自適應(yīng)模糊PID控制的太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)

摘要：針對太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)中應(yīng)用的傳統(tǒng)PID控制過程中的一些問題，本文通過對自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的分析，設(shè)計了雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制器，并在Simulink環(huán)境中建立方位角跟蹤傳動機構(gòu)仿真模型且完成仿真。仿真結(jié)果表明，太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制器較傳統(tǒng)PID控制器具有較強的穩(wěn)定性、適應(yīng)性與魯棒性，這在太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域具有重要的實用價值與應(yīng)用空間。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)模糊PID控制器；PID控制器；太陽光跟蹤伺服系統(tǒng)；Simulink仿真

太陽能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢已成為當(dāng)今國內(nèi)外最具有發(fā)展前景的新能源之一。光伏(PV)發(fā)電技術(shù)在國外已得到深入研究和推廣，我國在技術(shù)上也已基本成熟，并進入推廣應(yīng)用階段。高效采集太陽能作為太陽能光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前較多利用的是太陽能光感跟蹤方法。按照跟蹤自由度的多少，太陽能跟蹤伺服系統(tǒng)可分為兩類：單軸和雙軸。因雙軸跟蹤精度優(yōu)于單軸，現(xiàn)已被普遍采用。
文中以基于步進電機的雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)為研究對象，在文獻中提出的傳統(tǒng)PID控制器基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊控制理論，設(shè)計出自適應(yīng)模糊PID控制器，并在Simulink環(huán)境中建立方位角跟蹤傳動機構(gòu)仿真模型且完成仿真。

1 自適應(yīng)模糊PID控制策略分析
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于操作者經(jīng)驗不易精確描述，控制過程中各種信號量及評價指標(biāo)不易定量表示，傳統(tǒng)PID方法受到局限。運用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以此實現(xiàn)自適應(yīng)模糊PID控制。
PID控制器由比例系數(shù)(KP)、積分系數(shù)(KI)和微分系數(shù)(KD)組成，其實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值按比例、積分、微分函數(shù)關(guān)系進行運算，運算結(jié)果用于控制輸出，包括測量、比較和執(zhí)行3個部分。PID是一種有效而簡單的控制器，能夠在保證基本不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，很好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能?；究刂埔?guī)律可描述為：

模糊控制實質(zhì)上是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。它是在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現(xiàn)與操作者相同的控制。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)包括知識庫、模糊推理、輸入量模糊化、輸出量精確化四部分。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。
結(jié)合PID與模糊控制兩種算法的特征與優(yōu)勢，自適應(yīng)模糊PID典型控制系統(tǒng)主要包括參數(shù)可調(diào)PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PID控制部分實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，自適應(yīng)模糊控制部分以誤差和誤差變化率作為輸入。它根據(jù)不同時刻的輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)KP、KI和KD進行修改，以滿足控制器參數(shù)的不同要求，使被控對象具有良好的動態(tài)與靜態(tài)性能，從而提高對被控對象的控制效果。