题-目：基于单片机的汽车智能雨刮器设计

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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目录摘要 IAbstract II第一章引言 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CD4024 123.2.480C51芯片资料 123.3四总线缓冲门74ls125 14第四章智能雨刮器硬件设计 164.1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 30论域及基本论域 30量化因子 30比例因子 3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Amatlab仿真图 48附录B硬件原理图 51附录C程序 52致谢 65引言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、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，可远距离输送信号，有的还带有自检功能。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。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。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。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。雨滴传感器的分类压电振子原理的雨滴传感器压电振子利用压电效应将机械位移(振动)变成电信号。压电振子受到雨淋，按照雨滴的强弱和雨量作振动；将雨滴的冲击能量变换成电压波形，再输入到雨刮控制器。该电压波形的积分值(斜线部分的面积)与某一定值的速度对应，这样就可控制刮雨器运动的速度。如图2.1所示：图2.1压电振子传感器静电电容原理的雨滴传感器静电电容表示因电极之间的物质不同(在雨滴传感器中为“空气”和“水”)能储存电荷量的能力。电极面积(S)，电极的间隔(d)不变，则静电容C只由介电系数(ε)决定。因水和空气的ε值不同，C随雨滴的大小而变。利用静电容的变化，改变振荡电路的振荡频率，从而控制雨刮器的动作。如图2.2所示：图2.2静电电容传感器光量变化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。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。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，两组并联的方式，由555定时器驱动。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λ为880nm，带宽<80nm。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38kHz的红外光。工作在38kHz的频率下，采用这种方式可以减少发射电路的功耗。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555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BJTT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38kHz的脉冲波，从而驱动红外发射管工作在38kHz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3.2555定时器原理图接收模块接收模块是由一个红外接收管、带通滤波器、分频器及51单片机组成。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λ为880nm，具有高线性度、高可靠性等特点。图3.2SFH320外形图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率为f，即该低通滤波器只允许f<f的信号通过；而高通滤波器的通带截止频率为f，即它只允许f>f的信号通过。现将二者串联起来，且f>f，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Ｑ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：

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解得：R=188.7Ω,R=376.8Ω分频器CD4024分频器CD4024是由7级主从触发器构成的二进制串行计数/分频器。引脚图如图3.5所示。输出端连接Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7就可以对输入端1脚的信号进行2、4、8、16、32、64、128分频。用CD4024分频器把由带通滤波器输出的脉冲信号分频，满足输出脉冲信号是毫秒数量级[5]。因为中心频率为38KHz，所以本设计中选用128分频，使f变为300Hz，则周期为3ms。把雨滴传感器单片机的定时时间选为60ms，则最多可以测出20个脉冲，用60ms中脉冲的数量来确定雨量的多少：小于3个脉冲视为无雨，没有启动雨刮器的必要；3~12个脉冲为小雨，雨刮器此时工作在慢速档；12~20个脉冲为大雨，雨刮器工作在高速档；大于20个脉冲无法检测到，也视为无雨对待。图3.5CD2042的引脚图80C51芯片资料80C51由一个8位通用中央处理器、程序存储器、随机读写数据存储器、常用外围电路等部分组成。其中P0口、P2口既可作为一般的I/O引脚使用；在扩展外部存储器时，P0口将作为低8位地址总线（A7～A0）/数据总线（D7～D0）使用，P2口作为高8位地址总线（A15～A8）使用。80C51引脚图如图3.6所示[6]：ALE：低八位地址锁存信号，在访问外部存储器时，用ALE信号下降沿锁存从P0口输出的低八位地址信息A7～A0.P1.0～P1.7：内部带有弱上拉的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P1口锁存器写入1，使P1口引脚被上拉为高电平。P1.0、P1.1：除了作为一般I/O引脚使用外，还具有第二输入/输出功能。T2（P1.0）：定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输出端。T2EX(P1.1)：定时器T2外部触发输入端。图3.680C51引脚图P2.0～P2.7：内部带有弱上拉的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P2口锁存器写入1，使P2口引脚被上拉为高电平。在读写外部存储器时，P2口输出高八位地址A15～A8。P3.0～P3.7：内部带有弱上拉的双向I/O口，作为输入引脚使用前，先向P3口锁存器写入1，使P3口引脚被上拉为高电平。P3口除了可作为一般I/O引脚使用外，还具有第二输入/输出功能：RXD(P3.0)：串行数据接收（输入）端。TXD(P3.1)：串行数据发送（输入）端(P3.2)：外中断0输入端。(P3.3)：外部中断1输入端。T0(P3.4)：定时/计数器T0的外部输入端。T1(P3.5)：定时/计时器T1是的外部输入端。（P3.6）：外部数据存储器的写选通信号，低电平有效。(P3.7)：外部数据存储器读选通信号，低电平有效。RST：复位信号输入端，高电平有效。：外部程序存储器读选通信号。当没有外部存储器时，该引脚悬空。ALE：第八位地址锁存信号。访问外部存储器时，用ALE信号下降沿锁存从P0口输出的第八位地址信息A7～A0，以便随后将P0作为数据总线使用。ALE只能在执行MOVX指令时被激活。/VPP：外部程序存储器选择信号，低电平有效。在复位期间CPU检测并锁存其引脚电平状态，当发现该引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器PC超出片内程序存储器地址编码范围时，才能到外部ROM中取指令；当该引脚为低电平时，一律从外部程序存储器中取指令。XTAL1：片内晶振电路反相放大器输入端，接CPU内部时钟电路。XTAL2：片内晶振电路反相放大器输出端。四总线缓冲门74ls125本设计中用三态门74ls125做三态输出四总线同相缓冲器，它和反相驱动器74ls06控制4个光电隔离器和4个大功率场效应管IRF640。74ls125的引脚图如图3.7所示：图3.774ls125引脚图三态输出门（简称三态门）的电路结构是在普通门电路的基础上附加控制电路构成的。三态门的功能表如表3.1所示：表3.1三态门的功能表输入输出AY00001110高阻态11高阻态从表3.1中可以看出，在三态使能端的控制下，输出端Y有三种可能出现的状态，高阻态、关态（高电平）、开态（低电平）。当=“1”时，电路输出Y呈现高阻状态，当=“0”时，实现Y=A的逻辑功能，即为低电平有效。智能雨刮器硬件设计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：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）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SA1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智能雨刮器的软件设计雨滴传感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5.260ms定时器流程图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基于模糊控制的智能雨刮控制系统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。模糊控制的数学基础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，是指对任意u∈U，都为其指定一个数μ(u)u∈[0,1]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：:μ:u→[0,1]，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，μ(u)则变为普通集的特征函数。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只能取0，1两个值，推广到[0,1]闭区间上连续取值。μ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，μ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[10]：(1)正态型，b>0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。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”、“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1~6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制。图6.1模糊控制器的组成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。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。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“IF－THEN”形式的条件语句来加以描述。这里将用模糊条件语句来表示二维模糊控制器：“若eisAandecisB，则uisC”。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。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(6.5)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。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。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充分考虑与D/A和A/D转换精度相协调，使接口板的转换精度充分发挥，并使其变换范围充分被利用。量化因子Ke及Kec的大小对控制系统的动态稳定性影响很大。Ke选得较大时，系统的超调也较大，过度时间较长。这一点也不难理解，因为从理论上讲，Ke增大，相当于缩小了误差的基本论域，增大了误差量的控制作用，虽然能使上升时间变短，但由于超调过大，使得系统的过渡过程变长。Kec选择越大系统超调越小，但系统的响应速度变慢。Kec对超调的遏制作用十分明显。量化因子Ke和Kec的大小意味着对输入变量误差变化的不同加权程度，Ke和Kec两者之间也互相影响，在选择量化因子时要充分考虑到这一点。输出比例因子Ku作为模糊控制器的总的增量，它的大小影响着控制器的输出，也影响着模糊控制系统的特性。Ku选择过小会使系统动态响应过程变长，而Ku选择过大会导致系统振荡加剧。通过调整Ku可以改变对被控对象输入的大小。量化因子和比例因子的选择并不是唯一的，可能有几组不同的值，都能使系统获得较好的响应特性。对于比较复杂的被控过程，有时采用一组固定的量化因子和比例因子难以收到预期的控制效果，可以在控制过程中采用改变量化因子和比例因子的方法，来调整整个控制过程中不同阶段上的控制特性，使其对复杂过程控制收到良好的控制效果。这种形式的控制器称为自调整比例因子模糊控制器。智能雨刮器电机的模糊控制智能雨刮器的控制原理图智能雨刮器的控制原理图如图6.5所示：图6.5智能雨刮器控制原理图直流电机的调速原理直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电,使用晶闸管进行相控调压；使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电，再由PWM斩波器进行斩波调压等。PWM驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较，具有下列优点：需用的大功率可控器件少，线路简单；调速范围宽；电流波形系数好，附加损耗小；功率因数高。可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。小功率直流电机的调速原理：对于小功率电机的调速系统，使用单片机控制是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。这种方法称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。因此。PWM又被成为“开关驱动装置”。改变占空比的方法有三种：（1）定宽调频法，保持t不变，只改变t，这样周期T（或频率）也随之改变；（2）调宽调频法，保持t不变，而改变t，这样也使周期T（或频率）改变；（3）定频调宽法，这种方法周期T（或频率）不变，而同时改变t和t。由于前两种方法都改变了周期（或频率），当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统采用的是定频调宽法。在买冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。脉冲宽度调速的系统原理图如图6.6所示[11]：设电机永远接通电源时，其最大转速为V，设占空比D=t/T，则电机的平均速度V，V=V*D，平均速度V与占空比D的函数曲线如图6.7所示。从图中可以看出，V与占空比D并不是完全的线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。图6.6脉冲宽度调速系统原理图图6.7平均速度与占空比关系电机同步设计中选择模糊控制的原因在古典控制理论中，应用最成功的是比例积分微分(PID)控制。它是一种在工业生产中广泛应用的常规控制算法，属于线性控制。这种控制方式的最大优点是结构简单，使用方便，可以不用被控对象的模型参数，直接根据输出的偏差进行调节。该算法由于其简单实用而被广大工程技术人员所熟悉。但是当被控对象比较复杂时，便难以取得满意的控制效果。现代控制理论为控制复杂系统提供了新的思路。采用该理论进行控制时，需要提供准确的数学模型。尽管数值计算与计算机技术的发展，为求解模型参数提供了有效的方法和工具，但由于这些模型方程中有众多的参数需要估计，而求解这些参数时又往往缺少足够的信息特征和信息量，因此限制了现代控制理论的有效应用。一个控制系统控制质量的优劣，关键在于它能否对被控对象提供精确的控制。当研究的控制系统涉及非线性、多变量、时变性等这样的大系统时，如煤炭生产过程、金属冶炼、石油化工、工业锅炉等，系统的复杂性与控制技术的精确性便形成了尖锐的矛盾。由于被控对象和过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、随机干扰、被控过程的机理错综复杂等，很难建立被控对象的精确数学模型，只能测得其参数间的模糊关系的估计。这就给传统的古典控制理论及现代控制理论方法的应用带来了很大的困难。对于上述难以控制的工业生产过程，有时一个有实践经验的操作人员，手动操作效果却很好。操作人员恰恰是利用了人脑的特点，通过对外界事物进行识别与判决，使看来不经意的模糊手动操作，达到精确控制的目的。模糊控制与传统的控制方式相比，具有以下特点：1．在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型。只要求掌握现场有经验的操作人员或有关专家的经验、知识，或者操作者在操作过程中的操作数据及被控对象的运行数据等。2．对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性。3．适合于对难以建立被控对象的数学模型的复杂系统进行控制，如非线性、时变、滞后系统。4．为“语言型”控制，由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规则，易于形成知识库。5．由不同观点出发，可以设计几个不同的指标函数，但对一个给定系统而言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个控制系统的协调可以取得总体的协调控制。6．控制效果好，且所需设备简单，经济效益显著。传统的雨刮器大多是机械连杆结构的，当下雨时，驾驶员需要手动操作雨刮器来扫除风挡玻璃上的雨滴，由此增加了雨天行车的危险性。本文设计的基于模糊控制的汽车智能雨刮系统是采用自行研制的红外线雨滴传感器感应落在风挡玻璃上雨滴的大小，使雨刮器自动工作在低速状态或高速状态。这样,当在湿路上驾驶时，驾驶者就无需动手打开雨刮器，使驾驶者集中精力开车。传统的PID控制技术已经比较成熟，结构简单，性能稳定可靠，应用很广泛，但也存在一些不足。例如，无法有效克服负载参数的大范围变化和非线性因素对系统造成的影响，因而，不能满足高性能、高精度的要求。随着模糊控制技术的成熟,汽车的许多装置也越来越多地使用了模糊控制技术,如刹车装置、变速控制等。模糊控制不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维进行推理，控制过程的方法与策略由所谓模糊控制器来实现。模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统有独特优势。因此，模糊控制设计的核心是模糊控制器的设计。本文设计的基于模糊控制的汽车智能雨刷系统，用模糊控制器代替传统的PID调节器，能明显改善系统的稳态和动态性能，控制效果良好。模糊控制在电机同步控制中的应用本设计中的雨刮器是采用具有高速和低速两个档位的雨刮电机来同时控制两个雨刮，雨刮器不工作时，两个雨刮都停在风挡玻璃的左侧位置，即雨刮电机复位位置。我们用单片机来控制整个系统，当80C51的INT1口检测到红外线雨滴传感器的信号时，即有雨滴落在风挡玻璃上，按脉冲个数对转速的分配，两个雨刮就分别左右摆动。当小雨时，雨刮器工作在低速挡，当大雨时，雨刮器工作在高速挡。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，就会存在两个雨刮摆动不同步的问题。用电机的复位信号来检测两个雨刮运动的快慢，哪个雨刮先到复位位置，说明它快，通过单片机的PWM口，对快的进行斩波。雨刮每运行一个周期检测一次，哪个先到复位位置就对哪个斩波，直到两个雨刮无论在低速状态还是高速状态，都达到同步摆动。确定输入变量和输出变量本设计中选择两电极复位端的时间偏差E及偏差变化为输入变量，PWM脉宽调制信号占空比增量U为输出量。2.精确量的模糊化本设计中把误差变量的模糊子集论域定为[-66],误差变化的模糊子集论域也定为[-66],PWM占空比增量的模糊子集论域为[-77],在进行输入变量模糊化时，时间偏差e在其论域上定义7个模糊集隶属度函数，相应的语言变量为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，其隶属度函数为三角形。时间偏差化e在其论域上定义5个模糊集隶属度函数，相应的语言变量为负大(NB)、负小(NS)、零(O)、正小(PS)、正大(PB)，其隶属度函数为三角形。输出变量PWM占空比增量δ在其论域上定义7个模糊集隶属度函数，相应的语言变量为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，其隶属度函数为三角形。模糊变量E、Ec及U的隶属度函数赋值表如表6.1，表6.2，表6.3所示[12]：表6.1模糊变量E的隶属度函数赋值表表6.2模糊变量Ec的隶属度函数赋值表表6.3模糊变量U的隶属度函数赋值表3.模糊控制规则的确定确定了模糊控制器的输入变量和输出变量的模糊集、论域及隶属度函数之后,则需建立模糊控制规则。根据人的直觉思维推理,由系统输出的误差及误差变化率来消除系统误差的模糊规则可以用35条if—then模糊条件语句来描述。例如,从系统的响应看,如果误差E为PB,则需要给出正的控制量U。如果此时EC为值时,则说明误差较大且还有加大的趋势,则应该设置控制量U为PB;相反的如果EC为NS,说明误差有减小的趋势,所以无需加太大的控制量U,可以设置为PM;若EC为NM、NB,则说明误差有较快的减小趋势,则应该加更小的控制量U,甚至可以不加,如设置U为0。这样,针对E、EC的组合可以总结出类似的规则,如表6.4所示。通常情况下，模糊控制器一旦完成，语言规则和模糊推理就确定了。随意在设计模糊控制规则时要结合操作者的实际经验，不断对控制规则进行调整，知道控制结果满意为止。表6.4模糊控制规则表4.量化因子和比例因子的选择本设计中，经过Matlab仿真多次的调试，选定Ke=7.5，Kec=0.4，Ku=3.5根据式6.4，6.5，6.6，6.7，可得模糊控制器的误差范围是[-800,800]ms,误差变化的实际范围是[-1500，1500]ms，Pwm占空比的增量范围是[-24.5%,24.5%]。而本设计中电机选用3000转/min的小型直流电机，其转动的最慢速度的占空比在程序中几经给出为40%，相当于一转需要50ms。雨刮器从一端摆到另一端需要半个周期，为25ms，所以误差范围最大为[-25，25]ms，误差变化的最大范围是[-50，50]ms，Pwm增量范围是[-10.5%,10.5%],所以说明此量化因子和比例因子选择恰当，可以完全反应本设计的控制规律。5.模糊控制器的设计MATLAB，取自矩阵(Matrix)和实验室(Laboratory)两个英文单词的前三个字母，意即“矩阵实验室”。它是一种以矩阵作为基本数据单元的程序设计语言，提供了数据分析、算法实现与应用开发的交互式开发环境，经历了20多年的发展历程。本文采用MATLAB模糊逻辑工具箱设计模糊控制器。在MATLAB中键入命令FUZZY，进入模糊逻辑编辑窗口FISEditor，在输入e、ec，和输出u图标上双击，可以对输入和输出的隶属函数进行编辑，如：论域范围、隶属函数条数、隶属函数形状等。如附录中图A.1所示，本设计中取两个雨刷到达复位位置的时间偏差e的论域为[-6,+6]，有7个语言变量，三角形隶属度函数。如附录中图A.2所示，两个雨刷到达复位位置的时间偏差变化率ec的论域为[-6,+6]，有5个语言变量，三角形隶属度函数。如附录中图A.3所示，输出PWM脉宽调制信号占空比的增量u的论域为[-7,+7]，有7个语言变量，三角形隶属度函数。然后在RulesEditor窗口中输入控制雨刮同步的35条模糊控制规则，如附录中图A.4所示。这样模糊控制器就做好了，可以通过附录中图A.5,图A.6观察结果。模糊控制算法流程图模糊控制器的控制算法是由计算机的程序实现的。这种程序一般包括两个部分，一个是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算。另一个是计算机在模糊控制过程中在线计算输入变量（误差、误差变化），并将他们模糊化处理，查找查询表后再做输出处理的程序。图给出了单变量二维模糊控制器模糊查询表算法流程图。不难看出，这种控制算法程序简单，计算机易于实现。模糊控制算法流程图如图6.8所示：图6.8模糊控制算法流程图控制系统的仿真与分析近年来PWM技术的发展为电机的数字化控制提供了有利的支持，由其构成的数字控制系统可以很好地实现模拟控制，很难甚至无法实现的复杂控制算法。模糊控制是智能控制的一个重要分支，与常规PD控制相比具有无需建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点，同时对噪声也具有较强的抑制能力。但由于控制器本身没有积分环节，消除系统稳态误差的性能比较差，尤其在变量分级不够多的情况下，还可能会在平衡点附件产生小幅震荡。但是与PID控制比起来模糊控制器具有调节速度快，超调量小等特点。为了准确建立系统模型和进行仿真分析，在Matlab中提供了系统模型图形输入与仿真工具——Simulink。通常的工业过程可以等效成二阶系统，为了不失一般性，我们取作为智能雨刮器系统的模型[1]。在Matlab中键入命令Simulink，建立模糊控制系统Simulink模型如图6.9所示。基于实验中反复调试和量化因子及比例因子的选取规则，取Ke=7.5，Kec=0.4，Ku=3.5，仿真结果如图6.10所示。图6.9模糊控制系统模型了便于与PID控制效果相比较，我们也在Simulink中建立系统的PID控制模型。模型如图6.11所示，取Kp=2.5，Ki=1，Kd=0.2。仿真结果如图6.12所示：图6.10模糊控制系统仿真结果为比较智能雨刮系统的模糊控制仿真结果和PID控制仿真结果，可以看出模糊控制器具有调节速度快，超调量小等特点。在实验室运行，表现出良好的控制性能。用模糊控制器取代PID控制器可以提高控制精度，具有良好的动态性能。图6.11PID控制系统模型图6.12PID控制系统仿真结果总结该雨滴传感器安装在风挡玻璃上驾驶室一侧，通过改变雨量的大小，能使雨刮器自动工作在低速档或高速档。实验证明，该智能雨刮系统反应灵敏，输出信号延时可忽略，性能稳定，实现了雨量实时监测。本文在查阅了大量文献的基础上，结合实际应用问题，对智能雨刮系统进行了研究。目前的雨刮系统大多是机械连杆结构的，采用雨滴感应式的智能雨刮系统只是在少数高级轿车上有应用，因为目前使用的光电雨滴传感器大都是由国外厂商一统天下，因而，价格比较昂贵，很难普及。本文所研究的红外雨滴传感器及智能雨刮系统，由于成本低廉，性能稳定，可靠性高，易于在大客车和低档轿车上普及应用，有广泛的市场应用前景。关于红外雨滴传感器及模糊控制器的设计，还有一些特殊情况未在本文所研究之内，仍有待进一步研究。参考文献1.赵岩.基于模糊控制的汽车智能雨刮系统的研究〔D〕，北京：哈尔滨理工大学，2007.2.康华光，邹寿彬.电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，1987，8，347-373.3.孙在信，全志云，丁镇生.环境对555红外线发射系统的影响[J]，大连交通大学学报，2007，2：94-96.4.张国雄.测控电路[M]，北京：机械工业出版社，2006，91-118.5.赵岩，訾鸿.汽车雨滴传感器的设计[J]，佳木斯大学学报，2007，6：801-803.6.王为青，程国钢.单片机keilcx51应用开发技术[M]，北京：人民邮电出版社，2007，115-131.7.潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M]，北京：电子工业出版社，2003，135-142.8.邹庆超.多速雨刮器的控制电路[J]，北京汽车，1994，4：42-43.9.李全福，万彦辉，郭华.模糊PID控制算法在电动舵机控制中的应用[J]，微电机，2007，12：28-47.10.刘曙光，魏俊民.模糊控制技术[M]，北京：中国纺织出版社出版，2001，59-84.11.贾玉英，王臣.基于单片机控制的PWM直流调速系统[J]，包头钢铁学院报，2005，12：334-337.12.李勇，罗隆福，许加柱，李季.基于模糊控制的直流电机PWM调速系统[J]，大电机技术，2006，1：66-68.13.岑木峰.汽车雨刮器的改进[J]，湖北汽车工业学院报，2007，3：74-78.14.谢飞.基于微分平坦的双电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