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          模糊PID控制器在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

          作者: 時(shí)間:2016-12-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          0 引言

            傳統(tǒng)PID(比例、積分和微分)控制原理簡單,使用方便,適應(yīng)性強(qiáng),可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域。但是PID控制器也存在參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定過程,最優(yōu)參數(shù)選取比較麻煩的缺點(diǎn),對一些系統(tǒng)參數(shù)會(huì)變化的過程,PID控制就無法有效地對系統(tǒng)進(jìn)行在線控制。不能滿足在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)PID參數(shù)隨之發(fā)生相應(yīng)改變的要求,嚴(yán)重的影響了控制效果。本文介紹了基于車載伺服系統(tǒng)的模糊PID控制,它不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型,能夠在線實(shí)時(shí)修正參數(shù),使控制器適應(yīng)被控對象參數(shù)的任何變化。并對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明模糊PID控制使系統(tǒng)的性能得到了明顯的改善。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201612/328696.htm

          1 傳統(tǒng)PID與模糊PID的比較

            1.1 PID控制

            PID控制器問世至今憑借其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握、得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),采用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。它是根據(jù)被控過程的特性來確定PID控制器的參數(shù)大小。PID控制原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣,但PID控制器的參數(shù)整定是一件非常令人頭痛的事。合理的PID參數(shù)通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員在線整定。在控制對象有很大的時(shí)變性和非線性的情況下,一組整定好的PID參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。為此,引入了一套模糊PID控制算法。

            1.2 模糊PID控制

            所謂模糊PID控制器,即利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化,以達(dá)到較為理想的控制效果。模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個(gè)重要組成部分。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號,計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差e以及當(dāng)前的偏差變化ec,并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,最后對模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊,輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。

          2 車載天線伺服系統(tǒng)

            2.1 車載天線伺服系統(tǒng)的組成

            車載天線系統(tǒng)由兩部分組成:戶外設(shè)備和戶內(nèi)設(shè)備。戶外設(shè)備主要是天線伺服跟蹤系統(tǒng)(包括平臺(tái)、平臺(tái)伺服跟蹤系統(tǒng)、慣性傳感器、GPS、衛(wèi)星天線等);戶內(nèi)設(shè)備主要是控制器(包括各傳感器接口、數(shù)據(jù)采集、控制器、衛(wèi)星接收機(jī)等)和主控計(jì)算機(jī),兩者之間采用電纜連接,具有穩(wěn)定跟蹤和接收衛(wèi)星信號的兩大功能。

            本系統(tǒng)采用德州儀器推出的TMS320LF2407A,與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比有巨大的優(yōu)勢。只需外加較少的硬件即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤反饋轉(zhuǎn)子的速度和磁極位置及初始位置。車載天線伺服系統(tǒng)模糊PID控制框圖如圖1所示。


          圖1 車載天線伺服系統(tǒng)模糊PID控制框圖

            2.2 車載天線伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的確定

            若電機(jī)的負(fù)載為常數(shù)且只輸出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度,則得到直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)如式(1)。

            

            其中, ωa是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度,KV和Kt是由永磁體的磁通密度、轉(zhuǎn)子繞組的數(shù)目以及鐵芯的物理性質(zhì)決定的速度常數(shù)和力矩常數(shù), J是轉(zhuǎn)子和電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。B是整個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的阻尼常數(shù)。由電機(jī)特性與系統(tǒng)特性,得到電機(jī)各參數(shù)Ra; La;KV;Kt;J; 的值:把這些參數(shù)值代入式(1),得到電機(jī)的傳遞函數(shù)如式(2)所示:

            

            轉(zhuǎn)臺(tái)下部直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,其中1/10為蝸輪蝸桿的減速比。


          圖2 直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

          3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

            PID參數(shù)的模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd與e和ec之間的模糊關(guān)系,在運(yùn)行中通過不斷的監(jiān)測e和ec,根據(jù)模糊控制原理對三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線的整定。

            PID參數(shù)的設(shè)定是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉,參考測量值與設(shè)定值曲線,從而調(diào)整Kp、Ki和Kd的大小。模糊控制規(guī)則是用于修正PID參數(shù)的,模糊控制規(guī)則根據(jù)過程的階躍響應(yīng)情況來考慮求取。規(guī)則如下所示:

           ?。?) 預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;

            (2) 僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期﹔

           ?。?) 根據(jù)下面的具體規(guī)則修改PID控制器參數(shù),直至滿意為止。


            根據(jù)上面所述的模糊控制規(guī)則,采用如下的PID參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)則,如表1、表2、表3所示。

            表1 Kp規(guī)則調(diào)節(jié)表

            表2 KI規(guī)則調(diào)節(jié)表

            表3 Kd規(guī)則調(diào)節(jié)表

            PID三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則庫建立好以后,就可以根據(jù)模糊控制理論進(jìn)行參數(shù)的自調(diào)整。將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊上的論域:

            e,ec={-3,-2,-1,0,1,2,3}

            在模糊控制規(guī)律中,e和ec的語言變量值取“負(fù)大”(NB),“負(fù)中”(NM),“負(fù)小”(NS),“零”(ZO),“正小”(PS),“正中”(PM),“正大”(PB)共7個(gè)值。它們的隸屬度函數(shù)都是三角形,并且,每個(gè)值所取的范圍寬度相等。

          4 仿真結(jié)果

            為了驗(yàn)證PID模糊控制器的控制效果,用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真,根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,仿真框圖如圖3所示。


          圖3 車載天線伺服系統(tǒng)仿真框圖

            運(yùn)行仿真程序,得到如圖5所示的仿真結(jié)果。從圖中可以知道,在階躍響應(yīng)下,與傳統(tǒng)PID仿真圖4相比,該系統(tǒng)的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮小,超調(diào)量明顯減小,大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。


          圖4傳統(tǒng)PID動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線


          圖5模糊PID動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

          5 結(jié)束語

            本論文將模糊控制與SIMULINK相結(jié)合,對車載伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)比較合理的模糊PID控制器并且進(jìn)行MATLAB仿真。由于車載天線處于一個(gè)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境,導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)可能會(huì)根據(jù)環(huán)境變化。傳統(tǒng)的固定控制參數(shù)的控制策略沒有辦法滿足這樣的需求,而模糊自適應(yīng)控制卻恰好彌補(bǔ)這一缺陷。同時(shí)模糊自適應(yīng)控制還很好地解決了伺服系統(tǒng)本身自帶的由于慣量引起的誤差。軟硬件結(jié)合真正滿足了系統(tǒng)的快,準(zhǔn),穩(wěn)。為軍事上各種雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)提供了參考。



          關(guān)鍵詞: 模糊PID控制器伺服系

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