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模糊PID控制器在伺服系統(tǒng)中的應用

時間:2008-09-05 09:15:00來源:ronggang

導語:?在借鑒傳統(tǒng)PID控制應用于單片機的方法的基礎上,引進模糊規(guī)則的調用方式。使用TI 公司的DSP 專用電機控制芯片TMS320LF2407A上構建伺服系統(tǒng),系統(tǒng)硬件得到了極大的簡化,提高了系統(tǒng)的可靠性
摘 要:在借鑒傳統(tǒng)PID控制應用于單片機的方法的基礎上,引進模糊規(guī)則的調用方式。使用TI 公司的DSP 專用電機控制芯片TMS320LF2407A上構建伺服系統(tǒng),系統(tǒng)硬件得到了極大的簡化,提高了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)偏差絕對值和偏差變化絕對值的改變,在線調節(jié)PID參數(shù),最后進行MATLAB仿真,經(jīng)過比較傳統(tǒng)PID控制與模糊PID動態(tài)性能的差異,驗證車載天線伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯的改善。 關鍵詞:模糊PID 伺服系統(tǒng) 仿真 0 引言   傳統(tǒng)PID(比例、積分和微分)控制原理簡單,使用方便,適應性強,可以廣泛應用于各種工業(yè)過程控制領域。但是PID控制器也存在參數(shù)調節(jié)需要一定過程,最優(yōu)參數(shù)選取比較麻煩的缺點,對一些系統(tǒng)參數(shù)會變化的過程,PID控制就無法有效地對系統(tǒng)進行在線控制。不能滿足在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時PID參數(shù)隨之發(fā)生相應改變的要求,嚴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)學模型,能夠在線實時修正參數(shù),使控制器適應被控對象參數(shù)的任何變化。并對其進行仿真驗證,結果表明模糊PID控制使系統(tǒng)的性能得到了明顯的改善。 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構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便等優(yōu)點成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握、得不到精確的數(shù)學模型時,采用PID控制技術最為方便。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心。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)驗豐富的技術人員在線整定。在控制對象有很大的時變性和非線性的情況下,一組整定好的PID參數(shù)遠遠不能滿足系統(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)進行實時優(yōu)化,以達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控制器等幾個重要組成部分。計算機根據(jù)所設定的輸入和反饋信號,計算實際位置和理論位置的偏差e以及當前的偏差變化ec,并根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理,最后對模糊參數(shù)進行解模糊,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:戶外設備和戶內(nèi)設備。戶外設備主要是天線伺服跟蹤系統(tǒng)(包括平臺、平臺伺服跟蹤系統(tǒng)、慣性傳感器、GPS、衛(wèi)星天線等);戶內(nèi)設備主要是控制器(包括各傳感器接口、數(shù)據(jù)采集、控制器、衛(wèi)星接收機等)和主控計算機,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)的單片機相比有巨大的優(yōu)勢。只需外加較少的硬件即可實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤反饋轉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。 [align=center] 圖1 車載天線伺服系統(tǒng)模糊PID控制框圖[/align]   2.2 車載天線伺服系統(tǒng)數(shù)學模型的確定   若電機的負載為常數(shù)且只輸出電機轉動的角速度,則得到直流伺服電機的傳遞函數(shù)如式(1)。      其中, ω[sub]a[/sub]是轉子旋轉的角速度,K[sub]V[/sub]和K[sub]t[/sub]是由永磁體的磁通密度、轉子繞組的數(shù)目以及鐵芯的物理性質決定的速度常數(shù)和力矩常數(shù), J是轉子和電機負載的轉動慣量。B是整個機械旋轉系統(tǒng)的阻尼常數(shù)。由電機特性與系統(tǒng)特性,得到電機各參數(shù)R[sub]a[/sub]; L[sub]a[/sub];K[sub]V[/sub];K[sub]t[/sub];J; 的值:把這些參數(shù)值代入式(1),得到電機的傳遞函數(shù)如式(2)所示:      轉臺下部直流伺服電機驅動子系統(tǒng)結構框圖如圖2所示,其中1/10為蝸輪蝸桿的減速比。 [align=center] 圖2 直流伺服電機轉動系統(tǒng)結構框圖[/align] 3 模糊PID控制器的設計   PID參數(shù)的模糊自整定是找出PID三個參數(shù)Kp、Ki、Kd與e和ec之間的模糊關系,在運行中通過不斷的監(jiān)測e和ec,根據(jù)模糊控制原理對三個參數(shù)進行在線的整定。   PID參數(shù)的設定是靠經(jīng)驗及工藝的熟悉,參考測量值與設定值曲線,從而調整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)過程的階躍響應情況來考慮求取。規(guī)則如下所示:  ?。?) 預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;  ?。?) 僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(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)的調節(jié)規(guī)則,如表1、表2、表3所示。   表1 Kp規(guī)則調節(jié)表
  表2 KI規(guī)則調節(jié)表
  表3 Kd規(guī)則調節(jié)表
  PID三個參數(shù)的模糊規(guī)則庫建立好以后,就可以根據(jù)模糊控制理論進行參數(shù)的自調整。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“負大”(NB),“負中”(NM),“負小”(NS),“零”(ZO),“正小”(PS),“正中”(PM),“正大”(PB)共7個值。它們的隸屬度函數(shù)都是三角形,并且,每個值所取的范圍寬度相等。 4 仿真結果   為了驗證PID模糊控制器的控制效果,用Matlab/Simulink軟件進行仿真,根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型,仿真框圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 車載天線伺服系統(tǒng)仿真框圖[/align]   運行仿真程序,得到如圖5所示的仿真結果。從圖中可以知道,在階躍響應下,與傳統(tǒng)PID仿真圖4相比,該系統(tǒng)的上升時間和調節(jié)時間大大縮小,超調量明顯減小,大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 [align=center] 圖4傳統(tǒng)PID動態(tài)響應曲線[/align] [align=center] 圖5模糊PID動態(tài)響應曲線[/align] 5 結束語   本論文將模糊控制與SIMULINK相結合,對車載伺服系統(tǒng)設計了一個比較合理的模糊PID控制器并且進行MATLAB仿真。由于車載天線處于一個實時變化的環(huán)境,導致系統(tǒng)參數(shù)可能會根據(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,而模糊自適應控制卻恰好彌補這一缺陷。同時模糊自適應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。軟硬件結合真正滿足了系統(tǒng)的快,準,穩(wěn)。為軍事上各種雷達天線的設計提供了參考。   本文作者創(chuàng)新點:結合車載天線伺服系統(tǒng)分析設計了模糊PID控制器,并進一步給出了自適應模糊推理與優(yōu)化方案,在現(xiàn)場實驗效果良好。 參考文獻   【1】Passino Kevin M, Yurkovich Stephen,Fuzzy Control [M],北京,清華大學出版社,2001   【2】薛定宇. 控制系統(tǒng)計算機輔助設計-MATLAB語言及應用【M】.北京.清華大學出版社,1996   【3】黃軼 舒丹陽 張智勇.基于模糊PID的熱軋帶鋼寬度控制.微計算機信息,2006,4-1期:P27-28。   【4】沈巖,張銀東等 自整定PID模糊控制器在泵控馬達系統(tǒng)中的應用 《機床與液壓》2006 10-142-2

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