電機(jī)自調(diào)整PID調(diào)速

1、神經(jīng)元自整調(diào)速電機(jī)成員：左俊杰、薛培康、屠陳濤班級(jí):23自動(dòng)化卓越班學(xué)號(hào):1300801301、實(shí)現(xiàn)功能1. 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及電機(jī)制動(dòng)。2. 利用神經(jīng)元自整定調(diào)速算法，速度范圍6003000 r/min3. N0KIA5510顯示屏，顯示速度二、設(shè)計(jì)方案1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)出了以下系統(tǒng)框圖。我們是以stm32為核心控制器, 它可以輸出占空比不同的PWM脈沖，還可以對(duì)光電測(cè)速模塊傳回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行 處理。除此之外它還有人機(jī)交互功能，我們通過(guò)鍵盤改變?cè)O(shè)定速度，在電機(jī)速度 趨于穩(wěn)定后，我們可以在顯示屏上看到設(shè)定速度與當(dāng)前運(yùn)行速度，方便快捷。圖1系統(tǒng)方案框圖2、硬件設(shè)計(jì)2.1控制器

2、模塊根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受算法控制的PWM脈沖，并對(duì) 電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。本作品采用stm32作為核心控制器。2.2電源電電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。在本系統(tǒng)中直流 電機(jī)需要12V電源，而單片機(jī)、顯示模塊等其它電路需要5V的電源，因此電路 中選用7805和7812兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為1.5A,能夠滿足系統(tǒng)的圖2-1電源電路2.3功率放大驅(qū)動(dòng)電路（外加光耦隔離）單片機(jī)不能直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，我們需要一個(gè)功率放大驅(qū)動(dòng)電路來(lái)起到橋 梁的作用，經(jīng)過(guò)比較我們選擇了 H橋，此外我們這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路還加了一個(gè)光耦 隔

3、離。H橋性價(jià)比高，且對(duì)于直流電機(jī)調(diào)速非常簡(jiǎn)單，而且該電路具有較強(qiáng)的驅(qū) 動(dòng)能力和保護(hù)功能，還能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。電路如圖2-2所示。左端兩個(gè)輸 入口接單片機(jī)輸入PWM脈沖控制H橋三極管的導(dǎo)通截止，PWM脈沖山單片機(jī) 對(duì)應(yīng)端口輸出，其中有一個(gè)端口輸出PWM脈沖來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此外光耦隔離電路還能對(duì)外界干擾脈沖起到很好的屏蔽作用，輸入端與輸出端也完全實(shí) 現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)。圖2-2功率放大驅(qū)動(dòng)電路2. 4信號(hào)采集及處理單元本設(shè)計(jì)中采用對(duì)射式光電傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與 接收之間的間隙時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，反之打開?？梢灾谱饕粋€(gè)遮光葉片如圖2-3(b) 所示，安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)

4、軸上，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較 多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。假設(shè)系統(tǒng)采用10個(gè)葉片，在一秒鐘的 內(nèi)產(chǎn)生了 100脈沖，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速就為10r/so圖2-3電路圖及轉(zhuǎn)盤2.4.1轉(zhuǎn)速測(cè)原理本設(shè)計(jì)采用頻率測(cè)量法。其測(cè)量原理為：在固定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，計(jì)取轉(zhuǎn)速傳 感器發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)(即頻率)，從而算出實(shí)際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測(cè)量時(shí)間T(min), 計(jì)數(shù)器訃取的脈沖個(gè)數(shù)叫，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)被測(cè)轉(zhuǎn)速為n (r/min),就可算出實(shí)際轉(zhuǎn)速值n二60m/pT。2. 4. 2監(jiān)測(cè)裝置安裝此檢測(cè)裝置按照發(fā)動(dòng)機(jī)上傳感器的實(shí)際安裝位置進(jìn)行安裝。如圖2-4所示， 將信號(hào)盤固定在

5、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對(duì)著信號(hào)盤。測(cè)量頭山光電轉(zhuǎn) 速傳感器組成，而且測(cè)量頭兩端的距離與信號(hào)盤的距離相等。測(cè)量用器件封裝后, 固定裝在貼近信號(hào)盤的位置，當(dāng)信號(hào)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電元件即可輸出正負(fù)交替的周 期性脈沖信號(hào)。信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的齒數(shù)。因此，脈沖信 號(hào)的頻率大小就反映了信號(hào)盤轉(zhuǎn)速的高低。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的幅值與轉(zhuǎn) 速無(wú)關(guān)，而且可測(cè)轉(zhuǎn)速范圍大，一般為lr/s104 r/s以上，精確度高。2-4轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)裝宜2. 4. 3信號(hào)處理電路被測(cè)物理量經(jīng)過(guò)傳感器變換后，變?yōu)殡娮琛㈦娏?、電壓、電感等某種電參數(shù) 的變化值。為了進(jìn)行信號(hào)的分析、處理、顯示和記錄，須對(duì)信號(hào)作放大、運(yùn)算

6、、 分析等處理，這就引入了中間變化電路。根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)了如圖2-5所示的中 間變換電路。其中，Rl、R4起限流作用，R2起分流作用，R3為輸出電阻。當(dāng) 轉(zhuǎn)盤上的梯形孔旋轉(zhuǎn)至與光電開關(guān)的透光位置重合時(shí)，輸出低電平；當(dāng)通光孔被 遮住時(shí)，輸出高電平。傳感器輸出脈沖如圖2-6所示。圖2-5電機(jī)速度采集方案n_n_njn_n_n_njn_nLn_njn_r圖2-6傳感器輸岀脈沖波形2. 5硬件電路的總體框架及仿真L花；» 7TT ' rwyr rnr FWi >6 JO?Wrfc*aD*廣亠盞-rrrW/*T» WiTi dnr PJ.TCTIWiAsel： 030

7、r/sreal » 63$2?E咎j觸臺(tái)豬 3、軟件設(shè)計(jì)（單神經(jīng)元自正定PID調(diào)速）3.1神經(jīng)元原理介紹基于模型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在著局限性。它過(guò)分依賴于受控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，如果受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型不易得到時(shí)，傳統(tǒng)控制器設(shè)il就變得很困難。因此，近年來(lái)學(xué)者們一直在探索可以不依賴于對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制器設(shè)訃方法，智能控制理論的研究便是這方面的嘗試，控制實(shí)踐表明非模型控制可以有效提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。人I:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的岀現(xiàn)和發(fā)展促進(jìn)了非模型控制的發(fā)展。在神經(jīng)元非模型控制方面，浙大王宇教授提出了一種面向控制的神經(jīng)元模型及聯(lián)想式學(xué)習(xí)策略，如下所示。自適應(yīng)神經(jīng)元的輸岀可表示為：

8、.'(/) = K乞心3/=!式中，K>0為元的比例系數(shù)，xi(t) (i二1, 2,，n)為元的輸入：3 i (t)是相應(yīng)于xi(t)的權(quán)系數(shù)，山某種學(xué)習(xí)策略決定。一般認(rèn)為神經(jīng)元通過(guò)修 改其自身的突觸權(quán)值進(jìn)行自組織。根據(jù)D. 0. Hebb提出的著名假設(shè)，可以得到 以下的學(xué)習(xí)規(guī)則："=K工 M>.(r)x,(/)/=/函(“=叱(7)/工/-I叱()=w；仃一 1)+»(”一(小/心)才z(o(,= 12a其中,K, d為待定參數(shù)。神經(jīng)元的輸入狀態(tài)為wi (t) (i=l,2,3-,n).當(dāng)n二3 時(shí)候(/) = r(r) (J =*3 G)3. 2控

9、制過(guò)程的討論基于上面的神經(jīng)元理論，下面設(shè)計(jì)基本的神經(jīng)元PID調(diào)整流程圖。圖3-2神經(jīng)元PID調(diào)整流程圖經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，通過(guò)神經(jīng)元算法對(duì)Kp, Ki，Kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自整定，從而達(dá)到一 個(gè)相對(duì)對(duì)Kp值得最優(yōu)秀值。3. 3對(duì)結(jié)合到PID代碼的參數(shù)討論Ck(k+l)= Ck(k)+kp*(e0-e1)+ki*e0+kd*(e0-2*e1+e2);Kp(k+1)= Kp(k) + n *ck(k)*e0*(e0+e0-el);這里對(duì)輸出的更新暫且不提，對(duì)心的更新進(jìn)行分析。首先是學(xué)習(xí)參數(shù)H參數(shù)，為系統(tǒng)學(xué)習(xí)速度，ck (k)為反饋的輸出，e0為 這一時(shí)刻的誤差，el為上一時(shí)刻的誤差。(E0-el)相當(dāng)于誤差積累量的偏導(dǎo)，加快反應(yīng)的速度。3.4對(duì)學(xué)習(xí)參量7的決定考慮到矗的參數(shù)為e-l的位數(shù)，所以變化量最好為e-2的量級(jí)。并且要提 前根據(jù)需要設(shè)定PID三個(gè)參數(shù)的大小，避免震蕩過(guò)大導(dǎo)致跑飛?？梢匀?amp;二1, ki=O. 5kp, kd=O. 6kp,這樣來(lái)設(shè)置。之后PID會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定到合 適的值。用串口讀取就好。4、總結(jié)這次做電機(jī)用到的知識(shí)書本上也沒(méi)有多少，我們通過(guò)上網(wǎng)查資料制定了一個(gè) 確切可行的方案，然后我們先仿真了一下，能用之后我們才開始焊接，焊接過(guò)程 中往往會(huì)有一些意想不