呂成龍+李軍紅++郭鳳梅+孫曉++俞家傲++張進(jìn)如

摘 要：智能小車要根據(jù)跑道狀況隨時(shí)調(diào)整速度，高速過(guò)彎時(shí)需差速調(diào)節(jié)，其對(duì)轉(zhuǎn)速控制要求較高。單閉環(huán)PID直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，抗干擾能力弱，常規(guī)的PID控制難以取得滿意的效果。文章采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，將模糊邏輯與PID控制結(jié)合應(yīng)用于智能小車調(diào)速系統(tǒng)中，彌補(bǔ)了常規(guī)單閉環(huán)PID控制器的不足，加快了小車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文章提出的雙閉環(huán)模糊PID直流調(diào)速控制算法的有效性。

關(guān)鍵詞：模糊PID；雙閉環(huán)直流調(diào)速；智能小車

1 概述

智能小車，也稱輪式機(jī)器人。它具有對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)追隨引導(dǎo)線，并能根據(jù)環(huán)境進(jìn)行自我調(diào)整等功能于一體的綜合智能系統(tǒng)[1]，有廣泛的應(yīng)用前景。目前智能小車速度控制系統(tǒng)大多采用PID單閉環(huán)控制，傳統(tǒng)的PID單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，抗干擾能力弱，傳統(tǒng)PID控制效果主要取決于初始設(shè)置參數(shù)，不適合智能小車這一時(shí)變非線性系統(tǒng)，難以取得滿意的控制效果。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，將模糊邏輯與PID控制結(jié)合應(yīng)用于智能小車調(diào)速系統(tǒng)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的單閉環(huán)PID控制器的不足，加快了小車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的模糊PID雙閉環(huán)直流調(diào)速控制算法的有效性。

2 智能車雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，電流負(fù)反饋為內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速反饋為外環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中：WASR（s）為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；WACR（s）為電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；ɑ、β分別為轉(zhuǎn)速、電流反饋系數(shù)；Ts為電力電子變換器的時(shí)間常數(shù)；Tl為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)；Tm為機(jī)電時(shí)間常數(shù)；Ce為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；Ks為晶閘管裝置放大系數(shù)；R為電樞回路總電阻。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸出作為電流調(diào)節(jié)器（ACR）的給定，ACR的輸出去調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)設(shè)置ASR的輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流值，ACR在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流值，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，考慮到轉(zhuǎn)速環(huán)是決定控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要因素，內(nèi)環(huán)電流環(huán)主要起改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性，以利于外環(huán)控制。轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PID控制器，內(nèi)環(huán)仍采用傳統(tǒng)PID控制。通過(guò)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以很好地抑制電源電壓波動(dòng)和負(fù)載變化等干擾對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

在本設(shè)計(jì)中智能小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由BTN7971搭建的電橋構(gòu)成，電流反饋由BTN7971的6腳串電阻引出，速度由歐姆龍公司的500線編碼器采集，通過(guò)硬件正交解碼，能反饋速度大小及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

ASR采用模糊PID控制器，ACR采用傳統(tǒng)PID控制器，其傳遞函數(shù)均如式（1）。ASR的控制參數(shù)KP、KI、KD由模糊推理在線自整定。

3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

在實(shí)際智能小車系統(tǒng)中，由于電機(jī)本身的參數(shù)隨溫度、轉(zhuǎn)速變化和拖動(dòng)負(fù)載的時(shí)變等因素影響，智能車調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)，采取傳統(tǒng)的PID控制方法難以得到滿意的效果[2]。本設(shè)計(jì)將模糊邏輯與PID控制結(jié)合應(yīng)用于智能小車調(diào)速系統(tǒng)中，以速度誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對(duì)PID的參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行在線實(shí)時(shí)整定，以滿足不同e和ec對(duì)PID控制器參數(shù)的要求，提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)

以速度誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，ΔKP、ΔKI、ΔKD是輸出變量，分別為PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的調(diào)節(jié)值。輸入輸出變量采取三角形隸屬度函數(shù)，均在其論域內(nèi)定義五個(gè)模糊子集{NB，NS，Z，PS，PB}，輸入量速度誤差e和誤差變化率ec取相同的隸屬度函數(shù)如圖3所示，輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

3.2 模糊規(guī)則

模糊控制規(guī)則采取“if A and B then C”形式，模糊PID有三個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)，分別對(duì)應(yīng)參數(shù)ΔKP、ΔKI、ΔKD，通過(guò)MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真和調(diào)整，不斷優(yōu)化，最終確定由25條規(guī)則構(gòu)成的模糊規(guī)則庫(kù)，如表1-3所示。

3.3 模糊推理及解模糊

本文采用Mandani方法進(jìn)行模糊推理[5]，利用重心法解模糊得到ΔKP、ΔKI、ΔKD的精確值，PID控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)根據(jù)式（2）確定。

（2）

其中KP0、KI0、KD0分別為PID控制器各參數(shù)的初始值，可以在直流電機(jī)空載情況下，運(yùn)用試湊法確定一組最佳PID參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文采用了全國(guó)“恩智浦杯”智能小車競(jìng)賽用的C車模對(duì)模糊PID控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：額定功率為PN=15.8W，額定轉(zhuǎn)速為nN=1400r/min，額定電壓為UN=7.2V。實(shí)驗(yàn)時(shí)給定參考轉(zhuǎn)速為1000r/min，為了驗(yàn)證模糊PID控制器的抗干擾能力，在3s時(shí)，使負(fù)載轉(zhuǎn)矩由原來(lái)的6N·m跳變至12N·m。系統(tǒng)分別采用常規(guī)單閉環(huán)PID控制器和本文提出的雙閉環(huán)模糊PID控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。曲線1和曲線2分別為單閉環(huán)PID控制器和雙閉環(huán)模糊PID控制器的響應(yīng)曲線；比較曲線1和曲線2，容易看出采用本文提出的雙閉環(huán)模糊PID控制器加快了智能小車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，性能明顯優(yōu)于常規(guī)的單閉環(huán)PID控制器。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了智能小車模糊PID調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)構(gòu)建智能小車的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，將模糊邏輯與PID控制結(jié)合應(yīng)用于智能小車調(diào)速系統(tǒng)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單閉環(huán)PID控制器的不足，加快了小車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

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*通訊作者：李軍紅（1971-），男，漢族，湖南耒陽(yáng)，碩士，副教授，主要從事電力電子技術(shù)、電機(jī)控制、智能控制及應(yīng)用等方面研究工作。