馮亞維

（上海寶信軟件股份有限公司南京分公司，南京 210000）

針對模糊控制系統(tǒng)的研究主要是給予模糊數(shù)學(xué)和邏輯等知識體系的基礎(chǔ)上開展的。通過制定相應(yīng)的模糊規(guī)則之后，明確具體控制步驟，組建一個完整的閉環(huán)控制體系[1]。相比起其他電機(jī)，直流電機(jī)具有非常顯著的優(yōu)勢，控制性極佳，因此是很多產(chǎn)品制造的首選[2][3]。早期的PID操作簡單，可行性高，魯棒性好，被廣泛使用。但PID是基于精確模型的精確控制，工業(yè)現(xiàn)場存在大量不確定性與非線性，使得PID的參數(shù)整定變得非常復(fù)雜和具有隨機(jī)性。而且隨著系統(tǒng)的使用，參數(shù)也是在改變，這就導(dǎo)致開始所制定的這些數(shù)據(jù)參數(shù)都會發(fā)生改變，不符合使用要求。在相關(guān)知識體系的創(chuàng)新發(fā)展之下，模糊控制加入到PID控制中，很好的克服了這個問題[4][5][6]。文章主要針對直流電機(jī)中PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行研究分析，同時展開MATLAB仿真，目的是對不同的這種PID進(jìn)行對比分析。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 整體拓?fù)?/h3>

本系統(tǒng)包括傳統(tǒng)電機(jī)電流環(huán)，采用直流電機(jī)電流反饋為電流環(huán)返回信號，電流換采用PI控制器，為減小電流環(huán)實現(xiàn)難度，增加電流環(huán)反應(yīng)速度，我們?nèi)圆捎脗鹘y(tǒng)的PI控制。驅(qū)動電路為小時間常熟滯后環(huán)節(jié)，直接電機(jī)根據(jù)參數(shù)采用一階函數(shù)。

1.2 模糊控制原理圖

模糊控制原理框圖為圖2，將速度指令與反饋的速度信息進(jìn)行差，針對不同的計算控制變量，將其輸入模糊量化處理，根據(jù)設(shè)置好的模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊決策，對控制變量進(jìn)行量化，進(jìn)而根據(jù)誤差進(jìn)行參數(shù)可調(diào)的PID模糊化處理。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 模糊控制原理圖

1.3 直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

電機(jī)電樞回路方程為：

在不考慮粘性摩擦和彈性轉(zhuǎn)矩的情況下，對應(yīng)的動力學(xué)公式如：

在該公式中，電壓電流分別用ui、ii表示，L為電感，E為反電動勢，R為電阻，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，GD2為飛輪轉(zhuǎn)矩。關(guān)于E和Te的計算通常按照額定勵磁的條件由以下公式得出：

在該公式中，Ce和Cm分別對應(yīng)E和Te的系數(shù)，通過計算整合以后，電壓和動力的計算公式為：

2 模糊PID控制器設(shè)計

2.1 模糊控制器

在直流電機(jī)系統(tǒng)的控制中主要是在內(nèi)部通過PI進(jìn)行控制，而外部則主要是借助PID進(jìn)行控制，對外環(huán)的PID的參數(shù)根據(jù)輸入的誤差信息進(jìn)行模糊控制。對其范圍根據(jù)傳統(tǒng)PID設(shè)置經(jīng)驗的0.5-2.0倍數(shù)取值。

具體的輸出步驟總結(jié)為以下四部分：

（1）對模糊子集、論域、隸屬度分別進(jìn)行明確然后再傳輸；

（2）按照相關(guān)控制要求和標(biāo)準(zhǔn)，制定推理關(guān)系，同時設(shè)計出對應(yīng)的矩陣；

（3）模糊決策，明確輸出量在論域中的矢量；

（4）模糊判決，也就是需要模糊控制量以后，在輸出變量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定PID參數(shù)確定值。

3 系統(tǒng)仿真與分析

采用MATLAB/Simulik平臺進(jìn)行仿真，對比仿真的PID控制器采用系統(tǒng)自帶的工具箱中的控件具體仿真設(shè)計參考文件[7]。

圖3 模糊控制與PID控制仿真曲線

滑膜變結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)：

Kd=0.17

J=0.066N·m·s2

K1=50

Ts=0.0017

Ks=10

R=15Ω

4 結(jié)論

從仿真的曲線可以看書模糊PID反應(yīng)速度和穩(wěn)定性均高于傳統(tǒng)PID控制。并且魯棒性高，參數(shù)不會發(fā)生不合理的變化，性能更加優(yōu)越。