摘 要：為了更好地研究模糊PID控制在電機速度控制中的應用，利用MATLAB仿真軟件建立了一個仿真模型。并通過分別執(zhí)行P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制，得到了四種控制下的電機運行狀態(tài)。通過對仿真結(jié)果的比較，可以看出：在PID控制器中，比例部分的作用是使系統(tǒng)輸出趨向設定值；積分部分的作用是改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的性能，降低穩(wěn)態(tài)誤差；而微分部分的作用則體現(xiàn)在超調(diào)量的減小上。模糊控制又能使系統(tǒng)的性能總體上得到改善。

關鍵詞：計算機仿真；模糊PID；綜述

中圖分類號：TP113

為了更好地研究模糊PID控制在電機速度控制中的應用，利用MATLAB仿真軟件建立了一個仿真模型。并通過分別執(zhí)行P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制，對四種控制下的電機運行狀態(tài)進行仿真。希望通過對四種仿真結(jié)果比較和分析進一步掌握不同控制模式在電機速度控制中的應用和計算機仿真的建立與研究方法。

1 相關控制理論的簡述

比例、積分、微分控制器基本控制過程就是根據(jù)實際運行時出現(xiàn)的誤差，并和標準值之間進行比例、微分、積分運算，最后用計算得到的結(jié)果控制系統(tǒng)狀態(tài)。模糊控制是建立在模糊數(shù)學基礎上的一種過程控制方式，與傳統(tǒng)的控制方式的不同之處在于不需要為控制對象建立精確的數(shù)學模型。

在傳統(tǒng)的PID控制中當系統(tǒng)的誤差較大和較小時或者誤差的變化率較大或較小時其實對于比例、積分和微分三個參數(shù)的要求是略有不同的。比例的系數(shù)在系統(tǒng)變化的初期可以大一點，因為可以加快系統(tǒng)的響應速度，但是在后期時就不適宜太大，如果太大就會增加超調(diào)量。積分的系數(shù)相反，在初期時不適宜設置太大，而在接近穩(wěn)態(tài)的時候可以適當?shù)卦龃笠稽c。微分的系數(shù)由于反映了系統(tǒng)誤差的變化情況，所以對于較好的系統(tǒng)其大小也需要適當?shù)恼{(diào)節(jié)。為了很好地解決這一問題我們可以將三個參數(shù)的大小采用模糊控制的方式進行調(diào)節(jié)從而得到了模糊自整定PID控制器。

2 在MATLAB中建立模型

在設計的仿真模型中，隨機選取了MATLAB的SIMULINK庫中的第4種交流永磁同步電機作為模型中的控制對象。先期的PID的基本參數(shù)是通過試湊法做的，最終選取的比例系數(shù)為5，積分系數(shù)為30，微分系數(shù)為0.0006。對三個參數(shù)進行整定的方法是在基礎數(shù)值的基礎上按照一定的比例進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量的大小根據(jù)設置的模糊規(guī)則進行推理。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

在對系統(tǒng)進行仿真時共對四種控制方式分別進行仿真，即P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制。以便比較不同控制效果。根據(jù)實際運行情況，最終選取0～0.9s作為仿真的記錄時間。為了能更好地反映系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)運行的初始時設置的負載轉(zhuǎn)矩為0.1N·m，在0.4s的時候?qū)⑾到y(tǒng)的負載專業(yè)改變?yōu)?0N·m。電機的設定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分。

3.1 首先對P控制下的系統(tǒng)進行仿真（圖略）

通過仿真結(jié)果可以得到：主要的缺點在于起始階段系統(tǒng)出現(xiàn)了比較大的超調(diào)最大為每分鐘318轉(zhuǎn)，穩(wěn)定前有多次振蕩。負載轉(zhuǎn)矩后，電機的轉(zhuǎn)速一直沒能達到設定的每分鐘300轉(zhuǎn)，僅為每分鐘296轉(zhuǎn)。

3.2 對PI控制進行仿真（圖略）

在PI控制的下，最大超調(diào)量達到了每分鐘320轉(zhuǎn)。不過在增加負載轉(zhuǎn)矩后電機的轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在設定轉(zhuǎn)速每分鐘300轉(zhuǎn)上下。

3.3 PID控制下的系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看到，在PID控制下電機轉(zhuǎn)速的超調(diào)量明顯降低，降為約每分鐘312.6轉(zhuǎn)，而且沒有了振蕩現(xiàn)象。不過在負載轉(zhuǎn)矩增加后僅僅是最低轉(zhuǎn)速變?yōu)槊糠昼?91轉(zhuǎn)略微好點。

3.4 模糊參數(shù)自整定PID仿真結(jié)果

將模糊PID的仿真結(jié)果和之前的仿真結(jié)果比較可以得到：在初始階段，電機轉(zhuǎn)速的超調(diào)量較低不少，將為約每分鐘304轉(zhuǎn)明顯改善，第1次到達穩(wěn)態(tài)時的時間提高到0.05s左右。增加負載轉(zhuǎn)矩后最低的轉(zhuǎn)速為每分鐘292.2轉(zhuǎn)，比之前有所提高，第2次到達穩(wěn)態(tài)的時間有所提前，在0.6s左右。而電機到達最終的穩(wěn)態(tài)后，4個系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)速都有一定的波動，按順序分別為每分鐘1.2轉(zhuǎn)、1.2轉(zhuǎn)、1轉(zhuǎn)和0.5轉(zhuǎn)。可見模糊PID在這方面的控制效果也是最好的。

4 總結(jié)

通過仿真模型的建立，熟悉了借助計算機仿真軟件建立工程模型研究實際問題的方法。通過對4個仿真結(jié)果的比較，進一步了解了控制器中各個控制參數(shù)的作用：P參數(shù)的作用是使系統(tǒng)總體上到達設定狀態(tài)，I參數(shù)的作用是消除系統(tǒng)在到達穩(wěn)態(tài)時的誤差，D參數(shù)的作用主要表現(xiàn)在有效減小系統(tǒng)的超調(diào)量。而在引入模糊控制之后通過對3個參數(shù)的實時整定，使得系統(tǒng)的性能進一步得到提高。

參考文獻：

[1]耿瑞.基于MATLAB的自適應模糊PID控制系統(tǒng)計算機仿真[J].信息技術，2007，1：43-46.

[2]王述彥.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機械科學與技術，2011，1，30（1）：165-172.

[3]唐聞新.基于模糊控制的永磁同步電機速度控制系統(tǒng)設計[D].合肥工業(yè)大學，2011.

作者簡介：唐聞新，男，安徽合肥人，實驗師，碩士學位。

作者單位：安徽中醫(yī)藥大學，合肥 230031

基金項目：安徽中醫(yī)藥大學校級質(zhì)量工程項目（Zlgc201203）。