鄒存名　等

摘要：文章針對(duì)小型直流電機(jī)耐久性能測(cè)試中需要快速、準(zhǔn)確地控制電機(jī)達(dá)到某一工作點(diǎn)的問(wèn)題，提出采用模糊PID控制器進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)電機(jī)以較短時(shí)間運(yùn)行到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)處且超調(diào)量較小。與常規(guī)PID控制器進(jìn)行比較，模糊PID控制器控制效果更好，調(diào)整時(shí)間短，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：耐久試驗(yàn)系統(tǒng)；模糊PID控制技術(shù)；小型直流電機(jī)；電機(jī)轉(zhuǎn)矩；PID參數(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP273 文章編號(hào)：1009-2374（2015）19-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.030

汽車座椅所用的電機(jī)對(duì)其參數(shù)及性能穩(wěn)定性要求非常高，因此在電機(jī)出廠前需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)試，這些測(cè)試主要是為了測(cè)出電機(jī)的一些極限參數(shù)，這些參數(shù)主要包括電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)在該轉(zhuǎn)矩下，電機(jī)所消耗功率及電機(jī)在該轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。這樣所得到的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)形成的電機(jī)特性曲線才能更完整地反映電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)。針對(duì)電機(jī)的市場(chǎng)需求，電機(jī)耐久試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有測(cè)試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及該轉(zhuǎn)矩下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和功率消耗參數(shù)外，而且系統(tǒng)滿足了實(shí)時(shí)性和快速性的需求，能夠很快到達(dá)預(yù)定工作點(diǎn)。

傳統(tǒng)的PID控制對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏差的情況很難達(dá)到預(yù)設(shè)工作點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)超調(diào)和響應(yīng)速度慢等問(wèn)題。

為了更好地測(cè)試電機(jī)的運(yùn)行性能，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到預(yù)定工作點(diǎn)的時(shí)間盡量短，以避免電機(jī)沒(méi)在工作點(diǎn)時(shí)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而過(guò)熱，使電機(jī)不能準(zhǔn)確測(cè)出電機(jī)的具體運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)也避免了超調(diào)或工作點(diǎn)來(lái)回?cái)[動(dòng)的現(xiàn)象。而模糊控制針對(duì)大偏差系統(tǒng)有較快的調(diào)節(jié)作用，PID控制可以在小偏差范圍內(nèi)得到較理想的性能效果?；谏鲜隹紤]，本文提出采用模糊PID控制技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到電機(jī)耐久測(cè)試系統(tǒng)中，獲得了良好的控制效果。

1 模糊PID控制系統(tǒng)的基本原理

對(duì)于時(shí)變的復(fù)雜控制系統(tǒng)和無(wú)法建立模型的控制系統(tǒng)，常規(guī)PID控制效果比較差，其PID參數(shù)確定就更加困難，很難達(dá)到預(yù)期效果；而模糊控制系統(tǒng)對(duì)小誤差特別是穩(wěn)態(tài)誤差的處理是很困難的，經(jīng)常在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近有小范圍振蕩現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)需求控制精準(zhǔn)度較高的場(chǎng)合很難實(shí)現(xiàn)。綜上所述，如果將兩種方法結(jié)合使用，兼有兩者優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成了模糊PID控制器。

本文采用模糊自整定技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行整定，其主要原理如圖1所示：

圖1 常規(guī)PID參數(shù)模糊自整定框圖

利用模糊控制技術(shù)，建立PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率de之間的關(guān)系的規(guī)則庫(kù)，先將PID控制中的參數(shù)模糊化，再進(jìn)行模糊推理，清晰化，從而使控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化的整定。其主要的實(shí)現(xiàn)原理是實(shí)時(shí)檢測(cè)PID控制系統(tǒng)運(yùn)行中de和e，再通過(guò)規(guī)則庫(kù)對(duì)來(lái)對(duì)PID各個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，從而滿足系統(tǒng)的復(fù)雜控制要求，使被控對(duì)象具有很好的動(dòng)態(tài)性能，且計(jì)算量小。

2 模糊PID控制器在電機(jī)耐久測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

電機(jī)耐久試驗(yàn)系統(tǒng)的上位機(jī)主要是由工控機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)主要是由直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源（0～30V、0～100A）、AD調(diào)理卡、FV轉(zhuǎn)換器組成，如圖2所示：

圖2 測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

該系統(tǒng)通過(guò)力矩、速度傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度送至直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源后，進(jìn)行濾波、放大、隔離及A/D轉(zhuǎn)換等處理后送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過(guò)模糊控制技術(shù)整定處理數(shù)字控制信號(hào)，再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將處理后的數(shù)字信號(hào)送到控制電路中，調(diào)整電機(jī)的勵(lì)磁電流從而改變電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)達(dá)到預(yù)定工作點(diǎn)的控制。

下面以轉(zhuǎn)矩為例，說(shuō)明系統(tǒng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)流程。

2.1 模糊控制器的模糊化過(guò)程設(shè)計(jì)

量化輸入轉(zhuǎn)矩偏差e的論域?yàn)閇-12，+12]，e的模糊子集定義為集：{PB，PM，PS，PZ，ZE，NZ，NS，NM，NB}。

為了實(shí)現(xiàn)模糊控制器輸入轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)控制，在預(yù)定運(yùn)行轉(zhuǎn)矩點(diǎn)應(yīng)具有較高分辨率。根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，選用隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示：

圖3 輸入轉(zhuǎn)矩偏差隸屬度函數(shù)曲線圖

量化輸入轉(zhuǎn)矩偏差變化率△e的論域?yàn)閇-7，+7]。△e的模糊子集定義為集：{PB，PM，PS，ZE，NS，NM，NB}。選用隸屬度函數(shù)曲線如圖4所示：

圖4 轉(zhuǎn)矩偏差變量△e隸屬度函數(shù)賦值曲線

量化轉(zhuǎn)矩輸出變量△u的論域?yàn)閇-12，+12]?！鱱的模糊子集定義為集：{PB，PM，PS，PZ，ZE，NZ，NS，NM，NB}。根據(jù)轉(zhuǎn)矩偏差變化量△u，選用隸屬度函數(shù)曲線如圖5所示：

圖5 模糊控制器△u隸屬度函數(shù)曲線圖

綜上所述，利用以上3種模糊規(guī)則曲線方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸入量和系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出量的模糊化過(guò)程。

2.2 模糊清晰化過(guò)程設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)控制精度要求，系統(tǒng)采用兩維矩陣輸入和一維矩陣輸出。由模糊關(guān)系原理，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸入偏差為NB，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出控制變化量為ZE，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸入偏差變化量為PB時(shí)。

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，可以定義實(shí)際模糊控制關(guān)系表如表1所示：

表1 模糊控制關(guān)系表

3 試驗(yàn)的結(jié)果及分析

下面針對(duì)某直流電機(jī)進(jìn)行耐久測(cè)試，使用PID控制器和模糊PID控制器方法分別進(jìn)行分析。試驗(yàn)參數(shù)

如下：

電機(jī)的額定功率為150W，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速為1200r/min；改變轉(zhuǎn)矩的過(guò)程為：電機(jī)空載，預(yù)定工作點(diǎn)轉(zhuǎn)矩為1.2N·m，預(yù)定工作點(diǎn)轉(zhuǎn)矩0.6N·m。用示波器測(cè)量試驗(yàn)后所測(cè)曲線如圖6所示：

圖6 PID控制轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線與模糊PID控制比較

從圖6中可以清晰地看出，采用模糊PID控制器時(shí)要比采用常規(guī)PID控制器上升時(shí)間縮短0.5s，并且沒(méi)有任何超調(diào)，響應(yīng)曲線也比較平滑，響應(yīng)速度快。

因此，采用PID控制器在響應(yīng)速度上較模糊PID控制器緩慢，并且有超調(diào)現(xiàn)象。而采用模糊PID控制器調(diào)節(jié)，可以控制被測(cè)電機(jī)很快地運(yùn)行到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，并且沒(méi)有超調(diào)，可以得到較好的控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于電機(jī)期望工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)，對(duì)出現(xiàn)大偏差的情況，采用模糊PID控制器明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，系統(tǒng)可以快速地使電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定工作點(diǎn)，并且沒(méi)有任何超調(diào)現(xiàn)象。

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基金項(xiàng)目：大連瓦房店市科技局2013年項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：鄒存名（1982-），男，遼寧大連人，大連科技學(xué)院電氣工程系講師，碩士，研究方向：多自由度機(jī)器手臂控制。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint