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【摘 要】阐述了模糊控制PID算法的结构、控制算法以及在单片机直流电机控制系统上的应用。通过模糊控制来适应调节比例、积分、微分的作用，使单片机直流电机控制系统获得自适应性强、调节时间短的优势和较好的鲁棒性。
【关键词】模糊控制 PID 单片机 直流电机
【中图分类号】TP273.4;TM33 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）17-0230-02
引言
在直流电机的控制过程中往往具有不确定性和非线性，难以建立精确的数学模型，采用常规PID控制算法难以达到理想的控制效果。系统设计结合模糊控制算法，按模糊控制理论建立模糊控制规则并求出模糊控制表，根据提取到的直流电机采样信息查询模糊控制表来对电机进行速度与转向的控制。
1、直流电机控制系统
系统选用STC12C5A60S2作为主控芯片，用以完成对系统执行机构的控制、信息处理和直流电机的控制。在窗帘机的应用上面，直流减速电机可精确控制，又能弥补步进电机无电状态下不能转动的缺陷。采用L298N驱动直流电机，利用PWM调制与使能变换的方式可进行电机调速与变向。控制窗帘开合的过程中同时检测光电开关的状态，以确定当前窗帘/窗户的状态。通过对电机角速度的采样分析，利用单片机进行信息处理并优化控制。
2、PID控制
按偏差信号的比例、积分和微分进行控制的控制器称为PID控制器，其控制规律成为PID控制算法。如图1所示，给定值与输出值的偏差e（t）的比例、积分和微分线性组合，形成控制量u（t）的输出。
式中：u（t）-控制器的输出 Kp -控制器的比例系数。
Ti-控制器的积分时间常数。 Td-控制器的微分时间常数。
e（t）-控制器输入，给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。
PID控制器中的比例环节、积分环节、微分环节的参数都必须选取适当，否则也会使系统不稳定。（1）比例环节能迅速反映偏差从而减小偏差，控制作用强弱取决于Kp。Kp越大，则过渡过程越短，稳态误差也越小;但Kp越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。（2）积分环节：只要存在偏差，积分的控制作用就会不断积累，输出控制量以消除偏差。但积分作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。（3）微分环节：微分控制有助于减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但会使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间Td决定。Td越大，抑制e（t）变化的作用越强;Td越小，反抗e（t）变化的作用越弱。
PID控制系统的连续时间信号经过采样和整量化后，变成的数字量无论是积分还是微分都只能用数值计算去逼近。因此PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、差商代替微商，使 PID 算法离散化，将描述连续时间 PID算法的微分方程，变为描述离散时间 PID 算法的差分方程，即为数字PID 位置型控制算式。
其中Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。
PID控制在稳定性、响应速度、超调量和稳定精度方面都体现很好，其适应性强，适应各种控制对象。但参数的整定是PID控制的一个关键问题，动态特性不太理想;PID控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。当系统参数变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定。
3、模糊控制
模糊控制是以模擬集合论、模拟语言变量和模拟推理为基础的一种智能控制方法。它模拟人的思维推理过程，构造一种非线性控制，以满足复杂的、不确定的过程控制需要。
模糊控制器的控制规律由程序实现。首先根据采样值得到模糊控制器的输入量并进行量化处理;量化后的变量进行模糊化处理，得到模糊量;根据输入模糊控制量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（输出的模糊量）;对模糊输出量进行模糊化处理，得到控制量的精确量，并进行输出量化处理，得到实际控制量。
3.1模糊控制器的设计
模糊控制器的设计包括四个层面：模糊控制器输入输出量的确定、输入输出变量模糊集合和隶属函数的确定、模糊控制规则表、反模糊化处理求取输出控制量。
在模糊控制器中，模糊控制规则表是系统控制自整定最重要的环节。变量包括系统偏差e和偏差变化率ec、输出控制量u。根据系统输出的偏差及偏差变化率趋势来消除偏差，得到模糊控制规则。
通过模糊控制规则表的查询，反模糊化处理可求取精确的输出控制量。
3.2自适应模糊控制算法
模糊控制与PID控制结合构成模糊PID控制。PID控制的关键是参数的确定，自适应模糊控制算法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。先找出PID各个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于在单片机上实现。
根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响，可归纳出在不同的e和ec时，被控参数Kp、Ki和Kd的自整定要求，从而可得模糊控制规则的语言描述为：
不同的偏差e和偏差变化率ec，对PID控制器参数Kp，Ki，Kd的整定要求不同。
4、结论
自整定模糊PID控制器系统的响应速度迅速，调节精度提高，稳态性能好，而且没有超调和震荡。在单片机直流电机控制系统上的应用，减少了系统误差，使得系统控制更加精确，提高了系统的稳定性。
【关键词】模糊控制 PID 单片机 直流电机
【中图分类号】TP273.4;TM33 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）17-0230-02
引言
在直流电机的控制过程中往往具有不确定性和非线性，难以建立精确的数学模型，采用常规PID控制算法难以达到理想的控制效果。系统设计结合模糊控制算法，按模糊控制理论建立模糊控制规则并求出模糊控制表，根据提取到的直流电机采样信息查询模糊控制表来对电机进行速度与转向的控制。
1、直流电机控制系统
系统选用STC12C5A60S2作为主控芯片，用以完成对系统执行机构的控制、信息处理和直流电机的控制。在窗帘机的应用上面，直流减速电机可精确控制，又能弥补步进电机无电状态下不能转动的缺陷。采用L298N驱动直流电机，利用PWM调制与使能变换的方式可进行电机调速与变向。控制窗帘开合的过程中同时检测光电开关的状态，以确定当前窗帘/窗户的状态。通过对电机角速度的采样分析，利用单片机进行信息处理并优化控制。
2、PID控制
按偏差信号的比例、积分和微分进行控制的控制器称为PID控制器，其控制规律成为PID控制算法。如图1所示，给定值与输出值的偏差e（t）的比例、积分和微分线性组合，形成控制量u（t）的输出。
式中：u（t）-控制器的输出 Kp -控制器的比例系数。
Ti-控制器的积分时间常数。 Td-控制器的微分时间常数。
e（t）-控制器输入，给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。
PID控制器中的比例环节、积分环节、微分环节的参数都必须选取适当，否则也会使系统不稳定。（1）比例环节能迅速反映偏差从而减小偏差，控制作用强弱取决于Kp。Kp越大，则过渡过程越短，稳态误差也越小;但Kp越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。（2）积分环节：只要存在偏差，积分的控制作用就会不断积累，输出控制量以消除偏差。但积分作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。（3）微分环节：微分控制有助于减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但会使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间Td决定。Td越大，抑制e（t）变化的作用越强;Td越小，反抗e（t）变化的作用越弱。
PID控制系统的连续时间信号经过采样和整量化后，变成的数字量无论是积分还是微分都只能用数值计算去逼近。因此PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、差商代替微商，使 PID 算法离散化，将描述连续时间 PID算法的微分方程，变为描述离散时间 PID 算法的差分方程，即为数字PID 位置型控制算式。
其中Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。
PID控制在稳定性、响应速度、超调量和稳定精度方面都体现很好，其适应性强，适应各种控制对象。但参数的整定是PID控制的一个关键问题，动态特性不太理想;PID控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。当系统参数变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定。
3、模糊控制
模糊控制是以模擬集合论、模拟语言变量和模拟推理为基础的一种智能控制方法。它模拟人的思维推理过程，构造一种非线性控制，以满足复杂的、不确定的过程控制需要。
模糊控制器的控制规律由程序实现。首先根据采样值得到模糊控制器的输入量并进行量化处理;量化后的变量进行模糊化处理，得到模糊量;根据输入模糊控制量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（输出的模糊量）;对模糊输出量进行模糊化处理，得到控制量的精确量，并进行输出量化处理，得到实际控制量。
3.1模糊控制器的设计
模糊控制器的设计包括四个层面：模糊控制器输入输出量的确定、输入输出变量模糊集合和隶属函数的确定、模糊控制规则表、反模糊化处理求取输出控制量。
在模糊控制器中，模糊控制规则表是系统控制自整定最重要的环节。变量包括系统偏差e和偏差变化率ec、输出控制量u。根据系统输出的偏差及偏差变化率趋势来消除偏差，得到模糊控制规则。
通过模糊控制规则表的查询，反模糊化处理可求取精确的输出控制量。
3.2自适应模糊控制算法
模糊控制与PID控制结合构成模糊PID控制。PID控制的关键是参数的确定，自适应模糊控制算法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。先找出PID各个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于在单片机上实现。
根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响，可归纳出在不同的e和ec时，被控参数Kp、Ki和Kd的自整定要求，从而可得模糊控制规则的语言描述为：
不同的偏差e和偏差变化率ec，对PID控制器参数Kp，Ki，Kd的整定要求不同。
4、结论
自整定模糊PID控制器系统的响应速度迅速，调节精度提高，稳态性能好，而且没有超调和震荡。在单片机直流电机控制系统上的应用，减少了系统误差，使得系统控制更加精确，提高了系统的稳定性。