基于模糊PID复合控制交流伺服系统研究

    良好的稳态精度，但系统的快速性和抗干扰能力及对系统参数摄动的鲁棒性都不够理想.传统的pid控制的交流伺服系统，整定pid参数时，很难做到动稳态性能都好。只能兼顾动稳态，综合考虑，或有所侧重。如果要求动态、稳态、抗扰性能都好就更难了。

    模糊控制的交流伺服系统具有很大的灵活性，提供了一种提高交流伺服系统的跟随和抗扰性能的好方法，有力地提高了系统的鲁棒性。但是，在模糊控制器的规则库中，全部规则是依据模糊专家知识所建立的，尽管很好，但也是过去经验的总结。如果环境、对象出现了过去没遇过的情况，则知识库（数据库和规则库）显得呆板，而表现出不适应新情况的弊端。

    传统控制理论经过几十年的发展和实践的检验，已经是一个较完善的理论体系。但是它需要建立对象的数学模型。当对象的数学模型具有不确定性时，给设计带来很大困难，或者是无法设计。即当被控对象的模型具有不确定性、非线性，系统运行的状态和环境在较大范围内变化，系统的动静态指标要求较高，系统要达到的目标不止一个且具有复杂性，这种情况下应该采用智能控制，而传统的控制理论设计方法在这里不能胜任。但是只用单一的智能控制方法也不会使系统具有完善的功能和期望的性能。为了使系统具有更完善的功能和更理想的性能，应采用智能控制理论的定性推理控制策略与传统控制理论的定量计算控制策略的结合。

    为此，把现代控制理论应用于伺服系统是为了使系统具备更强的鲁棒性和更为优良的动、静态性能.近年来，优良的复合控制在交流伺服系统中的应用展示了其良好的前景.将模糊控制技术和传统的pid控制相结合，能够有效地解决模糊控制存在稳态误差的缺陷.目前较为广泛的是模糊控制与pid控制的串联或者模糊控制与pid控制相并联.但是参数固定的pid控制又一定程度上给系统带来了动态与稳态之间的矛盾，模糊控制的优势没有得到完全体现.本文提出的模糊自校正控制器使pid调节器参数跟随系统误差变化而动态变化，从而具备了模糊控制较强鲁棒性和pid控制削弱稳态误差的功能.

    模糊pid控制器的构成与工作

    模糊pid控制器的构成

    将模糊逻辑控制器与pid控制器结合起来.模糊逻辑控制器动态性能、抗扰性能高，pid控制器稳态精度高，取两者的优点构成模糊（flcr）、pid复合控制的交流伺服系统（如图所示）。

    图1 模糊pid控制器的结构

    使用了flcr、pid控制器的两级复合控制交流伺服系统，设计的基本思想:稳态运行时采用单组固定参数pid算法进行控制.设计pid三参数时，选择典型的工作状态、环境条件、模型参数（可能是近似的），按稳态性能最好来确定（通过计算和调试）pid三参数kp、ki、kd确定后将pid三参数作为固定数据存入数据库，它对保证稳态性能是有效的;

    动态过程（起动、大范围变动给定、大范围负载突变）运行时采用单个固定模糊规则集的flcr控制.设计模糊规则集时，以给定增量△ωr＊，偏差e、偏差变化è、负载增量△tl为输入模糊语言变量，设计并调试规则集.调好后以固定规则集方式存入模糊规则库，它对保证动态性能是有效的.为了使切换能圆滑过渡，采用下面的策略，由pid控制切换到flcr时，将pid算法中的积分值传给flcr.由flcr控制切换到pid控制时，将flcr的最后一次输出值传给pid，作为pid算法中的当前积分值。

    当典型稳态运行的条件不止一个时出现多稳态运行工作点，可采用多组固定参数pid控制策略.同理，多动态过渡过程状态时，可采用多个固定模糊规则集的控制策略.也可能是单与多的不同组合.

    1、模糊控制部分的工作

    该模糊控制输入信号为速度偏差e和速度偏差变化率△e，输出信号为控制信号.变量的模糊子集为｛正大，正中，正小，零，负小，负中，负大｝，相应的语言变量设定为｛pl，pm，ps，zo，ns，nm，nl｝。

    首先，把速度偏差及偏差变化率的实际范围作为输入论域，输出控制量的允许变化范围作为输出论域，而在论域中的元素隶属于某个语言变量值的隶属度用隶属函数表示，论域两端的隶属函数取半三角形的形状，其余则取三角形的形状.其次，在模糊化过程中取输入变量的实时值，即求速度偏差及偏差变化率的实时值.第三步是把输入变量的实时值和已定义的隶属函数进行比较组合，求出相应的模糊输入量.有了上面3个步骤后，再采用max-min推理合成算法进行模糊推理，并产生模糊输出结果.最后，将模糊输出结果清晰化，并采用pwm方式实现输出控制，在周期一定的条件下调节占空比，而占空比的实时值由模糊控制规则自动调节。

    2、模糊pid控制器的参数校正

    模糊自校正控制器是由模糊控制器、pid调节器、参数整定环节和估测器四个基本部分组成.模糊控制器和pid调节器根据校正的参数对过程对象进行控制，参数整定环节根据系统误差的动态变化对pid调节器进行参数校正.该模糊自校正控制系统的运行过程就是模糊自校正控制器不断采样、校正，直至系统达到并保持期望的控制性能指标。pid调节器的参数校正原则:在控制的起始阶段取较小的pid调节器校正参数;当模糊控制达到基本稳定时，根据系统误差逐渐增大pid调节器的校正参数，以获得平稳的上升并消除误差;当整个系统已基本稳定时，则根据系统要求和误差适当减小pid调节器的校正参数。

    模糊pid控制交流伺服系统组成

    模糊pid控制交流伺服系统组成框图如图2所示.pid作为速度调节器，它把给定信号与编码器输出脉冲信号的量化值进行比较，获得误差e，通过具有参数自整定的pidd算法，得到所需调节值，将此值送入d/a转换变为模拟信号，再送至变频器的模拟电压输入端，控制变频器频率，从而控制电机的转速.

    图2 模糊pid控制交流伺服系统框图

    系统的主程序框图如图3所示.为了使电机稳定性好，响应速度快，必须正确选择系统的比例、积分、微分等参数。本系统利用pid的高速运算及判断能力，由pidd算法子程序计算出控制量ur，对扰动作出动态调节，使得稳态误差最小。

    图3 系统的主程序框图

    仿真结果及结论:

    在该控制交流伺服系统调试过程中，给定速度为1500r/min，系统能很快跟踪给定速度，反应性能良好.在突加负载的情况下，系统能快速自动调节，恢复时间约为0.6ms，其转速特性曲线如图4所示.

    图4 转速曲线

    仿真实验及使用结果表明，上述模糊pid控制器动态响应快，可以实现小超调或无超调控制，且稳态精度可以和pid控制相媲美。这种控制器设计简单，易于模块化且实时性好，并对被控对象的不良变化具有较强的鲁棒性。