題-目：基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的汽車智能雨刮器設(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、后窗玻璃及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及雨刮同步擺動(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)雨滴傳感器及模糊控制的軟、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TheDesignOfIntelligentWindscreenWiperOfAutomobileBasedOnSingleIntegratedCircuitAbstractThewindscreenwiperisanaccessoriesoftheAutomobile,itisanimportantpartofAutomobileforthesteersecurity.Itisusedtoclearuptherainandsnow,dustandcementonthewindscreens,rearwindowsandheadlightwindows,tomakesurethewindowstransparentandclear.Inthisthesis,compositivetheoryofthreekindsofrainsensorsareanalysed,andanew-typeofinfraredrainsensorofautomobileisdesignedbasedonthetheoryofvarietyoflightintersity.Whenitrains,thewindscreenwipersystemsensestheamountofrainfallbytheinfraredrainsensoranddistinguishthenumberofprecipitationrainfallandthusmakesthewindscreenwiperautomaticallyworkeitheratahighspeedoratalowspeed.Itcanreplacetraditionalwindscreenwipersystemofmechanicalstructure.Inintelligentwindscreenwipersystemofautomobile,Astheproblemoftechnics,rotatespeedoftwoelectromotorsarenotthesamecompletely,sotherearetheproblemsthattwowiperbladesswingansynchronous.Inthethesis,aintelligentwindscreenwipersystemofautomobilebasedonfuzzycontrolispresented,byanalyzingfuzzycontroltheoryandsynchronousswingrulesofwindscreenwiper.Thespeederroranditschangewereusedasfuzzystablevariable.Accordingtoasetoffuzzyrules,theoutputvariablewasselectedtocontrolthePWMswitch.Inthisway,thePWMtechniquewasusedtodrivetheDCmotorandcontrolwindscreenwipertoswingsynchronously.ThesoftwareandhardwareofrainsensorsandfuzzycontrolwascompletedbasedonSCMinthisthesis,andprocessthesimulationofMATLAB.Thesimulationresultsshowedthatthesystemcoulddepresstheovershootandimprovetheresponseandsteadystateperformance.keywords：rainsensor；fuzzycontrol；SCM；windscreenwiper內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）目錄摘要 IAbstract II第一章引言 11.1研究背景 11.2研究的意義 21.3論文的內(nèi)容 2第二章智能雨刮器的原理及種類 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及其芯片介紹 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CD4024 123.2.480C51芯片資料 123.3四總線緩沖門74ls125 14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)及其確定 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、量化因子及比例因子的選擇 30論域及基本論域 30量化因子 30比例因子 3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Amatlab仿真圖 48附錄B硬件原理圖 51附錄C程序 52致謝 65引言研究背景汽車工業(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。為了滿足人們對(duì)汽車日益提高的要求，汽車研發(fā)及生產(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內(nèi)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、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪、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、間歇開關(guān)、后窗刮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)大了刮拭的范圍，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)域研究的核心內(nèi)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、量程覆蓋范圍大、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。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)打開雨刮器，所以駕駛者就可以集中精力開車。論文的內(nèi)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)展歷程以及汽車傳感器的現(xiàn)狀及發(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內(nèi)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及模糊控制技術(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)的合理性及方案的可行性。智能雨刮器的原理及種類現(xiàn)在開發(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。雨滴傳感器的分類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)(ε)決定。因水和空氣的ε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)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內(nèi)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。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雨滴傳感器原理圖智能雨刮器的硬件組成及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。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)。發(fā)射管發(fā)射管采用西門子公司出產(chǎn)的SFH421作為光源，實(shí)物圖如圖2-10所示。峰值波長(zhǎng)λ為880nm，帶寬<80nm。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38kHz的紅外光。工作在38kHz的頻率下，采用這種方式可以減少發(fā)射電路的功耗。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BJTT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多謝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(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38kHz的脈沖波，從而驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管工作在38kHz的頻率下。由于555內(nèi)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3.2555定時(shí)器原理圖接收模塊接收模塊是由一個(gè)紅外接收管、帶通濾波器、分頻器及51單片機(jī)組成。紅外接收管紅外接收管SFH320是西門子公司生產(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)λ為880nm，具有高線性度、高可靠性等特點(diǎn)。圖3.2SFH320外形圖帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許某一段頻帶內(nèi)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，以便接收某一頻帶范圍內(nèi)的有效信號(hào)，而消除高頻段及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f<f的信號(hào)通過(guò)；而高通濾波器的通帶截止頻率為f，即它只允許f>f的信號(hào)通過(guò)。現(xiàn)將二者串聯(lián)起來(lái)，且f>f，則其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，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=0.1，,根據(jù)式(3.5)可得：計(jì)算出R=41.9.再根據(jù)Ｑ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：

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解得：R=188.7Ω,R=376.8Ω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3ms。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；3~12個(gè)脈沖為小雨，雨刮器此時(shí)工作在慢速檔；12~20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3.5CD2042的引腳圖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（A7～A0）/數(shù)據(jù)總線（D7～D0）使用，P2口作為高8位地址總線（A15～A8）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A7～A0.P1.0～P1.7：內(nèi)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3.680C51引腳圖P2.0～P2.7：內(nèi)部帶有弱上拉的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P2口鎖存器寫入1，使P2口引腳被上拉為高電平。在讀寫外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高八位地址A15～A8。P3.0～P3.7：內(nèi)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。RST：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A7～A0，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)，從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指令，只有當(dāng)程序計(jì)數(shù)器PC超出片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址編碼范圍時(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：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸入端，接CPU內(nèi)部時(shí)鐘電路。XTAL2：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸出端。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3.774ls125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”時(shí)，實(shí)現(xiàn)Y=A的邏輯功能，即為低電平有效。智能雨刮器硬件設(shè)計(jì)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)、雨滴傳感器及雨刷等組成。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)成的多謝振蕩器對(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：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及P0.3、P0.4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，使得v2和v3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)左到位開關(guān)，當(dāng)SA1置一，則輸出正向代碼；SA1為電機(jī)右到位開關(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)控制部分硬件圖智能雨刮器的軟件設(shè)計(jì)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)間段內(nèi)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5.2所示：圖5.1雨滴傳感器部分流程圖圖5.260ms定時(shí)器流程圖智能雨刮器雙電機(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)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基于模糊控制的智能雨刮控制系統(tǒng)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.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年開始的。1985年，模糊推理集成塊開始開發(fā)。1986年，在日本，基于模糊控制技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品及系統(tǒng)開始出現(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始了模糊產(chǎn)品的開發(fā)，模糊理論與應(yīng)用研究及模糊產(chǎn)品的開發(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)言變量及模糊推理為基礎(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。模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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)μ(u)u∈[0,1]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：:μ:u→[0,1]，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，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數(shù)所刻畫一樣，模糊集A完全由隸屬函數(shù)所刻畫。當(dāng)模糊集隸屬函數(shù)的值域?yàn)閧0,1}時(shí)，A就蛻化為普通集，μ(u)則變?yōu)槠胀奶卣骱瘮?shù)。隸屬度函數(shù)及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)閇0,1]，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。μ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，μ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)題需要及計(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，b>0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)。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)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，以及對(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相同，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采樣周期內(nèi)求誤差的變化e。3．輸入量的模糊化。由前邊得到的誤差及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1~6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、誤差變化率及誤差變化的變化率，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及其和∑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及誤差變化的變化率，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)間差及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。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。6.3.3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“IF－THEN”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eisAandecisB，則uisC”。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PM、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、量化因子及比例因子的選擇論域及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)際范圍稱為這些變量的基本論域。顯然基本論域內(nèi)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)，所以誤差及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。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，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)椋簕-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及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范圍要比模糊論域選擇范圍小得多，所以量化因子一般都遠(yuǎn)大于1。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)椋簕-h,-h+1,…,0,…h(huán)-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。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的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量化因子和比例因子也時(shí)非常重要的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量化因子和比例因子的大小及其不同量化因子之間大小的相對(duì)關(guān)系，對(duì)模糊控制器的控制性能影響極大。合理的確定量化因子和比例因子要考慮所采用的計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)，還要考慮計(jì)算機(jī)的輸入輸出接口中D/A和A/D轉(zhuǎn)換的精度及變化的范圍。即，選擇量化因子和比例因子要充分考慮與D/A和A/D轉(zhuǎn)換精度相協(xié)調(diào)，使接口板的轉(zhuǎn)換精度充分發(fā)揮，并使其變換范圍充分被利用。量化因子Ke及Kec的大小對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響很大。Ke選得較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)也較大，過(guò)度時(shí)間較長(zhǎng)。這一點(diǎn)也不難理解，因?yàn)閺睦碚撋现v，Ke增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差量的控制作用，雖然能使上升時(shí)間變短，但由于超調(diào)過(guò)大，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程變長(zhǎng)。Kec選擇越大系統(tǒng)超調(diào)越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。Kec對(duì)超調(diào)的遏制作用十分明顯。量化因子Ke和Kec的大小意味著對(duì)輸入變量誤差變化的不同加權(quán)程度，Ke和Kec兩者之間也互相影響，在選擇量化因子時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)。輸出比例因子Ku作為模糊控制器的總的增量，它的大小影響著控制器的輸出，也影響著模糊控制系統(tǒng)的特性。Ku選擇過(guò)小會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，而Ku選擇過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇。通過(guò)調(diào)整Ku可以改變對(duì)被控對(duì)象輸入的大小。量化因子和比例因子的選擇并不是唯一的，可能有幾組不同的值，都能使系統(tǒng)獲得較好的響應(yīng)特性。對(duì)于比較復(fù)雜的被控過(guò)程，有時(shí)采用一組固定的量化因子和比例因子難以收到預(yù)期的控制效果，可以在控制過(guò)程中采用改變量化因子和比例因子的方法，來(lái)調(diào)整整個(gè)控制過(guò)程中不同階段上的控制特性，使其對(duì)復(fù)雜過(guò)程控制收到良好的控制效果。這種形式的控制器稱為自調(diào)整比例因子模糊控制器。智能雨刮器電機(jī)的模糊控制智能雨刮器的控制原理圖智能雨刮器的控制原理圖如圖6.5所示：圖6.5智能雨刮器控制原理圖直流電機(jī)的調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為勵(lì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行斬波調(diào)壓等。PWM驅(qū)動(dòng)裝置與傳統(tǒng)晶閘管驅(qū)動(dòng)裝置比較，具有下列優(yōu)點(diǎn)：需用的大功率可控器件少，線路簡(jiǎn)單；調(diào)速范圍寬；電流波形系數(shù)好，附加損耗小；功率因數(shù)高?？梢詮V泛應(yīng)用于現(xiàn)代直流電機(jī)伺服系統(tǒng)中。小功率直流電機(jī)的調(diào)速原理：對(duì)于小功率電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)控制是極為方便的。其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），簡(jiǎn)稱PWM。因此。PWM又被成為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。改變占空比的方法有三種：（1）定寬調(diào)頻法，保持t不變，只改變t，這樣周期T（或頻率）也隨之改變；（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持t不變，而改變t，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(shí)改變t和t。由于前兩種方法都改變了周期（或頻率），當(dāng)控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)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(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減小。只要按一定規(guī)律，改變通斷電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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(jī)永遠(yuǎn)接通電源時(shí)，其最大轉(zhuǎn)速為V，設(shè)占空比D=t/T，則電機(jī)的平均速度V，V=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(shí)線），當(dāng)系統(tǒng)允許時(shí)，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。圖6.6脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖6.7平均速度與占空比關(guān)系電機(jī)同步設(shè)計(jì)中選擇模糊控制的原因在古典控制理論中，應(yīng)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(yīng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可以不用被控對(duì)象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。該算法由于其簡(jiǎn)單實(shí)用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。但是當(dāng)被控對(duì)象比較復(fù)雜時(shí)，便難以取得滿意的控制效果。現(xiàn)代控制理論為控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路。采用該理論進(jìn)行控制時(shí)，需要提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。盡管數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)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(jì)，而求解這些參數(shù)時(shí)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(yīng)用。一個(gè)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)鍵在于它能否對(duì)被控對(duì)象提供精確的控制。當(dāng)研究的控制系統(tǒng)涉及非線性、多變量、時(shí)變性等這樣的大系統(tǒng)時(shí)，如煤炭生產(chǎn)過(guò)程、金屬冶煉、石油化工、工業(yè)鍋爐等，系統(tǒng)的復(fù)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(duì)象和過(guò)程的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合、隨機(jī)干擾、被控過(guò)程的機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜等，很難建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只能測(cè)得其參數(shù)間的模糊關(guān)系的估計(jì)。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(yīng)用帶來(lái)了很大的困難。對(duì)于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，有時(shí)一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員，手動(dòng)操作效果卻很好。操作人員恰恰是利用了人腦的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)外界事物進(jìn)行識(shí)別與判決，使看來(lái)不經(jīng)意的模糊手動(dòng)操作，達(dá)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(diǎn)：1．在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。只要求掌握現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員或有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)，或者操作者在操作過(guò)程中的操作數(shù)據(jù)及被控對(duì)象的運(yùn)行數(shù)據(jù)等。2．對(duì)被控對(duì)象特性參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的魯棒性。3．適合于對(duì)難以建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制，如非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)。4．為“語(yǔ)言型”控制，由工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，較容易建立語(yǔ)言變量控制規(guī)則，易于形成知識(shí)庫(kù)。5．由不同觀點(diǎn)出發(fā)，可以設(shè)計(jì)幾個(gè)不同的指標(biāo)函數(shù)，但對(duì)一個(gè)給定系統(tǒng)而言，其語(yǔ)言控制規(guī)則是分別獨(dú)立的，且通過(guò)整個(gè)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)可以取得總體的協(xié)調(diào)控制。6．控制效果好，且所需設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益顯著。傳統(tǒng)的雨刮器大多是機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)的，當(dāng)下雨時(shí)，駕駛員需要手動(dòng)操作雨刮器來(lái)掃除風(fēng)擋玻璃上的雨滴，由此增加了雨天行車的危險(xiǎn)性。本文設(shè)計(jì)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(yīng)落在風(fēng)擋玻璃上雨滴的大小，使雨刮器自動(dòng)工作在低速狀態(tài)或高速狀態(tài)。這樣,當(dāng)在濕路上駕駛時(shí)，駕駛者就無(wú)需動(dòng)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(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，應(yīng)用很廣泛，但也存在一些不足。例如，無(wú)法有效克服負(fù)載參數(shù)的大范圍變化和非線性因素對(duì)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(lái)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(xué)模型，而是運(yùn)用模糊理論將人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、思維進(jìn)行推理，控制過(guò)程的方法與策略由所謂模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。模糊控制對(duì)那些難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，模糊控制設(shè)計(jì)的核心是模糊控制器的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)性能，控制效果良好。模糊控制在電機(jī)同步控制中的應(yīng)用本設(shè)計(jì)中的雨刮器是采用具有高速和低速兩個(gè)檔位的雨刮電機(jī)來(lái)同時(shí)控制兩個(gè)雨刮，雨刮器不工作時(shí)，兩個(gè)雨刮都停在風(fēng)擋玻璃的左側(cè)位置，即雨刮電機(jī)復(fù)位位置。我們用單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)80C51的INT1口檢測(cè)到紅外線雨滴傳感器的信號(hào)時(shí)，即有雨滴落在風(fēng)擋玻璃上，按脈沖個(gè)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速的分配，兩個(gè)雨刮就分別左右擺動(dòng)。當(dāng)小雨時(shí)，雨刮器工作在低速擋，當(dāng)大雨時(shí)，雨刮器工作在高速擋。由于生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就會(huì)存在兩個(gè)雨刮擺動(dòng)不同步的問(wèn)題。用電機(jī)的復(fù)位信號(hào)來(lái)檢測(cè)兩個(gè)雨刮運(yùn)動(dòng)的快慢，哪個(gè)雨刮先到復(fù)位位置，說(shuō)明它快，通過(guò)單片機(jī)的PWM口，對(duì)快的進(jìn)行斬波。雨刮每運(yùn)行一個(gè)周期檢測(cè)一次，哪個(gè)先到復(fù)位位置就對(duì)哪個(gè)斬波，直到兩個(gè)雨刮無(wú)論在低速狀態(tài)還是高速狀態(tài)，都達(dá)到同步擺動(dòng)。確定輸入變量和輸出變量本設(shè)計(jì)中選擇兩電極復(fù)位端的時(shí)間偏差E及偏差變化為輸入變量，PWM脈寬調(diào)制信號(hào)占空比增量U為輸出量。2.精確量的模糊化本設(shè)計(jì)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?yàn)閇-77],在進(jìn)行輸入變量模糊化時(shí)，時(shí)間偏差e在其論域上定義7個(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語(yǔ)言變量為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)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(shí)間偏差化e在其論域上定義5個(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語(yǔ)言變量為負(fù)大(NB)、負(fù)小(NS)、零(O)、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δ在其論域上定義7個(gè)模糊集隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的語(yǔ)言變量為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)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)賦值表表6.2模糊變量Ec的隸屬度函數(shù)賦值表表6.3模糊變量U的隸屬度函數(shù)賦值表3.模糊控制規(guī)則的確定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(jué)思維推理,由系統(tǒng)輸出的誤差及誤差變化率來(lái)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(yǔ)句來(lái)描述。例如,從系統(tǒng)的響應(yīng)看,如果誤差E為PB,則需要給出正的控制量U。如果此時(shí)EC為值時(shí),則說(shuō)明誤差較大且還有加大的趨勢(shì),則應(yīng)該設(shè)置控制量U為PB;相反的如果EC為NS,說(shuō)明誤差有減小的趨勢(shì),所以無(wú)需加太大的控制量U,可以設(shè)置為PM;若EC為NM、NB,則說(shuō)明誤差有較快的減小趨勢(shì),則應(yīng)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(duì)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(yǔ)言規(guī)則和模糊推理就確定了。隨意在設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則時(shí)要結(jié)合操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，不斷對(duì)控制規(guī)則進(jìn)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4.量化因子和比例因子的選擇本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)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(shí)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(jì)中電機(jī)選用3000轉(zhuǎn)/min的小型直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)的最慢速度的占空比在程序中幾經(jīng)給出為40%，相當(dāng)于一轉(zhuǎn)需要50ms。雨刮器從一端擺到另一端需要半個(gè)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(shuō)明此量化因子和比例因子選擇恰當(dāng)，可以完全反應(yīng)本設(shè)計(jì)的控制規(guī)律。5.模糊控制器的設(shè)計(jì)MATLAB，取自矩陣(Matrix)和實(shí)驗(yàn)室(Laboratory)兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)字母，意即“矩陣實(shí)驗(yàn)室”。它是一種以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單元的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，提供了數(shù)據(jù)分析、算法實(shí)現(xiàn)與應(yīng)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(jì)模糊控制器。在MATLAB中鍵入命令FUZZY，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口FISEditor，在輸入e、ec，和輸出u圖標(biāo)上雙擊，可以對(duì)輸入和輸出的隸屬函數(shù)進(jìn)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(jì)中取兩個(gè)雨刷到達(dá)復(fù)位位置的時(shí)間偏差e的論域?yàn)閇-6,+6]，有7個(gè)語(yǔ)言變量，三角形隸屬度函數(shù)。如附錄中圖A.2所示，兩個(gè)雨刷到達(dá)復(fù)位位置的時(shí)間偏差變化率ec的論域?yàn)閇-6,+6]，有5個(gè)語(yǔ)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(hào)占空比的增量u的論域?yàn)閇-7,+7]，有7個(gè)語(yǔ)言變量，三角形隸屬度函數(shù)。然后在RulesEditor窗口中輸入控制雨刮同步的35條模糊控制規(guī)則，如附錄中圖A.4所示。這樣模糊控制器就做好了，可以通過(guò)附錄中圖A.5,圖A.6觀察結(jié)果。模糊控制算法流程圖模糊控制器的控制算法是由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)的。這種程序一般包括兩個(gè)部分，一個(gè)是計(jì)算機(jī)離線計(jì)算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運(yùn)算。另一個(gè)是計(jì)算機(jī)在模糊控制過(guò)程中在線計(jì)算輸入變量（誤差、誤差變化），并將他們模糊化處理，查找查詢表后再做輸出處理的程序。圖給出了單變量二維模糊控制器模糊查詢表算法流程圖。不難看出，這種控制算法程序簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)易于實(shí)現(xiàn)。模糊控制算法流程圖如圖6.8所示：圖6.8模糊控制算法流程圖控制系統(tǒng)的仿真與分析近年來(lái)PWM技術(shù)的發(fā)展為電機(jī)的數(shù)字化控制提供了有利的支持，由其構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)模擬控制，很難甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制算法。模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，與常規(guī)PD控制相比具有無(wú)需建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力。但由于控制器本身沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，尤其在變量分級(jí)不夠多的情況下，還可能會(huì)在平衡點(diǎn)附件產(chǎn)生小幅震蕩。但是與PID控制比起來(lái)模糊控制器具有調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)量小等特點(diǎn)。為了準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型和進(jìn)行仿真分析，在Matlab中提供了系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具——Simulink。通常的工業(yè)過(guò)程可以等效成二階系統(tǒng)，為了不失一般性，我們?nèi)∽鳛橹悄苡旯纹飨到y(tǒng)的模型[1]。在Matlab中鍵入命令Simulink，建立模糊控制系統(tǒng)Simulink模型如圖6.9所示。基于實(shí)驗(yàn)中反復(fù)調(diào)試和量化因子及比例因子的選取規(guī)則，取Ke=7.5，Kec=0.4，Ku=3.5，仿真結(jié)果如圖6.10所示。圖6.9模糊控制系統(tǒng)模型了便于與PID控制效果相比較，我們也在Simulink中建立系統(tǒng)的PID控制模型。模型如圖6.11所示，取Kp=2.5，Ki=1，Kd=0.2。仿真結(jié)果如圖6.12所示：圖6.10模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果為比較智能雨刮系統(tǒng)的模糊控制仿真結(jié)果和PID控制仿真結(jié)果，可以看出模糊控制器具有調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)量小等特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，表現(xiàn)出良好的控制性能。用模糊控制器取代PID控制器可以提高控制精度，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。圖6.11PID控制系統(tǒng)模型圖6.12PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果總結(jié)該雨滴傳感器安裝在風(fēng)擋玻璃上駕駛室一側(cè)，通過(guò)改變雨量的大小，能使雨刮器自動(dòng)工作在低速檔或高速檔。實(shí)驗(yàn)證明，該智能雨刮系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，輸出信號(hào)延時(shí)可忽略，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文在查閱了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，對(duì)智能雨刮系統(tǒng)進(jìn)行了研究。目前的雨刮系統(tǒng)大多是機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)的，采用雨滴感應(yīng)式的智能雨刮系統(tǒng)只是在少數(shù)高級(jí)轎車上有應(yīng)用，因?yàn)槟壳笆褂玫墓怆娪甑蝹鞲衅鞔蠖际怯蓢?guó)外廠商一統(tǒng)天下，因而，價(jià)格比較昂貴，很難普及。本文所研究的紅外雨滴傳感器及智能雨刮系統(tǒng)，由于成本低廉，性能穩(wěn)定，可靠性高，易于在大客車和低檔轎車上普及應(yīng)用，有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。關(guān)于紅外雨滴傳感器及模糊控制器的設(shè)計(jì)，還有一些特殊情況未在本文所研究之內(nèi)，仍有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1.趙巖.基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)的研究〔D〕，北京：哈爾濱理工大學(xué)，2007.2.康華光，鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]，北京：高等教育出版社，1987，8，347-373.3.孫在信，全志云，丁鎮(zhèn)生.環(huán)境對(duì)555紅外線發(fā)射系統(tǒng)的影響[J]，大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2：94-96.4.張國(guó)雄.測(cè)控電路[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，91-118.5.趙巖，訾鴻.汽車雨滴傳感器的設(shè)計(jì)[J]，佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，6：801-803.6.王為青，程國(guó)鋼.單片機(jī)keilcx51應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M]，北京：人民郵電出版社，2007，115-131.7.潘新民，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2003，135-142.8.鄒慶超.多速雨刮器的控制電路[J]，北京汽車，1994，4：42-43.9.李全福，萬(wàn)彥輝，郭華.模糊PID控制算法在電動(dòng)舵機(jī)控制中的應(yīng)用[J]，微電機(jī)，2007，12：28-47.10.劉曙光，魏俊民.模糊控制技術(shù)[M]，北京：中國(guó)紡織出版社出版，2001，59-84.11.賈玉英，王臣.基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)[J]，包頭鋼鐵學(xué)院報(bào)，2005，12：334-337.12.李勇，羅隆福，許加柱，李季.基于模糊控制的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J]，大電機(jī)技術(shù)，2006，1：66-68.13.岑木峰.汽車雨刮器的改進(jìn)[J]，湖北汽車工業(yè)學(xué)院報(bào)，2007，3：74-78.14.謝飛.基于微分平坦的雙電機(jī)雨刮控制器研究〔D〕，吉林：吉林大學(xué)，2007.15.郭立書，鄭殿旺.雨滴感知型間接刮水控制系統(tǒng)[J]，汽車電器，1996，2：8-9.16.吳勇.汽車智能化技術(shù)[J]，上海汽車，2004，4：37-39.17.李東生，張勇，許四毛.Protel99SE電路設(shè)計(jì)教程[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2007，19-125.18.廉小親.模糊控制技術(shù)[M]，北京：中國(guó)電力出版社，2003，10-50.19.戎月莉.計(jì)算機(jī)模糊控制原理及應(yīng)用[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998，123-151.20.薛定宇，陳陽(yáng)泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2002，328-345.21.陳杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]，北京：高等教育出版社，2002，132-140.22.唐鈺，葛龍.紅外光電散射式感煙探測(cè)器的研制[J]，四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34:117-120.23