嵌入式电机系统中智能控制算法的设计与实现
摘要
随着社会的日益发展社会的现代化进程逐渐加步，在我们身边随处可见智能化的产品，可是传统的电控式电机对于现代生产生活显得过于落后和笨重，然而电机却在生产生活中扮演着至关重要的角色。所以实现电机的智能化控制显得十分急迫，因此本系统利用日益成熟的嵌入式技术与WINFORM程序开发相结合实现了对电机的简单智能控制。
对于电机智能控制系统来说，其核心问题是实现对电机的智能化控制，数据结构的设计，客户端与服务端的通讯以及系统与单片机的通讯。本系统利用嵌入式技术通过对51单片机的端口控制，键盘，LCD，串口通讯等模块的整合实现电机的控制，并在WINFORM程序上实现对单片机的智能控制，再通过串口通讯实现单片机与WINFORM程序的通讯与控制。
实验证明该系统具有操作简单，人机交互功能强大等优点。
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关键字:51单片机WINFORM智能控制
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的选题背景 1
1.2 课题研究的目的和意义 1
1.3 课题研究的现状分析 2
1.4 系统要实现的目标 4
2. 系统技术背景 5
2.1 C#WINFORM概述 5
2.2 系统组成 6
2.2.1 单片机控制模块 6
2.2.2 服务端控制模块 7
2.2.3 客户端控制模块 7
2.3 线程概述 7
3. 系统数据结构分析与说明 10
3.1 数据结构设计原则 10
3.1.1 该系统设计中数据结构体的考虑因素 10
3.2 数据结构分析 10
4. 智能算法的研究与分析 13
4.1 PID的原理 14
4.2 电机控制中的PID算法 14
5. 系统设计 16
5.1 电机信息界面 19
5.2 设置解决方案 21
5.3设置控制命令 22
5.4 修改控制命令 24
5.5 实时控制界面 26
5.6 自动化控制 26
5.7 文件操作 27
5.8 客户端模块 30
5.9 通讯模块 31
6. 论文工作总结 36
6.1 论文工作总结 36
参考文献 37
致 谢 38
1. 绪论
随着嵌入式技术以及芯片技术的日益发展，智能化芯片在消费电子、通信终端、大型应用包括系统设备、工业控制、航空航天等方面发挥着巨大作用[1]。现在，全球每年生产数百亿颗微处理芯片，主要用于各类嵌入式操作系统中，还有大部分用于移动设备。而芯片的价格却变得越来越便宜，成熟的嵌入式技术 低廉芯片的价格使得电机的智能化控制变得有可能[2-3]。
1.1 课题研究的选题背景
在如今的社会里电机当着越来越重要的角色，在生产生活中处处可见电机的身影，虽然电机在生产生活中扮演着如此重要的角色但是有些电机的控制还停留在原始的控制上即通电运转停电即停止，有的电机还需要操作人员实时地去控制检测，这样大大的消耗了人力，也降低了生产效率。随着计算机技术的发展使得越来越多的机械电子产品实现智能化，而电机的智能化控制也变的越来越急迫。电机的智能化控制可以为用户提供一些更加智能的操作如用户可以根据自己的自身需求来定时开启电机定时关闭电机，实时的监控，调节电机的运转速度与方向，该系统为用户提供可视化的系统管理界面可以方便用户直观的了解电机的运作状况可以方便用户做出真确操作使得电机具有高效率，可视化，人性化，智能化等特点。
1.2 课题研究的目的和意义
本系统利用嵌入式技术与WINFORM程序开发技术相结合，因此课题的意义在于实现如下要求：
1）先进性与适用性。
本系统通过对嵌入式技术与WINFORM程序开发技术的结合，利用socket通讯，线程，数据结构，串口通讯，单片机方面相应模块包括：端口控制，键盘，定时器，蜂鸣器等实现了电机的智能控制体现了较高的软件开发水平。本系统具有图形化操作界面可以方便操作与监测，充分满足用户需求。
2）经济性与实用性
单片机是现代电子计算机技术技术采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器（CPU），随机存储器（RAM），只读存储器（ROM），多种I/O口和中断系统，定时器/计时器等功能模块集合在一起的在某种意义上是一种微型计算机系统的芯片，在工业控制领域广泛应用[4-6]。而随着工艺技术的发展，全球每年生产数百亿颗微处理芯片这些芯片大多应用与工业生产，而芯片的价格也在逐渐降低。
本系统在设计初始充分地考虑到用户的实际需求，嵌入式技术的发展现状以及系统未来的经济实用性，在对是市场上多种单片机进行比较后采用51单片机，该单片机价格便宜功能强大且技术十分成熟，通过WINFORM程序与嵌入式技术的结合实现电机的智能化控制，这样大大地降低人力的消耗提高了工作效率，实现了功能强大，性能稳定，价格低廉等特性。
3）可靠性与一致性
系统的设计应具有较高的可靠性，利用SQL2005实现对操作人员进行验证，当操作人员需对电机控制时需要进行身份认证，只有通过身份认证的即合法操作人员才可进行操作提高了安全性，同时本系统将电机控制与智能化控制分离开来，操作人员无需对电机直接进行操作只需在客户端进行操作，并通过串口通讯将控制命令发送给单片机，再通过单片机中的控制程序实现对电机的控制，这样的模块分离分层操作的好处在于操作人员不直接接触电机对其进行控制，而是通过WINFORM程序与单片机作为中介进行控制避免了操作人员的非法性操作对电机造成不必要的损失。本系统通过功能模块分离，分层操作，身份认证的设计方式使本系统具有可靠性安全性。
4）可扩充性
系统设计考虑了以后在多平台的扩展，本系统在设计初始为软件通讯设计出一个信息格式，并且在客户端和服务端通讯时严格限定了通讯信息格式，并利用socket通讯来实现客户端与服务端的通讯。日后随着技术的发展用户需要在不同平台实现对电机的控制，只需通过发送真确格式的命令给服务端程序，服务端程序就可以自动执行命令。通过对命令格式的严格化限制并利用socket通讯即可实现多平台的扩充。
1.3 课题研究的现状分析
电机作为工业生产的重要环节，它在工业生产中发挥着巨大作用，使电机智能化控制可以大大地提高生产效率。国内外对于电机的智能化控制也做了很多的研究，电机的智能化控制研究也取得了许多卓有成效的成果。
1. 随着单片机芯片的飞速发展越来越多的单片机运用到嵌入式系统中，利用单片机来控制电机的研究也取得许多重大的成果，但利用单片机控制电机应为侧重点的不同使得研究方向也是百花齐放，它的发展方向主要有：
（1）现今社会电力电子、微电子、计算机等技术得到了快速的发展，在这些方面取得很多的成果。随着技术的发展使得数字处理器的运算能力得到了大大的加强，一些数字处理器使得曾经十分复杂的运算变得容易实现。除此之外强大的数字处理器使得一些复杂控制算法逐步得到可以变成实际应用的机会，电机控制得到性能提高[8]。
（2）许多电机需要较高的动静态性能及鲁棒性，这对电机控制系统提出了较高的要求，寻找出一个新型的控制方法或者对现有的控制方法进行修改来达到使得电机控制系统具有较高的动静态性能及鲁棒性变得十分急切。
（3）虽然国内外在单片机控制电机方面的研究取得了许多重大成就，但是研究方向却各有不同，而不同的控制方法各有优缺点，可以通过研究不同控制方法的优缺点取长补短，优势互补，互相融合，这样就可以克服一些单一控制方法所存在的缺点，这样就可以使得单片机控制方法变得更加完善。
（4）许多电机控制系统都需要通过计算电机运转速度来判定电机的运转状况，而由于速度传感器的技术还不完善，在电机上安装速度传感器会产生许多问题，这也使得了电机控制系统的安全性和稳定性得到了大大的降低。随着技术的发展现代科技可以通过测量一下其他信号来测算出电机的运算速度，并且高性能的无速度传感器的电机控制方法也变成电机控制的一大研究热点。
（5）许多高性能的电机对运转的环境有着极为苛刻的要求，一些工作环境的细微变化都有可能使得电机的定，转子等重要参数会发生巨大的变化，这回严重影响电机的运转。因此对此类电机的一些重要参数进行精确的实时辨识变得十分的重要，借此来降低参数的变化对电机的运转产生的影响。目前随着电机智能算法的研究日益深入业内已经提出了一些对电机参数的辨识的智能算法如递推最小二乘法、模型参考自适应法、扩展Kalman 滤波法、神经网络和遗传算法等多种辨识方法。
（6）现今社会人们的环保意识的逐渐增强，人们对于电磁辐射的危害也越加的关注，一些电机产生的高次谐波对电网会带来严重的污染，一些大型电机在运行的时候会产生巨大的噪声，这造成了严重的环境污染。因此人们迫切急待希望找出一个能够降低电机噪声以及电磁污染的可行的方案。绿色变频调速器也应运而生，人们希望通过绿色变频调速器来解决这个问题。[12]。
原文链接：http://www.jxszl.com/jsj/jsjkxyjs/2265.html
