基于ＤＳＰ的磁流變減振模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言?
　　
　　磁流變液是一種阻尼可控的智能材料,它由微米級(jí)的磁性顆粒與絕緣載液、穩(wěn)定劑混合而成。在無(wú)磁場(chǎng)作用下其流變特性為牛頓流動(dòng)，而在外加磁場(chǎng)的作用下, 磁流變液在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)從液態(tài)到固態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。當(dāng)外加磁場(chǎng)撤去時(shí),磁流變體又恢復(fù)到原來(lái)的液體狀態(tài),其響應(yīng)時(shí)間僅為幾毫秒,易于控制并且連續(xù)可控, 利用流變特性這一特性制作的磁流變減振器是一種典型的非線性系統(tǒng),具有高度的非線性、時(shí)滯性和不確定性,非線性特性是其影響工作的重要因素。在磁流變減振控制系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的控制方法對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行控制，控制效果有時(shí)難以滿足要求，模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)建模，大量文獻(xiàn)和工程應(yīng)用表明，模糊控制具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠較好的應(yīng)用于磁流變減振控制系統(tǒng)。?
　　本文設(shè)計(jì)一種基于DSP的磁流變減振模糊控制系統(tǒng)，以TMS320LF2407為控制系統(tǒng)核心，采用模糊控制策略，較好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的減振控制，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，適用性強(qiáng)。
　　
　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
　　
　　1.1 系統(tǒng)主控芯片TMS320LF2407?
　　TMS320LF2407 芯片是美國(guó)德州儀器公司開(kāi)發(fā)的 DSP 控制器 24x 系列的成員之一，是TMS320C2000 平臺(tái)下的一種定點(diǎn) DSP 芯片，具備以下特點(diǎn)：?
　　(1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，供電電壓僅為 3.3V，功耗低；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 33ns（30MHz）,實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)。?
　　(2)片內(nèi)有高達(dá)32K的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 1.5K 字的數(shù)據(jù)/程序 RAM，544 字雙口RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM。?
　　(3)兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)包括：兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器；8 個(gè) 16 位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500ns，可選擇由EVA或EVB來(lái)觸發(fā)的兩個(gè)8 通道輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器或一個(gè) 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器。?
　　(4)可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共 192 字空間；64K 字程序存儲(chǔ)器；64K 字 I/O 尋址空間。?
　　(5)高達(dá) 40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）。?
　　(6)5 個(gè)外部中斷，電源管理包括3 種低功耗模式，并且能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式，16位串行外設(shè)接口模塊。?
　　利用芯片的片內(nèi)外設(shè)及其優(yōu)點(diǎn)，以此芯片作為系統(tǒng)控制器的核心。
　　1.2 模糊控制技術(shù)?
　　模糊控制特別適用于存在參數(shù)時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型的建立困難很大，甚至于無(wú)法建模。模糊控制是通過(guò)模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，模糊控制器是對(duì)人腦所具有的模糊推理機(jī)能的模擬。它是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)，模擬人的思維方法，把人類(lèi)自然語(yǔ)言描述的控制策略改造成模糊控制規(guī)則，依據(jù)規(guī)則確定控制量。模糊控制基于模糊控制規(guī)則、經(jīng)推理后控制被控對(duì)象，魯棒性強(qiáng)。模糊推理控制在智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中已有較多的應(yīng)用。本文采用模糊推理策略，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)控制電流的輸出控制。模糊控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：
　　
　　
　　
　　2 硬件電路?
　　
　　本設(shè)計(jì)中，減振系統(tǒng)的垂直加速度和加速度變化率信號(hào)經(jīng)輸入電路處理后輸入DSP控制器，然后通過(guò)控制算法得到輸出量，最終控制器輸出的是脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)，經(jīng)功率放大后，通過(guò)調(diào)節(jié)主回路的導(dǎo)通時(shí)間輸出不同的電流，從而改變磁流變阻尼器的阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制作用。硬件電路主要包括信號(hào)輸入電路、TMS320LF2407控制器和PWM驅(qū)動(dòng)電路。?
　　系統(tǒng)就構(gòu)框圖如圖2：?

　　
　　
　　如圖所示，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)由加速度傳感器、信號(hào)輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DSP控制器、電流驅(qū)動(dòng)器、磁流變阻尼器以及減振平臺(tái)等部件組成。系統(tǒng)用加速度傳感器采集減振平臺(tái)垂直加速度，然后對(duì)采集的信息進(jìn)行分析、處理，并向執(zhí)行元件發(fā)出控制指令，最后產(chǎn)生動(dòng)作。?
　　在信號(hào)輸入電路中,模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片根據(jù)系統(tǒng)采樣率、ADC有效位數(shù)等要求，選用TI公司的16位標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口(SPI)芯片ADS8320和 MAXIM公司的MAX125。ADS8320與DSP串口連接，連接信號(hào)線DCLOCK、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)Dout和使能信號(hào)CS，MAX125的數(shù)據(jù)線直接和DSP相連。采用查詢模糊控制表實(shí)現(xiàn)模糊控制器的控制作用，通過(guò)事先的離線計(jì)算得到模糊控制器的查詢表，然后將查詢表存放到計(jì)算機(jī)中，在過(guò)程控制中，計(jì)算機(jī)直接根據(jù)采樣參數(shù)e和de，由查詢表行、列找到與之對(duì)應(yīng)的同樣以論域元素形式表現(xiàn)的模糊控制量變化u，再由反模糊化過(guò)程得到精確控制量，并以此控制輸出電流的大小。?
　　輸出電路芯片采用DAC7625，用電流驅(qū)動(dòng)器來(lái)轉(zhuǎn)換出磁流變阻尼器所需要的電流信號(hào)。?
　　先初始化比較單元，設(shè)置和載入比較控制寄存器、定時(shí)器。由EVB模塊的定時(shí)器3的周期中斷觸發(fā)PWM中斷，PWM中斷子程序主要完成調(diào)整比較寄存器的值以輸出不同占空比的PWM波形，然后開(kāi)A/D中斷。　

3 軟件設(shè)計(jì)?
　　
　　(1)主程序。?
　　系統(tǒng)主程序主要完成對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的初始化、調(diào)入模糊控制查詢表，其中初始化主要完成設(shè)置系統(tǒng)硬件及軟件所需的初始參數(shù)和初始的狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的各個(gè)模塊能正常工作。程序首先禁止所有中斷，以防止程序在系統(tǒng)未正確初始化的情況下調(diào)用了中斷服務(wù)子程序。初始化結(jié)束后將事先離線計(jì)算所得的模糊控制查詢表存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，供執(zhí)行控制算法時(shí)查表使用，模糊控制查詢表也可在程序開(kāi)始時(shí)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，最終輸出控制量。?
　　
　　(2)數(shù)據(jù)采集。?
　　先設(shè)置定時(shí)器控制器GPTCON、控制寄存器1、控制寄存器2，然后進(jìn)入A/D中斷服務(wù)子程序，由EVA模塊的定時(shí)器1的周期中斷觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。在 A/D中斷服務(wù)子程序中，首先讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將結(jié)果存放于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的指定區(qū)域，供模糊控制算法查表使用，然后執(zhí)行控制算法程序。?
　　(3)模糊控制規(guī)則表。?
　　由實(shí)驗(yàn)測(cè)試知，減振系統(tǒng)相對(duì)位移為[-5,5]cm,加速度值為[-4,4]m/s2，輸出磁流變阻尼器的工作電流取為[0,2]A。設(shè)定模糊系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)值的論域都為[-1,1]，對(duì)車(chē)身垂直方向加速度及其變化率、減振器的輸入電流進(jìn)行正則化處理，使其論域均為[-1,1]。?
　　設(shè)車(chē)身垂直方向加速度為A、垂直方向加速度變化率為ΔA、減振器輸入電流為I，正則化處理方法為：AP=K1AΔAP=K2ΔAPI=K0IP?
　　式中，K1、K2、K3為相應(yīng)的量化因子。?
　　對(duì)A、AP定義 7個(gè)模糊語(yǔ)言值：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，分別用 NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB表示，?
　　IP的7個(gè)模糊語(yǔ)言值為：零、小、小中、中、小大、中大、大，分別用 NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB表示。?
　　根據(jù)參考文獻(xiàn)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，得出響應(yīng)的控制策略，本文減振控制系統(tǒng)的控制規(guī)則共有49條，建立如表1所示的模糊控制狀態(tài)表。

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　　模糊推理的結(jié)果是模糊量，不能直接控制被控對(duì)象，需要將模糊量轉(zhuǎn)化為精確值。本文采用重心法實(shí)現(xiàn)去模糊化。?