設(shè)計(jì)164.3 電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì)16第五章 智能雨刮器的軟件設(shè)計(jì)195.1 雨滴傳感器的流程圖設(shè)計(jì)195.2 智能雨刮器雙電機(jī)控制的流程圖設(shè)計(jì)205.3 汽車智能雨刮器的主程序流程圖設(shè)計(jì)22第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系統(tǒng)236.1 模糊控制簡(jiǎn)介236.2 模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)246.2.1 模糊集合246.2.2 隸屬度函數(shù)與其確定246.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)256.3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)276.3.2 精確量的模糊化286.3.3建立模糊控制器的控制規(guī)則296.3.4模糊判決296.3.5論域、量化因子與比例因子的選擇306.3.5.1論域與基本論域306.3.

15、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選擇316.4 智能雨刮器電機(jī)的模糊控制326.4.1 智能雨刮器的控制原理圖326.4.2 直流電機(jī)的調(diào)速原理336.4.3 電機(jī)同步設(shè)計(jì)中選擇模糊控制的原因346.4.4 模糊控制在電機(jī)同步控制中的應(yīng)用366.5 模糊控制算法流程圖406.6 控制系統(tǒng)的仿真與分析42總結(jié)45參考文獻(xiàn)46附錄A matlab仿真圖48附錄B 硬件原理圖51附錄C 程序52致65第一章 引 言1.1 研究背景汽車工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)代汽車正從一種單純的交通工具朝著滿足人們需求、安全、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。為了滿足人們

16、對(duì)汽車日益提高的要求，汽車研發(fā)與生產(chǎn)機(jī)構(gòu)必然要將越來(lái)越多的電子產(chǎn)品引入到汽車上，智能控制系統(tǒng)也成為汽車革新的主要容。雨刮器屬汽車附件，是汽車安全行駛的重要部件，用于消除擋風(fēng)玻璃、后窗玻璃與大燈玻璃上的雨雪、灰塵和水泥等，以保證玻璃透明清晰。第一個(gè)發(fā)明電動(dòng)刮水器的是德國(guó)博世公司，博世將它作為“博世最年幼的產(chǎn)品”加入到博世的產(chǎn)品家族。自那以后，這個(gè)嬰兒逐漸成長(zhǎng)，從單純的刮片發(fā)展到二十一世紀(jì)初的風(fēng)窗玻璃之星無(wú)支架的刮水器。在汽車的駕駛史上，對(duì)風(fēng)窗玻璃的清潔問(wèn)題解決開(kāi)始得比較晚。汽車從只有平添駕駛發(fā)展到成為全天候的駕駛。技術(shù)變化最大是在二戰(zhàn)以后，伴隨著大規(guī)模機(jī)械的出現(xiàn)。風(fēng)窗玻璃洗滌器、間歇開(kāi)關(guān)、后窗刮

17、水器和可加熱噴水器保證了駕駛時(shí)的視野清晰與行車安全。伴隨著其他一些技術(shù)革新，比如雨滴傳感器、可變位刮水臂、刮水器的出現(xiàn)，就更擴(kuò)大了刮拭的圍，刮水器成為了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。目前傳感器在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心容之一。在對(duì)于汽車雨刮器的研究上，智能雨滴傳感器自然成了智能刮水器系統(tǒng)的重要組成部分。智能化傳感器是具有智能功能的高檔傳感器，它具有檢測(cè)、信息處理功能、自動(dòng)進(jìn)行各種誤差補(bǔ)償、精度高、量程覆蓋圍大、穩(wěn)定性好、輸出信號(hào)大、信噪比高、傳輸中抗干擾性能好，可遠(yuǎn)距離輸送信號(hào)，有的還帶有自檢功能。1.2

18、研究的意義據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界雨天行車有7%的事故是由于駕駛員手動(dòng)操作雨刷引起的，現(xiàn)在的汽車中已經(jīng)安裝了越來(lái)越多的傳感器以增加主動(dòng)性和被動(dòng)安全性。采用雨滴感應(yīng)式自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)可以使駕駛員免除手動(dòng)操作雨刷的麻煩，有效地提高了雨天行車的安全性。如果汽車有雨滴傳感器，駕駛者就無(wú)需調(diào)節(jié)雨刮器設(shè)置來(lái)迅速停止刮片的運(yùn)動(dòng)或者得到更好的視角。當(dāng)在濕路上駕駛時(shí)，駕駛者就無(wú)需動(dòng)手來(lái)打開(kāi)雨刮器，所以駕駛者就可以集中精力開(kāi)車。1.3 論文的容論文結(jié)合智能雨刮系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了以下幾個(gè)問(wèn)題的研究：1論文總結(jié)了汽車雨刮器的發(fā)展歷程以與汽車傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，提出了研制汽車雨滴傳感器的重要意義。2目前，雨滴傳感器主要由三種原

19、理構(gòu)成：利用壓電振子的傳感器、利用靜電電容的傳感器和利用光量變化的傳感器。我們根據(jù)把雨滴傳感器放在汽車部的需要，利用光量變化的原理，研制出了一種新型紅外線汽車雨滴傳感器。該雨滴傳感器能夠智能的分辨出大雨還是小雨，從而使雨刮做高速或低速擺動(dòng)。3本文系統(tǒng)分析了模糊控制理論與模糊控制技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。汽車工業(yè)在其發(fā)展過(guò)程中所日益顯示的對(duì)于高新技術(shù)的可容性和電子化趨勢(shì)，使得模糊技術(shù)頗受各國(guó)汽車公司和廠商的重視，并由此掀起了一股模糊技術(shù)用于汽車的熱潮。因此，要研制智能化的汽車離不開(kāi)模糊控制技術(shù)。4把模糊控制技術(shù)用于汽車智能雨刮系統(tǒng)中的兩個(gè)雨刮片的同步問(wèn)題。由于生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完

20、全一樣，就會(huì)存在兩個(gè)雨刮片擺動(dòng)不同步的問(wèn)題。用模糊控制器來(lái)取代傳統(tǒng)的PID控制器，可以更好的控制雨刮片的同步。整個(gè)系統(tǒng)80c51單片機(jī)來(lái)控制，給出了硬件和軟件設(shè)計(jì)。5用MATLAB軟件對(duì)模糊控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)比兩個(gè)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的合理性與方案的可行性。第二章 智能雨刮器的原理與種類現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的雨滴檢測(cè)雨刮器，將雨滴傳感器檢出的雨量變成電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)的大小，控制刮雨器動(dòng)作。在這個(gè)系統(tǒng)中雨滴傳感器的作用最重要。2.1 雨滴傳感器的分類2.1.1 壓電振子原理的雨滴傳感器壓電振子利用壓電效應(yīng)將機(jī)械位移(振動(dòng))變成電信號(hào)。壓電振子受到雨淋，按照雨滴的強(qiáng)弱和雨量作振

21、動(dòng)；將雨滴的沖擊能量變換成電壓波形，再輸入到雨刮控制器。該電壓波形的積分值(斜線部分的面積)與某一定值的速度對(duì)應(yīng)，這樣就可控制刮雨器運(yùn)動(dòng)的速度。如圖2.1所示：圖2.1壓電振子傳感器2.1.2 靜電電容原理的雨滴傳感器靜電電容表示因電極之間的物質(zhì)不同(在雨滴傳感器中為“空氣”和“水”)能儲(chǔ)存電荷量的能力。電極面積(S)，電極的間隔(d)不變，則靜電容C只由介電系數(shù)()決定。因水和空氣的值不同，C隨雨滴的大小而變。利用靜電容的變化，改變振蕩電路的振蕩頻率，從而控制雨刮器的動(dòng)作。如圖2.2所示：圖2.2 靜電電容傳感器2.1.3 光量變化的雨滴傳感器把半導(dǎo)體發(fā)光元件和感光元件配成一對(duì)，從發(fā)光元件發(fā)

22、出的光信號(hào)，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光強(qiáng)減弱?？衫霉鈴?qiáng)的衰減信號(hào)控制雨刮器的動(dòng)作。前兩種雨滴傳感器需要放在汽車的外部，而本文所研制的雨滴傳感器需要放在汽車的部，即駕駛室一側(cè)的風(fēng)擋玻璃上。所以采用第三種方法，利用光強(qiáng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的雨滴傳感器。2.2 紅外雨滴傳感器的原理本設(shè)計(jì)中的雨滴傳感器選用紅外雨滴傳感器，屬于光量變化原理雨滴傳感器的一種。由光（本設(shè)計(jì)中選用紅外線）發(fā)射元件發(fā)射出的紅外光以全反射角度在擋風(fēng)玻璃的外表面反射，其角度必須在42（玻璃-水）和63（玻璃-空氣）之間。如果在擋風(fēng)玻璃上有雨，雨量越大，反射回來(lái)的光越多。從發(fā)射元件發(fā)出的光反射到接收裝置的擋風(fēng)玻璃區(qū)域被稱之

23、為傳感器的“敏感區(qū)域”，僅當(dāng)雨水滴到這個(gè)區(qū)域時(shí)，才可以被探測(cè)出來(lái)。為使系統(tǒng)靈敏可靠，擋風(fēng)玻璃區(qū)域和靈敏區(qū)域之間必須要有一個(gè)較好的比例1。雨滴傳感器的原理圖如圖2.3所示： 圖2.3雨滴傳感器原理圖第三章 智能雨刮器的硬件組成與其芯片介紹該雨刮器的雨滴傳感器部分主要由發(fā)射模塊和接收模塊兩大模塊組成。而電機(jī)部分的主要芯片是四總線緩沖門74LS125。3.1 發(fā)射模塊發(fā)射模塊的主要功能是為接收模塊提供足夠的光輻射通量，本設(shè)計(jì)中光源定為紅外線，所以發(fā)射模塊由八個(gè)紅外發(fā)射器、一個(gè)555定時(shí)器和電阻電容元件組成。八個(gè)紅外發(fā)射管采用4個(gè)為一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時(shí)器驅(qū)動(dòng)。3.1.1 發(fā)射管發(fā)射管采用

24、西門子公司出產(chǎn)的SFH421作為光源，實(shí)物圖如圖2-10所示。峰值波長(zhǎng)為880 nm，帶寬80 nm。它具有高線性度、高可靠性、高脈沖處理能力等特點(diǎn)。采用4個(gè)一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時(shí)器驅(qū)動(dòng)，發(fā)出頻率為38 kHz的紅外光。工作在38 kHz的頻率下，采用這種方式可以減少發(fā)射電路的功耗。3.1.2 由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器發(fā)射器的核心是振蕩器,多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在接通電源后無(wú)需外接觸發(fā)信號(hào)就能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖或方波?？捎杉呻娐贩聪嗥?、與非門、無(wú)穩(wěn)態(tài)電路, 555定時(shí)器等組成. 其中555定時(shí)器組成的振蕩發(fā)射系統(tǒng)容易起振,本身的輸出功率較大,常用其組

25、成發(fā)射系統(tǒng),其芯片圖如圖3.1所示，原理圖如圖3.2所示：C、C的比較電壓分別為V和V。接通電源后，電容C被充電，v上升，當(dāng)v上升到v時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)放電BJT T導(dǎo)通，此時(shí)v為低電平，電容C通過(guò)R和T放電，使v下降。當(dāng)v降到v時(shí)，觸發(fā)器又被置位，v翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為： 式(3.1)當(dāng)C放電結(jié)束時(shí)，T截止，v將通過(guò)R、R向電容器C充電，v由v上升到v所需的時(shí)間為： 式(3.2) 當(dāng)v上升到v時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為2： 式(3.3) 圖3.1 多振蕩器電路圖本文設(shè)計(jì)的發(fā)射模塊就是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，通過(guò)式

26、(3.1)、(3.2)、(3.3)計(jì)算出R、R和C的值，使555電路發(fā)出頻率為38 kHz的脈沖波，從而驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管工作在38 kHz的頻率下。由于555部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電壓和溫度變化的影響很小。所以電源電壓的變化,對(duì)發(fā)射頻率的影響可忽略.但對(duì)紅外光發(fā)射強(qiáng)度的影響不容忽略,須采取提高穩(wěn)定發(fā)射強(qiáng)度的措施,方法是采取恒流源技術(shù)或窄脈沖發(fā)射的措施,能使紅外輻射強(qiáng)度保持不變3。本設(shè)計(jì)中采用的是恒流源技術(shù)。圖3.2 555定時(shí)器原理圖3.2 接收模塊接收模塊是由一個(gè)紅外接收管、帶通濾波器、分頻器與51單片機(jī)組成。3.2.1 紅外接收管紅外接收管SFH320是西

27、門子公司生產(chǎn)的，外形圖如圖3.2所示。它將接收到的紅外光脈沖信號(hào)變成電脈沖信號(hào)后送入帶通濾波器。SFH320是NPN型硅光電三極管。峰值波長(zhǎng)為880 nm，具有高線性度、高可靠性等特點(diǎn)。圖3.2 SFH320外形圖3.2.2 帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許某一段頻帶的信號(hào)通過(guò)，而將此頻帶以外的信號(hào)阻斷。這種濾波器經(jīng)常用于抗干擾的設(shè)備中，以便接收某一頻帶圍的有效信號(hào)，而消除高頻段與低頻段的干擾和噪聲。將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)起來(lái)，即可獲得帶通濾波電路。其原理示意圖如圖3.3所示。在圖2.3中，低通濾波器的通帶截止頻率為f，即該低通濾波器只允許ff的信號(hào)通過(guò)。現(xiàn)將二者串聯(lián)起來(lái)，且ff，則其

28、通頻帶即是上述二者頻帶的覆蓋部分，即等于f-f，成為一個(gè)帶通濾波器根據(jù)以上原理組成的帶通濾波器的典型電路見(jiàn)圖2.4。輸入端的電阻R和電容C組成低通電路，另一個(gè)電容C和電阻R組成高通電路，二者串聯(lián)起來(lái)接在集成運(yùn)放的同相輸入端4。圖3.3 帶通濾波器原理示意圖圖3.4 帶通濾波器的典型電路為了估算方便起見(jiàn)，設(shè)R=2R，R=R，此時(shí)可求得帶通濾波器的電壓放大倍數(shù)為： 式(3.4) 式(3.5) 式(3.6) 式(3.7) 式(3.8)本設(shè)計(jì)中選取中心頻率為38kHz，帶寬為100Hz，所以Q為380，選取C，再求R 。C的容量不易超過(guò)。因大容量的電容器體積大，價(jià)格高，應(yīng)盡量避免使用。根據(jù)式取C=0.

29、1，,根據(jù)式(3.5)可得：計(jì)算出R=41.9.再根據(jù)值求和：因?yàn)閒=時(shí)則=380，所以。根據(jù)與A、的關(guān)系，集成運(yùn)放兩輸入端外接電阻的對(duì)稱條件，可得： 1+解得：R=188.7,R=376.83.2.3 分頻器CD4024分頻器CD4024是由7級(jí)主從觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器。引腳圖如圖3.5所示。輸出端連接Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7就可以對(duì)輸入端1腳的信號(hào)進(jìn)行2、4、8、16、32、64、128分頻。用CD4024分頻器把由帶通濾波器輸出的脈沖信號(hào)分頻，滿足輸出脈沖信號(hào)是毫秒數(shù)量級(jí)5。因?yàn)橹行念l率為38KHz，所以本設(shè)計(jì)中選用128分頻，使f變?yōu)?00Hz，則周期為3

30、ms。把雨滴傳感器單片機(jī)的定時(shí)時(shí)間選為60ms，則最多可以測(cè)出20個(gè)脈沖，用60ms中脈沖的數(shù)量來(lái)確定雨量的多少：小于3個(gè)脈沖視為無(wú)雨，沒(méi)有啟動(dòng)雨刮器的必要；312個(gè)脈沖為小雨，雨刮器此時(shí)工作在慢速檔；1220個(gè)脈沖為大雨，雨刮器工作在高速檔；大于20個(gè)脈沖無(wú)法檢測(cè)到，也視為無(wú)雨對(duì)待。圖3.5 CD2042的引腳圖3.2.4 80C51芯片資料80C51由一個(gè)8位通用中央處理器、程序存儲(chǔ)器、隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、常用外圍電路等部分組成。其中P0口、P2口既可作為一般的I/O引腳使用；在擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口將作為低8位地址總線（A7A0）/數(shù)據(jù)總線（D7D0）使用，P2口作為高8位地址總線（A

31、15A8）使用。80C51引腳圖如圖3.6所示6：ALE：低八位地址鎖存信號(hào)，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用ALE信號(hào)下降沿鎖存從P0口輸出的低八位地址信息A7A0.P1.0P1.7：部帶有弱上拉的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P1口鎖存器寫(xiě)入1，使P1口引腳被上拉為高電平。P1.0、P1.1：除了作為一般I/O引腳使用外，還具有第二輸入/輸出功能。T2（P1.0）：定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)輸入端或定時(shí)器T2的時(shí)鐘輸出端。T2EX(P1.1)：定時(shí)器T2外部觸發(fā)輸入端。圖3.6 80C51引腳圖P2.0P2.7：部帶有弱上拉的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P2口鎖存器寫(xiě)入1，使P2口引腳被上拉

32、為高電平。在讀寫(xiě)外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高八位地址A15A8。P3.0P3.7：部帶有弱上拉的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P3口鎖存器寫(xiě)入1，使P3口引腳被上拉為高電平。P3口除了可作為一般I/O引腳使用外，還具有第二輸入/輸出功能：RXD(P3.0)：串行數(shù)據(jù)接收（輸入）端。TXD(P3.1)：串行數(shù)據(jù)發(fā)送（輸入）端(P3.2)：外中斷0輸入端。(P3.3)：外部中斷1輸入端。T0(P3.4)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的外部輸入端。T1(P3.5)：定時(shí)/計(jì)時(shí)器T1是的外部輸入端。（P3.6）：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效。(P3.7)：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。RS

33、T：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。當(dāng)沒(méi)有外部存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳懸空。ALE：第八位地址鎖存信號(hào)。訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用ALE信號(hào)下降沿鎖存從P0口輸出的第八位地址信息A7A0，以便隨后將P0作為數(shù)據(jù)總線使用。ALE只能在執(zhí)行MOVX指令時(shí)被激活。/VPP：外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，低電平有效。在復(fù)位期間CPU檢測(cè)并鎖存其引腳電平狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該引腳為高電平時(shí)，從片程序存儲(chǔ)器取指令，只有當(dāng)程序計(jì)數(shù)器PC超出片程序存儲(chǔ)器地址編碼圍時(shí)，才能到外部ROM中取指令；當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，一律從外部程序存儲(chǔ)器中取指令。XTAL1：片晶振電路反相放大器輸入端，接CPU部時(shí)鐘電路。XTAL2：

34、片晶振電路反相放大器輸出端。3.3 四總線緩沖門74ls125本設(shè)計(jì)中用三態(tài)門74ls125做三態(tài)輸出四總線同相緩沖器，它和反相驅(qū)動(dòng)器74ls06控制4個(gè)光電隔離器和4個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF640。74ls125的引腳圖如圖3.7所示：圖3.7 74ls125引腳圖三態(tài)輸出門（簡(jiǎn)稱三態(tài)門）的電路結(jié)構(gòu)是在普通門電路的基礎(chǔ)上附加控制電路構(gòu)成的。三態(tài)門的功能表如表3.1所示：表3.1 三態(tài)門的功能表輸入輸出AY00001110高阻態(tài)11高阻態(tài)從表3.1中可以看出，在三態(tài)使能端的控制下，輸出端Y有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)，高阻態(tài)、關(guān)態(tài)（高電平）、開(kāi)態(tài)（低電平）。當(dāng)=“1”時(shí)，電路輸出Y呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，當(dāng)=“0

35、”時(shí)，實(shí)現(xiàn)Y=A的邏輯功能，即為低電平有效。第四章 智能雨刮器硬件設(shè)計(jì)4.1 智能雨刮器的結(jié)構(gòu)框圖智能雨刮器系統(tǒng)由單片機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、雨滴傳感器與雨刷等組成。智能雨刮器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。圖4.1智能雨刮器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2 雨滴傳感器的硬件設(shè)計(jì)雨滴傳感器部分，由555定時(shí)器構(gòu)成的多振蕩器對(duì)紅外發(fā)射管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，再由接收管接收，這樣就構(gòu)成一個(gè)光電傳感器。把光電傳感器的信號(hào)經(jīng)帶通濾波器把信號(hào)頻率限制在38KHz左右，再經(jīng)分頻器進(jìn)行128分頻，使脈沖信號(hào)變?yōu)楹撩霐?shù)量級(jí)。如此構(gòu)成的硬件圖如圖4.2所示：4.3 電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì)80c51單片機(jī)的P0口的P0.0、P0.1與P0.3、P0.

36、4分別經(jīng)四總線緩沖門74LS125和反向驅(qū)動(dòng)器74LS04控制4個(gè)光電隔離器和4個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管IRF640。下面舉例說(shuō)明此電路對(duì)電機(jī)A的控制過(guò)程:當(dāng)單片機(jī)經(jīng)P0接口輸出12H控制模型時(shí)，由于鎖存器74LS125中的三態(tài)門1是打開(kāi)的，所以光電隔離器LEI導(dǎo)通并發(fā)光，光敏三極管輸出為高電平，因而使大功率場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管IRF640（v1）導(dǎo)通。同理，74LS125中的三態(tài)門4輸出為高電平，因此光電隔離器LEI發(fā)光并導(dǎo)通，因而使v4導(dǎo)通。同理可分析，此時(shí)v2和v3是關(guān)斷的。因此電流從左至右流過(guò)直流電機(jī)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)P0接口輸出09H時(shí)，則鎖存器74LS125中的2，3號(hào)三態(tài)門打開(kāi)，使得v2和v3

37、接通，v1和v4關(guān)斷，電流由右向左流過(guò)電機(jī)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。SA0為電機(jī)左到位開(kāi)關(guān)，當(dāng)SA1置一，則輸出正向代碼；SA1為電機(jī)右到位開(kāi)關(guān)，當(dāng)SA1置一，則輸出反向代碼7。電機(jī)復(fù)位端為兩電機(jī)各自的左到位開(kāi)關(guān)。電機(jī)部分硬件圖如圖4.3所示：圖4.2雨滴傳感器部分硬件圖圖4.3雨刮器電機(jī)控制部分硬件圖第五章 智能雨刮器的軟件設(shè)計(jì)5.1 雨滴傳感器的流程圖設(shè)計(jì)因?yàn)槊}沖的中心頻率為38KHZ，進(jìn)行128分頻后約為300HZ，周期即為3ms，所以選定定時(shí)時(shí)間為60ms，在此時(shí)間段最多可接收20個(gè)脈沖，由此在按脈沖的多少進(jìn)行大小雨的分配，由此形成的雨滴傳感器的流程圖如圖5.1所示，60ms定時(shí)器的流程圖如圖5.

38、2所示：圖5.1雨滴傳感器部分流程圖圖5.2 60ms定時(shí)器流程圖5.2 智能雨刮器雙電機(jī)控制的流程圖設(shè)計(jì)對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)，當(dāng)勵(lì)磁恒定時(shí)，它是隨著電樞電壓的增減而增減的(當(dāng)然也可以利用改變勵(lì)磁的大小來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速)。所以，一旦調(diào)節(jié)或改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，即可達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)改變單片機(jī)輸出PWM脈寬信號(hào)的占空比，來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，從而改變雨刮電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速8。汽車雨刮器電機(jī)的軟件流程圖如圖5.3所示： 圖5.3雨刮器電機(jī)部分流程圖5.3 汽車智能雨刮器的主程序流程圖設(shè)計(jì)在汽車智能雨刮系統(tǒng)中，有許多非線性因素都會(huì)對(duì)雨刮同步造成影響。這樣，我們就需要用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)

39、調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，使兩個(gè)雨刮同步擺動(dòng)。因此，把模糊控制技術(shù)運(yùn)用到雨刮同步控制中，可以使系統(tǒng)有良好的控制效果。汽車智能雨刮器的主程序流程圖如圖5.4所示： 圖5.4 智能雨刮器主程序流程圖第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系統(tǒng)6.1 模糊控制簡(jiǎn)介幾十年來(lái)，控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制又包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制和仿人智能控制等。模糊控制理論是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出。他以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語(yǔ)言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級(jí)控制策略。自從1974年英國(guó)的E.H.

40、Mamdan首先把模糊語(yǔ)言組成的模糊控制器用于控制蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，在以后的二十多年中，模糊控制在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也越來(lái)越受到人們的重視。模糊控制較大規(guī)模的研究是從1980年開(kāi)始的。1985年，模糊推理集成塊開(kāi)始開(kāi)發(fā)。1986年，在日本，基于模糊控制技術(shù)所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品與系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。之后，模糊控制在許多國(guó)家如美國(guó)、西歐、中國(guó)、東南亞引起了廣泛的重視，并受到國(guó)際控制理論學(xué)術(shù)界的關(guān)注。1984年，國(guó)際模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)成立。1985年，召開(kāi)了第一屆國(guó)際模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)的學(xué)術(shù)交流會(huì)，各國(guó)相繼成立了模糊控制系統(tǒng)工程研究所，90年代起，世界上一些大公司開(kāi)始了模糊產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，模

41、糊理論與應(yīng)用研究與模糊產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)像一股強(qiáng)勁的風(fēng)浪席卷世界各地9。到目前為止，模糊控制還沒(méi)有統(tǒng)一的定義。但從廣義上可將它定義為：“模糊控制指的是以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言變量與模糊推理為基礎(chǔ)的一類計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法”或者定義為“基于模糊集合理論、模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制方法”。其基本思想是在被控對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上，用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)控制的一種方法。6.2 模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)6.2.1 模糊集合模糊集合是一種特別定義的集合、它與普通集合既有聯(lián)系又有區(qū)別。對(duì)于普通集合來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)元素要么屬于該集合，要么不屬于，非此即彼，界限分

42、明，決不模棱兩可。它可用來(lái)描述模糊現(xiàn)象，而模糊集合的邊界是模糊的，允許論域中的某些元素部分屬于該集合，只要規(guī)定該元素屬于這個(gè)集合的程度即可。對(duì)于普通集合中特征函數(shù)的值域從0,1集合擴(kuò)展為0,1閉區(qū)間，且定義特征函數(shù)為該閉區(qū)間的連續(xù)函數(shù)，則以這特征函數(shù)對(duì)論域進(jìn)行劃分，即可得到模糊集合。模糊集合定義為：給定論域U中的一個(gè)模糊集A，是指對(duì)任意u U，都為其指定一個(gè)數(shù)(u)u0,1與之對(duì)應(yīng)，這個(gè)數(shù)叫做u對(duì)A的隸屬度。這意味著作出一個(gè)映射：:u0,1，u這個(gè)映射稱為A的隸屬函數(shù)。模糊集A就是以這個(gè)隸屬函數(shù)為特征的集合。由此可見(jiàn)，模糊集是普通集的一般化，普通集是模糊集的特殊情況。正如普通集合完全由其特征函

43、數(shù)所刻畫(huà)一樣，模糊集A完全由隸屬函數(shù)所刻畫(huà)。當(dāng)模糊集隸屬函數(shù)的值域?yàn)?,1時(shí)，A就蛻化為普通集，(u)則變?yōu)槠胀奶卣骱瘮?shù)。6.2.2 隸屬度函數(shù)與其確定普通集合用特征函數(shù)來(lái)表示，模糊集合用隸屬函數(shù)來(lái)表示。隸屬函數(shù)這個(gè)概念很好地描述了事物的模糊性，關(guān)于隸屬函數(shù)需要做以下幾點(diǎn)說(shuō)明：(1)隸屬函數(shù)的值域?yàn)?,1，它將普通集合特征函數(shù)只能取0，1兩個(gè)值，推廣到0,1閉區(qū)間上連續(xù)取值。的值越接近1，表示元素x隸屬于模糊集合A的程度越大。反之，的值越接近0，表示元素x隸屬于模糊集合A的程度越小。(2)隸屬函數(shù)完全刻化了模糊集合，隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)的基本概念。不同的隸屬函數(shù)所描述的模糊集合也不同。借助隸

44、屬函數(shù)才能對(duì)模糊集合進(jìn)行描述，那么，如何正確地建立隸屬函數(shù)，將是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作。在實(shí)際工作中，隸屬函數(shù)選擇好壞的標(biāo)準(zhǔn)只能看是否符合客觀實(shí)際。盡管我們所面對(duì)的對(duì)象不同，且在選擇隸屬函數(shù)時(shí)帶有很大的主觀性，但是，仍有一些基本的原則可遵循。幾種常見(jiàn)的隸屬函數(shù)形式在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)滿足問(wèn)題需要與計(jì)算簡(jiǎn)便的原則，常用的隸屬函數(shù)有下列幾種10：(1)正態(tài)型，b0 式(6.1) (2)三角形 式(6.2) (3)升半梯形 式(6.3) 本文選用的是三角形隸屬函數(shù)。6.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)它是模糊控制系統(tǒng)的核心，是采用基于模糊控制知識(shí)表示和規(guī)則推理的語(yǔ)言型“模糊控制器”，也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)

45、的主要標(biāo)志。模糊控制器存放的是由規(guī)則導(dǎo)出的模糊控制算法，一般由計(jì)算機(jī)程序或硬件實(shí)現(xiàn)。根據(jù)被控對(duì)象的不同，以與對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性要求的不同，模糊控制器的規(guī)則也有所不同，即模糊控制算法各異。實(shí)際上，模糊控制器的作用與其他控制器的作用一樣，如在經(jīng)典控制理論中，有PID控制器、有串、并聯(lián)校正器。在現(xiàn)代控制理論中，有有限狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制器、魯棒控制器等。 模糊控制器的組成如圖6.1所示，它主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱模糊判決)三部分。模糊控制器的實(shí)現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實(shí)現(xiàn)或由計(jì)算機(jī)(或微處理機(jī))的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程如下10：1求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差e。微

46、機(jī)通過(guò)采樣獲得系統(tǒng)被控量的精確值，然后將其與給定值比較，得到系統(tǒng)的誤差。2計(jì)算誤差變化率。這里，對(duì)誤差求微分，指的是在一個(gè)A/D采樣周期求誤差的變化e。3輸入量的模糊化。由前邊得到的誤差與誤差變化率都是精確值，那么，必須將其模糊化變成模糊量E、EC。同時(shí)，把語(yǔ)言變量E、EC的語(yǔ)言值化為某適當(dāng)論域上模糊子集(如“大”、“小”、“快”、“慢”等)。4控制規(guī)則。它是模糊控制器的核心，是專家的知識(shí)或現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)的一種體現(xiàn)，即控制中所需要的策略?？刂埔?guī)則的條數(shù)可能有很多條，那么需要求出總的控制規(guī)則R，作為模糊推理的依據(jù)。5模糊推理。輸入量模糊化后的語(yǔ)言變量E、EC(具有一定的語(yǔ)言值)作為模糊推理部

47、分的輸入，再由E、EC和總的控制規(guī)則R，根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到模糊控制量U為：U=(E*EC)*R6逆模糊化。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，必須將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量u，即逆模糊化。7計(jì)算機(jī)執(zhí)行完16步驟后，即完成了對(duì)被控對(duì)象的一步控制，然后等到下一次A/D采樣，再進(jìn)行第二步控制，這樣循環(huán)下去，就完成了對(duì)被控對(duì)象的控制。圖6.1 模糊控制器的組成6.3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，首先要根據(jù)被控對(duì)象的具體情況確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。即要確定哪些量作為模糊控制器的輸入量，哪些量作為輸出量。因?yàn)槟：刂破鞯目刂埔?guī)則多半是總結(jié)專家或操作人員的經(jīng)驗(yàn)而得來(lái)的，所以在確定輸入量、輸

48、出量時(shí)，要充分考慮到專家或現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員他們?cè)诳刂茣r(shí)主要觀察了哪些量，即以哪些量的變化作為控制依據(jù)，又通過(guò)哪些量輸出到被控對(duì)象。模糊控制系統(tǒng)類似傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，可分為單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的輸入就是系統(tǒng)的給定值，輸出就是系統(tǒng)的輸出值，通常稱這樣的模糊控制系統(tǒng)為單變量模糊控制系統(tǒng)。但是，模糊控制器輸入量往往可選擇為系統(tǒng)輸出量的誤差、誤差變化率與誤差變化的變化率，輸出量一般為1個(gè)，即系統(tǒng)的控制量。根據(jù)模糊控制器輸入量的個(gè)數(shù)可做如下分類：1一維模糊控制器如圖6.2所示，它常用于一階被控對(duì)象。由于這種控制器的輸入就是一個(gè)量即誤差，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。圖6.2一維模糊控

49、制器2二維模糊控制器如圖6.3所示，它的適應(yīng)性較好。由于這種控制器的輸入量除了誤差外，還增加了誤差變化率，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制性能較一維模糊控制器好，這種結(jié)構(gòu)反映模糊控制器具有PD控制規(guī)律，從而有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可減少系統(tǒng)的超調(diào)量，削弱系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象。目前，這種模糊控制器的結(jié)構(gòu)較常用。但是，二維模糊控制器也可取系統(tǒng)的誤差e與其和e作為輸入變量，這種結(jié)構(gòu)反映的是PI控制規(guī)律。圖6.3 二維模糊控制器3多維模糊控制器如圖6.4所示，由于這種控制器的輸入量除了誤差外，還增加了誤差變化率與誤差變化的變化率，從理論上講，控制會(huì)更精細(xì)。但是，由于模糊控制器輸入的維數(shù)增多，控制規(guī)則的選取越來(lái)越困難，相

50、應(yīng)的控制算法越來(lái)越復(fù)雜。這也是三維或多維模糊控制器的應(yīng)用“瓶頸”。圖6.4 多維模糊控制器因此本設(shè)計(jì)采用二維模糊控制器，把兩個(gè)電機(jī)復(fù)位的時(shí)間差與偏差變化作為輸入量，pwm的變化量作為輸出量，進(jìn)行控制。算法既不復(fù)雜，又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。6.3.2 精確量的模糊化將精確量(實(shí)際上是數(shù)字量)轉(zhuǎn)化為模糊量的過(guò)程稱為模糊化或稱模糊量化。在計(jì)算機(jī)中算出的控制量均為精確量，須經(jīng)過(guò)模糊量化處理，變?yōu)槟：浚员銓?shí)現(xiàn)模糊控制算法。如果把-6，+6區(qū)間的離散化了的精確量分為七個(gè)檔次，每個(gè)檔對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集，模糊化過(guò)程就相當(dāng)簡(jiǎn)單。如果將每一精確量都對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集，就有無(wú)窮多個(gè)模糊子集，模糊化過(guò)程就比較復(fù)雜了。6.3

51、.3建立模糊控制器的控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是以手動(dòng)控制策略為基礎(chǔ)的。它利用模糊集合理論將手動(dòng)控制策略上升為具體的數(shù)值運(yùn)算，根據(jù)推理運(yùn)算的結(jié)果做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制被控對(duì)象的運(yùn)行。要建立模糊控制器的控制規(guī)則，就是要利用語(yǔ)言來(lái)歸納手動(dòng)控制過(guò)程中所使用的控制策略。手動(dòng)控制策略一般都可以用“IFTHEN”形式的條件語(yǔ)句來(lái)加以描述。這里將用模糊條件語(yǔ)句來(lái)表示二維模糊控制器：“若e is A and ec is B，則u is C”。其中A表示誤差e的對(duì)應(yīng)誤差語(yǔ)言變量E的語(yǔ)言值，如PB、PM、PS、0、NS、NM、NB中的一個(gè)值。B、C分別表示誤差e、控制量u的對(duì)應(yīng)語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值，如P

52、M、PS、0、NS、NM中的一個(gè)值。6.3.4模糊判決輸出信息的模糊判決模糊控制器的輸出是一個(gè)模糊量，這個(gè)模糊量不能用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還需要把這個(gè)模糊量轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確量，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為清晰化，或者稱為非模糊化，也稱為模糊判決。一般而言，非模糊化方法有三種：1最大隸屬度方法該方法是選擇模糊子集中隸屬度最大的元素稱為控制量。若對(duì)應(yīng)的模糊決策的模糊集為c，則決策(所確定的精確量)u應(yīng)滿足：U。這個(gè)判別方法簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)性也好，但它概括的信息量少，因?yàn)樗耆豢紤]其余一切從屬程度較小的點(diǎn)的情況。例如：若C=，則按從屬度最大的原則進(jìn)行判決，應(yīng)取u。，或取u，u的中點(diǎn)（u+u）/2（其中u=u=u）作為

53、控制量。例如：若C=，則應(yīng)取u=2取中位數(shù)法。3加權(quán)平均判決方法。6.3.5論域、量化因子與比例因子的選擇6.3.5.1論域與基本論域我們把模糊控制器的輸入變量誤差，誤差變化的實(shí)際圍稱為這些變量的基本論域。顯然基本論域的量為精確量。在理論上講，增加論域中的元素個(gè)數(shù)。即把等級(jí)細(xì)分，可以提高控制精度，但這受到計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的限制，另外也要增大計(jì)算量。關(guān)于基本論域的選擇，由于事先對(duì)被控對(duì)象缺乏先驗(yàn)知識(shí)，所以誤差與誤差變化的基本論域只能做初步選擇，待系統(tǒng)調(diào)整時(shí)再進(jìn)一步確定?？刂屏康幕菊撚蚋鶕?jù)被控對(duì)象提供的數(shù)據(jù)選定。6.3.5.2量化因子為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集論域中

54、，這中間須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子。 設(shè)誤差變量所取的模糊子集的論域?yàn)椋?n，-n+1，0,，n-1，n，誤差變化量所取的模糊子集論域?yàn)?-m,-m+1, ,0,m-1,m。量化因子一般用K表示，誤差的量化因子Ke與誤差變化的量化因子Kec分別由下面兩個(gè)公式來(lái)確定，即:Ke=n/x 式(6.4) Kec=m/x 式(6.5) 在模糊控制器實(shí)際工作過(guò)程中，一般誤差和誤差變化的基本論域選擇圍要比模糊論域選擇圍小得多，所以量化因子一般都遠(yuǎn)大于1。6.3.5.3比例因子每次采樣經(jīng)過(guò)模糊控制算法給出的控制量（精確量）還不能直接去控制對(duì)象，必須將其轉(zhuǎn)換到為控制對(duì)象所能接受的基本論域中去。設(shè)控制量所取的模糊子集論域?yàn)椋?h,-h+1, ,0,h-1,h,輸出控制量的比例因子由下式確定，即: Ku=y/h 式(6.6)由于控制量的基本論域?yàn)橐贿B續(xù)的實(shí)際域，所以，從控制量的模糊集論域到基本論域的變換，可以用下式計(jì)算，即：y=Ku*h 式(6.7)式中h為控制量模糊集論域中的任一元素或?yàn)榭刂屏康哪：袥Q得到的確切控制量，y為控制量基本論域中的一個(gè)精確量，Ku為比例因子。6.3.5.4量化因子和比例因子的選擇設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器除了要有一個(gè)好的模糊控制規(guī)則外，合理的選擇模糊控制器輸入變量的量化因子和輸出控制量的比例因子也是非常重要