聯(lián)合收割機(jī)脫離滾筒的模糊控制研究

聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒的模糊控制研究專業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：目錄第一章緒論……………………21.1脫粒滾筒性能的研究狀況……………………21.2聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)控制與監(jiān)測的研究狀況……21.3研究內(nèi)容………………………3第二章聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒自動(dòng)控制系統(tǒng)概述……………42.1脫粒滾筒技術(shù)要求和性能指標(biāo)………………42.2脫粒滾筒性能影響因素………42.3工作原理………………………5第三章模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………53.1模糊控制系統(tǒng)的基本組成……………………63.2脫粒滾筒模糊控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………8第四章脫粒滾筒轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)……………134.1單片機(jī)與模糊控制……………144.2選擇單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制……………………154.3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)…………15第五章脫粒滾筒轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)……………165.1輸入輸出量的模糊化算法……………………185.2系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)…………19第六章結(jié)束語…………………20參考文獻(xiàn)……………20第一章緒論1．1脫粒滾筒性能的研究狀況脫粒裝置是聯(lián)合收獲機(jī)械的核心部件,脫粒裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)是以脫粒裝置的性能模型為基礎(chǔ)的"由于脫粒過程的復(fù)雜性!影響脫粒性能因素的多樣性!不確定性以及影響因素與脫粒性能之間的非線性性等,因而難以有效描述脫粒裝置的性能模型"目前研究脫粒裝置脫粒性能的方法有以下幾種：1.單因素試驗(yàn)法單因素試驗(yàn)法常常用于脫粒過程脫粒性能的研究中,也就是固定其它的影響因素,單片機(jī)模糊控制在脫粒滾筒自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用只變化其中一個(gè)因素,可以看出該因素對其性能的影響趨勢"該方法簡單!容易操作,但使用該方法只是對脫粒裝置性能與其影響因素進(jìn)行定性描述,難以確定各影響因素之間的主次關(guān)系以及其交互作用"。2.正交試驗(yàn)法正交試驗(yàn)法是多因素的優(yōu)選方法"由于脫粒過程中對脫粒性能的影響是多因素的,因而采用正交試驗(yàn)法可以從影響脫粒性能的多因素中以最少的試驗(yàn)次數(shù)選出，因素的主次關(guān)系"但該方法無法描述脫粒裝置性能與各影響因素之間的非線性關(guān)系。2聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)控制與監(jiān)測的研究狀況聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)控制的目的是在不超過脫粒裝置的額定喂入量和允許損失量的前提下,具有穩(wěn)定的最大前進(jìn)速度,從而使聯(lián)合收割機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)[6],即聯(lián)合收割機(jī)具有高的工作質(zhì)量和生產(chǎn)率;及早發(fā)現(xiàn)機(jī)器的故障并報(bào)警,或?qū)C(jī)器狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。我國的研究處于起步階段,至今還沒有性能穩(wěn)定功能完善的產(chǎn)品供應(yīng)市場,對聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒自動(dòng)控制和監(jiān)測的研究有:1.聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒的PID恒速控制"把PD控制規(guī)律應(yīng)用于聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒的恒速控制,就是設(shè)計(jì)PID控制器,對滾筒的角速度"和指令角速度""的差值"進(jìn)行比例!積分和微分變換,以確定指令行走速度的改變量vu,保持喂入量恒定,從而控制滾筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定"PD控制器的設(shè)計(jì)必須依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型,而脫粒滾筒系統(tǒng)是非線性系統(tǒng),要獲得其傳遞函數(shù)必須進(jìn)行線性化"這種控制方法是當(dāng)被控量超過設(shè)定極限值時(shí),系統(tǒng)才起調(diào)節(jié)作用,由于聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)存在大延時(shí),誤差變化難以及時(shí)掌握,往往使被控量在大范圍內(nèi)起伏變化,系統(tǒng)控制指標(biāo)產(chǎn)生振蕩,易于引起滾筒堵塞,而且監(jiān)測多采用機(jī)械方式,采用液壓系統(tǒng)和無極變速機(jī)構(gòu)也比較復(fù)雜,不便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。2.滾筒轉(zhuǎn)速智能控制仿真器設(shè)計(jì)"基于智能模糊控制技術(shù),采用simulikn和FuzyzLgociToolbox工具箱建立了聯(lián)合收割機(jī)智能控制仿真器"仿真器的設(shè)計(jì)就是將控制器!系統(tǒng)模型!輸入量量化環(huán)節(jié)以及輸出模糊量清晰化環(huán)節(jié)等,連接成一個(gè)能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字仿真的有機(jī)系統(tǒng)"用Matlba的simulikn控制系統(tǒng)圖形輸入仿真工具和FuzyzLgociToolbox工具箱建立的仿真器,仿真結(jié)果表明,脫粒系統(tǒng)負(fù)荷突然階躍增加時(shí),在模糊控制器的作用下,行走速度會(huì)相應(yīng)改變,保持滾筒的實(shí)際輸入量及其工作阻力為常數(shù),使?jié)L筒角速度穩(wěn)定在額定值附近,能夠達(dá)到預(yù)期的效果,為脫粒滾筒實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供了新的思路[9]"總之,國內(nèi)外在聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測與自動(dòng)控制方面取得了不少科研成果,但是對工作部件狀態(tài)的監(jiān)測研究的相對較多,對聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)控制的研究大多還停滯在機(jī)械或者液壓控制上,自動(dòng)化!智能化的聯(lián)合收割機(jī)研究很少,這也是今后的發(fā)展趨勢。3．研究內(nèi)容本文根據(jù)國內(nèi)外聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測和自動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合脫粒滾筒轉(zhuǎn)速檢測和自動(dòng)控制的已有技術(shù)，提出一種基于模糊控制技術(shù)，用單片機(jī)設(shè)計(jì)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)對脫粒滾筒轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制。研究內(nèi)容主要包括：1．聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒性能影響因素的研究分析;2．單片機(jī)和模糊控制技術(shù)的研究;3．脫粒滾筒自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方案的選擇以及系統(tǒng)輸入和輸出參數(shù)的確定;4．單片機(jī)模糊控制器的設(shè)計(jì);5．系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)第二章聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒自動(dòng)控制系統(tǒng)概述聯(lián)合收割機(jī)能在田間一次完成切割、脫粒、分離和清選等作業(yè)，以直接獲得清潔的谷粒，因而其生產(chǎn)率較高。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的不斷提高，聯(lián)合收割機(jī)在收獲作業(yè)中的比重必將逐步加大，我國80%的谷物也都采用聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)完成，在國外許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，其谷物收獲全部都是用聯(lián)合收割機(jī)完成的。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)等新型技術(shù)的不斷發(fā)展，許多聯(lián)合收割機(jī)都采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)和監(jiān)視裝置，對提高作業(yè)質(zhì)量和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度作用很大。2.1脫粒滾筒技術(shù)要求和性能指標(biāo)脫粒滾筒技術(shù)要求包括脫的干凈;谷粒破碎、暗傷盡可能少;分離性能好，這一點(diǎn)是聯(lián)合收割機(jī)向大生產(chǎn)率發(fā)展所特別提出的要求;通用性能好，能適應(yīng)多種作物以及多種要求;功率耗用低;某些情況下要求保持莖桿完整或盡可能減少破碎。2.2脫粒滾筒性能影響因素聯(lián)合收獲機(jī)械的脫粒過程極為復(fù)雜，影響脫粒性能的因素也多種多樣。除了作物品種、濕度、成熟度、谷草比以及作物生長狀態(tài)等一些不可控影響因素外，還有喂入量、滾筒速度、入口間隙、凹板長度等可控因素：1.滾筒堵塞原因:a)喂入量過大;b>作物莖稈過濕;c)轉(zhuǎn)速較低。排除方法:清理堵塞物，然后適當(dāng)減少喂入量并做到均勻喂入;檢查調(diào)整傳動(dòng)皮帶張緊度;對所脫作物進(jìn)行翻曬，曬干后再脫。2.脫不凈原因:a)喂入量過多;b>脫粒間隙過大;c)滾筒轉(zhuǎn)速低;d>作物莖稈纏草，纏草時(shí)應(yīng)立即清除。3.籽粒損失大原因:a)風(fēng)扇風(fēng)力大;b>篩孔開度小，分離差;c)喂入量過大，夾帶的籽粒多;d>篩面堵塞。排除方法:調(diào)整調(diào)風(fēng)板，減少進(jìn)風(fēng)量;將篩孔開度調(diào)大;適當(dāng)減小喂入量;若是篩面被堵塞，清除堵塞物即可。2.3工作原理為了便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒和行走機(jī)構(gòu)均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，給定一個(gè)滾筒轉(zhuǎn)速no，通過轉(zhuǎn)速傳感器測得脫粒滾筒轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)值n}把轉(zhuǎn)速偏差e=n-n。與轉(zhuǎn)速偏差變化率ec=de/dt作為輸入量，通過A/D轉(zhuǎn)換入單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過模糊化、模糊推理和反模糊化等過程輸出控制量U}電壓或頻率)去控制行走電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變喂入量，將滾筒負(fù)荷仁轉(zhuǎn)速)穩(wěn)定在額定值附近，達(dá)到使脫粒質(zhì)量最佳的目的，控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-30模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊邏輯控制F(uzzyLogicControl)簡稱模糊控制(FuzzyControl),是以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)"1965年美國的LAZdahe創(chuàng)立了模糊集合論;1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理"1974年,英國的EH.Mamdnai首先用模糊控制語句組成模糊控制器,并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的自動(dòng)控制,取得了比直接數(shù)字控制更好的控制效果"這一開拓性的工作標(biāo)志著人們采用模糊邏輯進(jìn)行工業(yè)控制的開始,從而宣告模糊控制的誕生。3.1模糊控制系統(tǒng)的基本組成模糊控制是一種新型的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制,其具有數(shù)字控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式"模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3一1所示.由圖3一1可見,模糊控制系統(tǒng)由以下四大部分組成：1.模糊控制器:它是整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要完成輸入量的模糊化!模糊推理過程和輸出量的反模糊化(精確化)處理等重要過程；2.輸入/輸出接口電路:該接口電路主要包括前向通道中A/D轉(zhuǎn)換電路以及后向通道中的DA/轉(zhuǎn)換電路等兩個(gè)信號轉(zhuǎn)換電路"A心轉(zhuǎn)換把傳感器檢測到的反映被控對象輸出量大小的模擬量轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接受的數(shù)字量,送給模糊控制器進(jìn)行運(yùn)算;D/A轉(zhuǎn)換把模糊控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成比例的模擬量,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；3.廣義對象:包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對象"常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁閥、電動(dòng)機(jī)等被控對象可以是線性或非線性的,定常或時(shí)變的,也可以是單變量或多變量的,有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有強(qiáng)干擾的多種情況"4.傳感器:傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量的輸出信號轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置"傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位,它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度"3．2模糊控制過程要實(shí)現(xiàn)語言控制的模糊邏輯控制器,就必須解決三個(gè)基本問題"第一是先通過傳感器把要監(jiān)測的物理量變成電量,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字量,精確輸入量輸入至模糊邏輯控制器后,首先要把這些精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù),這一步稱為精確量的模糊化"第二是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家制定出模糊規(guī)則,并進(jìn)行模糊邏輯推理,以得到一個(gè)模糊輸出集合即一個(gè)新的模糊隸屬函數(shù),這一步稱為模糊規(guī)則形成和推理"第三是根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù),用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為控制量,這一步稱為模糊輸出量的反模糊化=-,06,067]"模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)如圖3一2"1.精確輸入量的模糊化通?？刂瓶偸怯孟到y(tǒng)的實(shí)際輸出值與設(shè)定的期望值相比較,得到一個(gè)偏差值E,控制器根據(jù)這個(gè)偏差值來決定如何對系統(tǒng)加以調(diào)整控制"很多情況下還需要根據(jù)該偏差的變化率EC來進(jìn)行綜合判斷"無論是偏差還是偏差變化率,它們都是精確的輸入值,要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)"定義輸入量的隸屬函數(shù)可采用吊鐘形!梯形和三角形,理論上吊鐘形最為理想,但是為了簡化計(jì)算,現(xiàn)在常用的是三角形,其次是梯形"，為了實(shí)現(xiàn)模糊控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),通常把偏差和偏差變化率的變化范圍設(shè)定為+[6,一68區(qū)間連續(xù)變化量,使之離散化,構(gòu)成含13個(gè)整數(shù)元素的離散集合:{一6,一5,一4,一3,一2,一l,o,l,2,3,4,5,6}"再把在區(qū)間[+6,一6]上的量根據(jù)需要?jiǎng)澐殖扇舾傻燃?每個(gè)等級作為一個(gè)模糊變量,并對應(yīng)一個(gè)模糊子集合或者隸屬函數(shù)"習(xí)慣上可以分為八個(gè)等級：/正大0(pB),可取在+6附近;/正中0(pM),可取在+4附近;/正小,,(Ps),可取在+2附近;/正零0(PZ),可取在比零稍大一點(diǎn)的地方;/負(fù)零0(NZ),可取在比零少小一點(diǎn)的地方;/負(fù)小0(NS),可取在一2附近;/負(fù)中0(NM),可取在一4附近/負(fù)大0(NB),可取在一6附近"如果需要簡化,可以把/正零0和/負(fù)零0合并為/零0Z(O)取七個(gè)等級,還可以再去掉/正中0和/負(fù)中0取五個(gè)等級"例如定義輸入量的隸屬函數(shù)選取三角形隸屬函數(shù)(取五個(gè)等級)，如圖3-3。精確輸入量模糊化方法就是對論域中的每一個(gè)取值對不同的模糊語言集合或隸屬函數(shù)有不同的隸屬度。例如變換后的值是一5，它對“負(fù)大”的隸屬函數(shù)的隸屬度是0.6，對“負(fù)小”的隸屬函數(shù)的隸屬度是0.4，對其他隸屬函數(shù)的隸屬度都是0，諸如此類就完成了對精確輸入量的模糊化過程。輸出控制量模糊化和輸入量模糊化方法類似。2.模糊規(guī)則形成和推理模糊規(guī)則的形成是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家的控制知識和經(jīng)驗(yàn)制定出若干模糊控制規(guī)則，如果E和EC都分為五個(gè)等級的話，那么就可以形成25條規(guī)則?！叭绻鸄且B,那么CCIFAANDBTHENC”類型的推理規(guī)則是模糊控制器最常用的規(guī)則形式。例如有一條規(guī)則用語言表達(dá)為“如果滾筒轉(zhuǎn)速偏差為正大而且還有繼續(xù)增大的趨勢，那么聯(lián)合收割機(jī)就要減速”，這條規(guī)則就可以表達(dá)為“ifEisPBandECisPB,thenUisNB"oE和EC的模糊關(guān)系R表示為R二(ExEC)}U。如果現(xiàn)在輸入為E}和EC，根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，模糊控制器輸出的模糊控制量U*及其隸屬度為目前設(shè)計(jì)的模糊控制器基本上都是采用這種方式，即在模糊控制過程中，同時(shí)要把偏差和偏差的變化率作為模糊輸入量。這種方法不僅能保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，而且還可以減少超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象。3.輸出量的反模糊化通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合或者隸屬函數(shù)，但在實(shí)際使用中，特別是在模糊邏輯控制中，必須要用一個(gè)確定的值才能去控制伺服機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)相對最能代表這個(gè)模糊集合的單值的過程稱作反模糊化。反模糊化常用方法有三種：最大隸屬度函數(shù)法、重心法和加權(quán)平均法1)最大隸屬度函數(shù)法)取所有規(guī)則推理結(jié)果的模糊集合中隸屬度最大的那個(gè)元素作為輸出值,即u"二mxa從(u)u任U"最大優(yōu)缺點(diǎn)是:最大隸屬度函數(shù)法不考慮隸屬度函數(shù)的形狀,只關(guān)心其最大隸屬度值處的輸出值,丟掉許多信息,但計(jì)算簡單"2)重心法重心法就是取模糊集合隸屬函數(shù)曲線與基礎(chǔ)變量軸圍成面積的重心所對應(yīng)的基礎(chǔ)變量值作為確定值的方法,即取模糊集合隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸圍成面積的重心作為代表點(diǎn)"在輸出是離散值集合的情況下,控制作用可以用下式求得:3)加權(quán)平均法)系數(shù)加權(quán)平均法的輸出如下：這里權(quán)系數(shù)k,的選擇要根據(jù)實(shí)際情況而定,不同的系數(shù)決定著系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特性"在模糊控制中,可以通過選擇和調(diào)整權(quán)系數(shù)來改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性,這種方法更具靈活性"3.3脫粒滾筒模糊控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)1控制方案和輸入輸出參數(shù)的確定以軸流脫離滾筒為研究對象,它的功耗模型為：式((3-3)反映了滾筒運(yùn)行狀態(tài)的全部信息，其右邊3項(xiàng)分別表示滾筒的輸入功率、空轉(zhuǎn)功率和有用脫粒工作阻力。意味著滾筒的輸入功率與總的工作阻力相等，滾筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，聯(lián)合收割機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；表示由于喂入量增加或地表形貌惡化使總工作阻力大于發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大功率，滾筒處于減速運(yùn)行狀態(tài)；說明總工作阻力小于脫粒滾筒的額定負(fù)荷,機(jī)組沒有發(fā)揮最大生產(chǎn)能力,滾筒處于加速運(yùn)行狀態(tài)"忽略谷物在割臺(tái)上的傳輸特性時(shí),滾筒入口喂入量q可近似地表示為收割機(jī)割幅寬度H,考慮了割茬高度的田間作物密度p以及機(jī)組行走速度v之積,從而式(3一3)可轉(zhuǎn)化為:當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及谷物的脫粒特性確定后,影響滾筒角速度的因素主要有p和v,因而本研究的控制方案是:當(dāng)田間作物密度p突變引起滾筒角速度變化時(shí),控制機(jī)組的行走速度使?jié)L筒角速度始終穩(wěn)定在設(shè)定值附近"模糊控制器的輸入量為滾筒角速度偏差和其偏差變化率(滾筒角加速度),輸出量為聯(lián)合收割機(jī)行走速度(加在行走電機(jī)上的電壓)"2．脫粒滾筒模糊控制器設(shè)計(jì)通常模糊控制器是用微處理器組成硬件系統(tǒng),用軟件來實(shí)現(xiàn)模糊控制算法,這種模糊控制器的特點(diǎn)是資源開銷小，靈活性高，通用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)及控制要求,采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)模糊控制算法,控制器選用二維結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖3一4所示1.輸入輸出參數(shù)的模糊化在脫粒滾筒模糊控制器里,將滾筒角速度的額定值設(shè)為"",由轉(zhuǎn)速傳感器測得的滾筒角速度記為"()t,則偏差e和偏差的變化ec為:根據(jù)脫粒工作的實(shí)際工作情況,考慮到實(shí)際的檢測情況和控制精度,將滾筒角速度偏差的基本論域X定為卜15,+l58,單位為rda/s;角速度偏差變化的基本論域Y定為【5,+5】,單位為:ad/52"通過公式把變化范圍在=a,b]上的值轉(zhuǎn)換到卜6,+68之間并進(jìn)行離散化"設(shè)偏差e的論域量劃為13個(gè)等級:{一6,一5,一4,一3,一2,一l,o,l,2,3,4,5,6},其模糊子集E分為七個(gè)等級:{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},通常簡記為{NB,NM,N,s20,Ps,PM,PB}"同樣,偏差的變化ec的模糊子集EC分為七個(gè)等級,簡記為{NB,NM,Ns,20,Ps,PM,PB}"輸出量為加到電機(jī)上的電壓,用最大百分比表示,其模糊子集也記為{NB,NM,Ns,20,ps,pM,pB}"2.確定各模糊變量的賦值表模糊變量偏差E,偏差變化EC及控制量的模糊集和論域確定后,須對模糊語言變量確定隸屬函數(shù),即所謂對模糊變量賦值,就是確定論域內(nèi)元素對模糊語言變量的隸屬度,如:PBE一1.0/6+0.5/5"根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果,滾筒轉(zhuǎn)速偏差E!偏差變化EC及控制量U的隸屬函數(shù)賦值表分別如表3一1!表3一2!表3一3所示"第四章脫粒滾筒轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)與模糊控制單片機(jī)是一種十分特別的集成電路，它不但內(nèi)部含有控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器，還含有大量的接口部件。單片機(jī)用于執(zhí)行模糊控制有以下優(yōu)點(diǎn):1.可以接收數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量單片機(jī)的接口有普通的并行I/O口，故而接收數(shù)字量是輕而易舉的事;單片機(jī)的接口還有A/D轉(zhuǎn)換器，所以接收模擬量有良好的條件;單片機(jī)有定時(shí)器輸入口及通的I/O口，這些都可以用于接收開關(guān)量。2.可以輸出數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量，單片機(jī)的輸出接口有并行I/O口，輸出數(shù)字量十分方便;單片機(jī)中的D/A接口是模擬量輸出接口。開關(guān)量用I/O口輸出非常簡單易行。3.模糊化方便模糊化包括量化及隸屬函數(shù)的定義。在單片機(jī)中，用專門的算法可以描述隸屬函數(shù)，而用坐標(biāo)或者表格也可以表示隸屬函數(shù)。至于量化只是一個(gè)簡單的算法。用軟件執(zhí)行模糊化并不困難。4.反模糊化方便無論采用最大隸屬度法或者重心法，在單片機(jī)中只是一種算法，并且可以由專門的子程序執(zhí)行。4.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。它主要由傳感器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、8031構(gòu)成的模糊控制器、輸出控制電路、工況顯示及報(bào)警電路等幾部分組成。圖4一1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖傳感器電路主要完成脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的信號采集和信號放大功能,它將微小的電壓信號轉(zhuǎn)換成O一SV的電壓信號,以便送入A心轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換"傳感器的選擇也很重要"?；魻杺鞲衅饔苫魻栭_關(guān)集成電路和小磁鋼組成,小磁鋼固定在旋轉(zhuǎn)軸上,隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),霍爾開關(guān)集成電路固定在靠近對著磁鋼的機(jī)架上,旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)磁鋼一起轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)磁鋼接近一次霍爾開關(guān)集成電路時(shí),輸入感應(yīng)強(qiáng)度,產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號"由于這種傳感器是無觸點(diǎn)式的,因此使用壽命長,可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),體積小并具有安裝方便，價(jià)格低廉，輸出數(shù)字化等特點(diǎn),符合用單片機(jī)處理轉(zhuǎn)速信號的要求系統(tǒng)采用8031單片機(jī)對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理"該單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO和Tl"根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)的工作情況,采用測頻法對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行測量,用TO作為計(jì)數(shù)器，Tl作為定時(shí)器,實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)!處理和輸出"。4.3A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)換成與此模擬量成正比的數(shù)字量信號。目前單片機(jī)使用的A/D轉(zhuǎn)換電路多是以集成A/D芯片的形成出現(xiàn)的，轉(zhuǎn)換精度按芯片位數(shù)分為8位、10位、12位、16位等，8031單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換芯片是8位的ADC0809oD/A轉(zhuǎn)換器的作用是把數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成與此數(shù)字量成正比的模擬量信號，和A/D轉(zhuǎn)換器一樣，8031單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換芯片是集成的8位DAC0832oDAC0832是電流輸出，為了得到電壓輸出，在電流輸出端接運(yùn)算放大器OP07。4.4單片機(jī)模糊控制器8031組成的模糊控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它完成系統(tǒng)各種信息處理以及模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)。8031單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、4個(gè)I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。1.輸出控制電路輸出控制電路由DAC0832,OP07和變頻電路組成，如圖4-2oD/A轉(zhuǎn)換器把輸出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓，這是由DAC0832和運(yùn)算放大器OP07共同完成的。產(chǎn)生的模擬信號去控制變頻電路工作，變頻電路進(jìn)而控制行走電機(jī)工作。第五章脫粒滾筒轉(zhuǎn)速模糊控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對于數(shù)字單片機(jī)來說，進(jìn)行模糊推理必須用軟件實(shí)現(xiàn)。本文采用強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法設(shè)計(jì)模糊控制軟件，主要解決兩個(gè)問題:各論域的隸屬函數(shù)在內(nèi)存中的存放和特定輸入量隸屬度的求取;多條模糊推理規(guī)則在內(nèi)存中的存放和輸出量隸屬度的求取。強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法的實(shí)現(xiàn)包括3部分:輸入輸出量的模糊化，模糊推理和反模糊化。5.1輸入輸出量的模糊化算法強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法(極大一極小值推理)的模糊化過程分為三步。第一步是確定系統(tǒng)的輸入輸出變量論域，并在每一個(gè)論域中定義出相應(yīng)的隸屬函數(shù)，存放在數(shù)字單片機(jī)的ROM中;第二步是求取輸入變量的實(shí)時(shí)值;第三步是把輸入量的實(shí)時(shí)值和已定義的對應(yīng)的隸屬函數(shù)進(jìn)行比較組合，求出相應(yīng)的模糊輸入量。在確定了變量論域和隸屬函數(shù)之后，關(guān)鍵就是隸屬函數(shù)在數(shù)字單片機(jī)中的存放及其模糊化算法本文以三角形隸屬函數(shù)為例介紹模糊化算法，其形狀和算法描述如圖5-1。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免數(shù)字單片機(jī)的小數(shù)、負(fù)數(shù)計(jì)算，以方便編程，對于8位數(shù)字單片機(jī)，般將論域和其隸屬度坐標(biāo)值化為最大用一個(gè)字節(jié)表示，故用十進(jìn)制數(shù)表示為:0-255,若用十六進(jìn)制表示則為:$00}-$FF。這樣對于圖5-1所示的三角形隸屬函數(shù)A,B,C三點(diǎn)的坐標(biāo)分別轉(zhuǎn)化為:AC$60,$00),BC$80,$FF),CC$AO,$00)。三角形隸屬函數(shù)在數(shù)字單片機(jī)中可采用三點(diǎn)法和點(diǎn)斜率法來存儲(chǔ)。采用三點(diǎn)法存儲(chǔ)一個(gè)隸屬函數(shù)需要占用3個(gè)字節(jié)，兩個(gè)字節(jié)表示三角形的底點(diǎn)，一個(gè)表示其項(xiàng)點(diǎn)。如圖5-1中若將A,B,C三點(diǎn)的X軸坐標(biāo)用Xa,Xb,Xc表示，以此求一個(gè)特定輸入量x的隸屬度}Cx)時(shí)則需要考慮3種情況:若用圖5-1所示的三角形隸屬函數(shù)表示模糊量，只需將A,B,C三個(gè)點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值存放在單片機(jī)的內(nèi)存ROM中，就可以利用編程求得論域中某一特定的輸入量隸屬于該模糊量的隸屬度。由此可知，要存儲(chǔ)圖5-1中的隸屬函數(shù)時(shí)，只需要3個(gè)字節(jié)，用十六進(jìn)制表示為:C$60,$80,$A0。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為x=$85時(shí)，由于Xb<_x<Xc，故有圖5一2是脫粒滾筒轉(zhuǎn)速單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)的輸入語言變量e!ec和輸出語言變量u的論域及其隸屬函數(shù),兩端為半梯形,中間為三角形"坐標(biāo)下十六進(jìn)制數(shù)為經(jīng)過轉(zhuǎn)化的輸入語言變量e和ec隸屬函數(shù)的論域值(對應(yīng)為三角形的底點(diǎn)橫坐標(biāo))"虛線表示輸出量u的隸屬函數(shù),隸屬函數(shù)中心元素(對應(yīng)三角形頂點(diǎn)橫坐標(biāo))為其論域值"把圖5一2中的隸屬函數(shù)用三點(diǎn)法來存儲(chǔ)"由于存儲(chǔ)每個(gè)三角形隸屬函數(shù)需3個(gè)字節(jié),半梯形也需3個(gè)字節(jié),則存儲(chǔ)語言變量e和ec的隸屬函數(shù)各需要21個(gè)字節(jié)"對于輸出語言變量u,將隸屬函數(shù)中點(diǎn)的論域值稱為中心元素,并通常只取各中心元素的隸屬度作為有效值參與模糊化的逆運(yùn)算,且其隸屬度為1,因此存儲(chǔ)語言變量u時(shí)只需將各中心元素存放在內(nèi)存中,占用7個(gè)字節(jié)"可見,在編寫模糊控制軟件之前,必須在單片機(jī)內(nèi)存ROM中開辟一個(gè)49個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間存放各輸入輸出語言變量所定義的隸屬函數(shù),存放好隸屬函數(shù)和確定算法后就要求取輸入變量的實(shí)時(shí)值,即求系統(tǒng)偏差和偏差變化率的實(shí)時(shí)值"在單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)中,如果輸入量為模擬量則必須通過A/D轉(zhuǎn)換器來對輸入模擬量進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信息輸入單片機(jī)中(若單片機(jī)含有A/D轉(zhuǎn)換功能則不需要A/D轉(zhuǎn)換器)"單片機(jī)將輸入的滾筒角速度和給定目標(biāo)量進(jìn)行較得出系統(tǒng)偏差和偏差變化率的實(shí)時(shí)值為;其中:"w0"為給定目標(biāo)量,"()t為本次采樣值,(e)t!(et一)l分別為本次偏差值和上次偏差值"然后把輸入變量的實(shí)時(shí)值和已定義的隸屬函數(shù)進(jìn)行比較組合求取相應(yīng)的模糊輸入量"在模糊化時(shí)兩個(gè)輸入量的任何一個(gè)都會(huì)和該輸入量所定義的7個(gè)隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化處理,故可以產(chǎn)生14個(gè)模糊輸入量"但是最多只會(huì)有兩個(gè)隸屬函數(shù)和它產(chǎn)生交迭,即最多只對應(yīng)2個(gè)模糊輸入量大于零,其余為零"例如設(shè)輸入偏差經(jīng)過量化后的實(shí)時(shí)值e*為$3O,最后經(jīng)過模糊化后求得的對應(yīng)于