1、神經(jīng)元自整調(diào)速電機成員：左俊杰、薛培康、屠陳濤 班級：13自動化卓越班 學(xué)號： 1300801301 一、實現(xiàn)功能1.可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及電機制動。2.利用神經(jīng)元自整定調(diào)速算法，速度范圍6003000 r/min 3.NOKIA5510顯示屏，顯示速度 二、設(shè)計方案1.系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)任務(wù)要求，我們設(shè)計出了以下系統(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，還可以對光電測速模塊傳回來的信號進行處理。除此之外它還有人機交互功能，我們通過鍵盤改變設(shè)定速度，在電機速度趨于穩(wěn)定后，我們可以在顯示屏上看到設(shè)定速度與當(dāng)前運行速度，方便快捷。圖1 系統(tǒng)方案框圖2、硬件設(shè)計2.1

2、控制器模塊 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受算法控制的PWM脈沖，并對電機當(dāng)前速度進行采集處理，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 電源電路 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電機需要12V電源，而單片機、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)的要求，其電路如圖2-1所示。圖2-1 電源電路2.3 功率放大驅(qū)動電路(外加光耦隔離) 單片機不能直接控制電機的轉(zhuǎn)動，我們需要一個功率放大驅(qū)動電路來起到橋梁的作用，經(jīng)過比較我們選擇了H橋

3、，此外我們這個驅(qū)動電路還加了一個光耦隔離。H橋性價比高，且對于直流電機調(diào)速非常簡單，而且該電路具有較強的驅(qū)動能力和保護功能，還能控制電機的轉(zhuǎn)動方向。電路如圖2-2所示。左端兩個輸入口接單片機輸入PWM脈沖控制H橋三極管的導(dǎo)通截止，PWM脈沖由單片機對應(yīng)端口輸出，其中有一個端口輸出PWM脈沖來控制電機的轉(zhuǎn)動方向。此外光耦隔離電路還能對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現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強。 圖2-2 功率放大驅(qū)動電路2.4 信號采集及處理單元本設(shè)計中采用對射式光電傳感器測量電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)管關(guān)斷，反之打開。可以制作一個遮光葉片如圖

4、2-3(b)所示，安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動時，光電開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號。當(dāng)葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈沖信號。 假設(shè)系統(tǒng)采用10個葉片，在一秒鐘的內(nèi)產(chǎn)生了100脈沖，則電機的轉(zhuǎn)速就為10r/s。 (a) 電路圖 (b) 轉(zhuǎn)盤 圖2-3 電路圖及轉(zhuǎn)盤2.4.1 轉(zhuǎn)速測量原理本設(shè)計采用頻率測量法。其測量原理為：在固定的測量時間內(nèi)，計取轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生的脈沖個數(shù)（即頻率），從而算出實際轉(zhuǎn)速。設(shè)固定的測量時間T（min），計數(shù)器計取的脈沖個數(shù)m1，假定脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)輸出p個脈沖，對應(yīng)被測轉(zhuǎn)速為n（r/min），就可算出實際轉(zhuǎn)速值n=60m1/pT。2.4.2 監(jiān)測裝置安裝此檢測裝置按照發(fā)動機上傳

5、感器的實際安裝位置進行安裝。如圖2-4所示，將信號盤固定在電動機轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。測量頭由光電轉(zhuǎn)速傳感器組成，而且測量頭兩端的距離與信號盤的距離相等。測量用器件封裝后，固定裝在貼近信號盤的位置，當(dāng)信號盤轉(zhuǎn)動時，光電元件即可輸出正負交替的周期性脈沖信號。信號盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)，等于其上的齒數(shù)。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉(zhuǎn)速的高低。該裝置的優(yōu)點是輸出信號的幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，而且可測轉(zhuǎn)速范圍大，一般為1r/s104 r/s以上，精確度高。2-4 轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置2.4.3 信號處理電路被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，變?yōu)殡娮琛㈦娏鳌㈦妷骸㈦姼械饶撤N電參數(shù)的變化值。為了進行信號

6、的分析、處理、顯示和記錄，須對信號作放大、運算、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)計了如圖2-5所示的中間變換電路。其中，R1、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，輸出低電平；當(dāng)通光孔被遮住時，輸出高電平。傳感器輸出脈沖如圖2-6所示。圖2-5 電機速度采集方案圖2-6 傳感器輸出脈沖波形2.5 硬件電路的總體框架及仿真3、軟件設(shè)計(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)計方法存在著局限性。它過分依賴于受控對象精確的數(shù)學(xué)模型，如果受控對象的精確數(shù)學(xué)模型不易得到時，傳統(tǒng)控制器設(shè)計就

7、變得很困難。因此，近年來學(xué)者們一直在探索可以不依賴于對象精確數(shù)學(xué)模型的控制器設(shè)計方法，智能控制理論的研究便是這方面的嘗試，控制實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。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展促進了非模型控制的發(fā)展。 在神經(jīng)元非模型控制方面，浙大王寧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)元的輸出可表示為： 式中，K0 為元的比例系數(shù)，xi(t)（i = 1, 2, , n）為元的輸入：i（t）是相應(yīng)于 xi(t)的權(quán)系數(shù)，由某種學(xué)習(xí)策略決定。一般認為神經(jīng)元通過修改其自身的突觸權(quán)值進行自組織。根據(jù) D. O. Hebb 提出的著名假設(shè)，可以得到以下

8、的學(xué)習(xí)規(guī)則：式中，d0為學(xué)習(xí)速率，pi（t）為學(xué)習(xí)策略。圖3-1為保證遞進式學(xué)習(xí)的收斂性，進行規(guī)范化后的控制學(xué)習(xí)算法為： 其中，K，d為待定參數(shù)。神經(jīng)元的輸入狀態(tài)為wi（t）(i=1,2,3,n).當(dāng)n=3時候3.2 控制過程的討論 基于上面的神經(jīng)元理論，下面設(shè)計基本的神經(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)過設(shè)計，通過神經(jīng)元算法對KP，KI，KD三個參數(shù)進行自整定，從而達到一個相對對KP值得最優(yōu)秀值。3.3 對結(jié)合到PID代碼的參數(shù)討論Ck(k+1)= Ck(k)+kp*(e0-e1)+ki*e0+kd*(e0-2*e1+e2);Kp(k+1)= Kp(k)+ *ck(k

9、)*e0*(e0+e0-e1); 這里對輸出的更新暫且不提，對Kp的更新進行分析。 首先是學(xué)習(xí)參數(shù)參數(shù)，為系統(tǒng)學(xué)習(xí)速度，ck（k）為反饋的輸出，e0為這一時刻的誤差，e1為上一時刻的誤差。(E0-e1)相當(dāng)于誤差積累量的偏導(dǎo)，加快反應(yīng)的速度。3.4 對學(xué)習(xí)參量的決定 考慮到KP的參數(shù)為e-1的位數(shù)，所以變化量最好為e-2的量級。并且要提前根據(jù)需要設(shè)定PID三個參數(shù)的大小，避免震蕩過大導(dǎo)致跑飛。 可以去Kp=1，ki=0.5kp，kd=0.6kp，這樣來設(shè)置。之后PID會自動穩(wěn)定到合適的值。用串口讀取就好。 4、總結(jié)這次做電機用到的知識書本上也沒有多少，我們通過上網(wǎng)查資料制定了一個確切可行的方案，然后我們先仿真了一下，能用之后我們才開始焊接，焊接過程中往往