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1、2004年第10期福建电脑7基于模糊PID控制在交流伺服系统中的应用郑义民王永初(华侨大学机电及自动化学院福建泉州362021)【摘要】本文采用一种Fuzzy-PID切换型控制器,并将此应用于交流伺服系统的控制中,该控制器具有较完善的控制性能。仿真实验的结果表明,采用该模糊PID控制的系统能克服传统ID控制器的弊端,具有较高的稳定精度,较强的鲁棒性。【关键词】模糊PID伺服系统仿真1引言K式中k=从上面的结果可以看出,只要我们测出k和目前,交流伺服电机在机器人与操作机械手的关节驱动以Ti及精密数控机床等方面得到越来越广泛的应用。由于交流伺Tm的值,就能够得到速度环的模型,并进
2、而得到整个伺服电机服电机本质上是一个非线性、强耦合的被控对象,所拖动的减的传递函数。经过动、静态性能测试可以得到:速器和负载又含有间隙等非线性因素,所以伺服系统具有非线vilk=380Tm=0.15s性、不确定性等特征。而传统的自动控制理论中有一个共同的vs2取JL=0.15kgÓmbL=8特点,即系统的设计和分析是建立在已知系统精确数学模型的152000基础上,而实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定所以传递函数G(s)=32s+540s+3200s性等,所以用传统的基于对象模型控制方法难以进行有效的控[1]在工作过程中,被控对象的模型是变化的,但是,我们可以制。模
3、糊控制以不依赖于被控对象的数学摸型而被广泛的用近似的传递函数来表征系统在无转动惯量变化、无冲击和力应用于工业生产中,具有较强的鲁棒性,对被控对象的参数变矩干扰等情况下的系统的动态特性。化不敏感,可以很好地克服伺服系统中的非线性、时变、耦合等[5],[6]4模糊控制器的设计因素的影响。本文将模糊控制应用于伺服电机的控制,针对模利用MATLAB中的Simulink和Fuzzylogictoolbox很容易糊控制的精度不高的缺点,把模糊控制与PID控制相结合以提实现对控制系统的仿真,如上所述当误差较大时,系统采用模高系统的性能。[2]糊控制:误差较小时,采用PID控制。2模糊PID
4、控制系统的结构(1)当e(t)>1时采用模糊控制。在这里采用一般的二模糊PID控制的伺服系统如图1所示。在这里为了使控维模糊控制器,一般的二维模糊控制器是以误差E和误差的变制系统响应较快,在偏差较大时利用模糊控制,在误差较小时化率EC作为模糊控制的输入,输出量为控制值U。采用PID控制,这类控制器的特点是在大偏差范围内利用模糊(2)输入、输出的变量的模糊语言的描述,设定输入变量E推理的方法调整系统的控制量U,而在小偏差范围内转换成和EC及输出U语言的模糊子集:E的子集为{负大,负中,负PID控制,两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。小,负零,正零,正小,正中,正大},并
5、简记为{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}。EC和U的子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},E和EC的论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},U的论域为{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。上述的E模糊集选取8个元素,区分了NO和PO,主要是着眼于提高稳态精度,E,EC和U的隶属度函数均采用三角函数。为增强系统的鲁棒性,提高隶属度函数的分辨率,在零值附近的函数形状取得更陡。E,图1模糊PID控制的伺服系统的结构EC和U的隶属度函数分别如图2、3、4所示。[3]3交流伺服电
6、机的数学模型在设计伺服系统的控制器中要用到系统的模型(传递函数),对于交流伺服系统来说,通常认为是伺服放大器和交流伺服系统综合起来,构成一个速度环,这个速度环可以近似为一个一阶惯性环节:kG1(s)=1+Tms其中Tm是系统的电气时间常数,k是系统的开环放大倍数。从速度环到系统的输出控制量是一个积分环节:G2(s)=1Tis1负载的传递函数为G3(s)=JLs+bL[4]其中JL为负载的转动惯量bL为负载的粘性阻尼系数这样一来,整个伺服电机的传递函数为:kG(s)=G1(s)G2(s)G3(s)=s(1+Tms)(JLs+bL)图3变量EC的隶属函数8福建电脑2004年第10
7、期5切换PID控制系统与仿真当误差e(t)<1时采用PID控制器PID控制器的传递函数为1G(s)=KP(1++Kds)Tis利用MATLAB中的Simulink构建控制系统的模型如图5所示,其中PID控制器的三个参数取值如下:KP=12Ki=0.067Kd=0.03,模糊控制和PID控制转换的设定值为:e0=1,在单位阶跃输入下,使用常规PID控制和模糊PID控图4变量U的隶属函数制,分别有如图6、图7所示的仿真结果。(3)模糊控制规则的语言描述模糊控制规则实质上是将操作员的控制经验加以总结而得出一条
