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（Pulse Width Modulation），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t1不变，只改变t2，这样周期T（或频率）也随之改变；（2）调宽调频法，保持t2不变，而改变 t1，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t1和t2。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Vmax，设占空比D=t1/T，则电机的平均速度Vd，Vd=Vmax*D，平均速度Vd与占空比D的函数曲线如图6.7所示。从图中可以看出，Vd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。
脉冲信号t1Tt2最大值Vmax平均值Vd转速最小值Vmin
图6.6 脉冲宽度调速系统原理图
电压（v）t1平均速度VdVmax时间（t）通电00.51占空比DTt2断电
图6.7平均速度与占空比关系
1.1.1 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。 1.1.2 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。
1．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[-6 6],误差变化的模糊子集论域也定为[-6 6],PWM占空比增量的模糊子集论域为[ -7 7], 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
UEE-600000-500000-40000-3O000-2000-10000001002030456PBPMPS0NSNMNB0.40.81.00.20.71.00.70.200000000000.10.81.00.50.1000000000.20.61.00.60.20000000.10.51.00.80.100000.20.71.00.70.21.00.80.400
表6.2 模糊变量Ec的隶属度函数赋值表
uECEC-6000-5000-4000-3O0-200-1000010203456PBPS0NSNB
0.10.40.81.00.10.40.71.00.70.40.1000000000 0.20.40.81.00.80.40.20000000.10.40.71.00.70.40.11.00.80.40.1000表6.3 模糊变量U的隶属度函数赋值表
uUU-7000000-600000-500000-40000-3O000-20000-100000010020304567PBPMPS0NSNMNB0.10.40.81.00000000.20.71.00.70.200000000000.41.00.80.40.10000000000000.51.00.50000.10.40.81.00.400000.20.71.00.70.2001.00.80.41.0 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
UENBNMNS0PSPMPBECNBNBNBNBNBNM00NSNMNMNMNM0PSPS0NMNMNS0PSPMPMPSNSNS0PMPMPMPMPB00PMPBPBPBPB
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FIS Editor，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Rules Editor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。
1.2 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：
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