模糊-PID控制

1、第五章 交流伺服系統(tǒng)控制方式5.1 PID控制簡介PID 控制器具有通用性強(qiáng)與魯棒性好的特點(diǎn)，所以在己有的各種控制手段中，它仍然占有重要地位。常規(guī) PID 控制器系統(tǒng)原理框圖如圖52 所示，系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。PID 控制器原理框圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為：式中：e(t)=r(t)-c(t) ,為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用數(shù)字 PID 控制器，數(shù)字 PID 控制算法又分為位置式 PID 控制算

2、法和增量式 PID 控制算法。在這兩種算法中，增量式 PID 有較大的優(yōu)點(diǎn)： (1) 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小。(2) 手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。(3) 算式中不需要累加?？刂圃隽康拇_定僅與最近K次的采樣值有關(guān)。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得式用6.8減6.9，可得式中：式6.10稱為增量式PID控制算法?？梢钥闯?，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了

3、，只要使用前三次測(cè)量值的偏差，即可由式6.10求出控制增量。下面從系統(tǒng)穩(wěn)定性、相應(yīng)速度、超調(diào)量和控制精度等各方面特性來分析PID三個(gè)參數(shù)對(duì)PID控制品質(zhì)的影響：（1） 參數(shù)分析：比例系數(shù)的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但會(huì)產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此不能取的過大；如果值取得較小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使穩(wěn)態(tài)誤差增大。（2）參數(shù)分析：積分環(huán)節(jié)的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越大，積分速度越快，系統(tǒng)靜差消除越快，但過大，在響應(yīng)過程的初期以及系統(tǒng)在過渡過程中會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)，使動(dòng)態(tài)性

4、能變差；若過小，使積分作用變?nèi)?，使系統(tǒng)的靜差難以消除，使過渡過程時(shí)間加常，不能較快的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和動(dòng)態(tài)性能。（3）參數(shù)分析：微分環(huán)節(jié)的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因?yàn)镻ID控制器的微分環(huán)節(jié)只影響系統(tǒng)偏差的變化率，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差的變化進(jìn)行提前行動(dòng)，降低超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但過大，則會(huì)使響應(yīng)過分提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且系統(tǒng)的抗干擾性較差。5.2 模糊控制簡介5.2.1 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制是一種新型的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，因此，模糊控制系統(tǒng)具有數(shù)字控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式，其系統(tǒng)組成如圖4-1所示。圖4-1 模糊控制系統(tǒng)的方框

5、圖Fig.4-1 Pane chart of fuzzy control system由上圖可見，模糊控制系統(tǒng)由以下四大部分組成：(1)模糊控制器它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)際上是一臺(tái)微計(jì)算機(jī)，主要完成輸入量的模糊化、模糊關(guān)系運(yùn)算、模糊決策以及決策結(jié)果的非模糊化處理（精確化）等重要過程?？梢哉f，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的優(yōu)劣在很大程度上取決于模糊控制器的“聰明”程度。根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，即可選用系統(tǒng)機(jī)，又可選用單板機(jī)或單片機(jī)。(2)輸入/輸出接口裝置該接口電路主要包括前向通道中的A/D轉(zhuǎn)換電路以及后向通道的D/A轉(zhuǎn)換電路等兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。前向通道的A/D轉(zhuǎn)換把傳感器檢測(cè)到的反映被控對(duì)象輸出量大小的

6、模擬量（一般為電壓信號(hào)，且為-10V至+10V之間）轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接受的數(shù)字量（0或1的組合），送到模糊控制器進(jìn)行運(yùn)算；D/A轉(zhuǎn)換把模糊控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成比例的模擬量（一般為電流信號(hào)，通常是在0-10mA或4-20mA），控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，選擇A/D和D/A轉(zhuǎn)換器主要應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間以及性能價(jià)格等三個(gè)因素。也就是，模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對(duì)象。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的轉(zhuǎn)換線路(3)廣義對(duì)象廣義對(duì)象包括被控

7、對(duì)象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁閥、伺服電動(dòng)機(jī)等。被控對(duì)象可以是線性或非線性的、定?；驎r(shí)變的，也可以是單變量或多變量的、有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有強(qiáng)干擾的多種情況。還須指出，被控對(duì)象缺乏精確數(shù)學(xué)模型的情況適宜選擇模糊控制，但也不排斥有較精確的數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，也可以采用模糊控制方案。(4)傳感器傳感器也就是檢測(cè)裝置，是將被控對(duì)象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（模擬的或數(shù)字的，一般為0-5V電壓，或0-10mA電流）的一類裝置。被控制量往往是非電量，如位移、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。因此，在選擇傳感器時(shí)

8、，應(yīng)注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器，否則，不僅控制精度沒有保證，而且可能出現(xiàn)失控現(xiàn)象47。5.2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器(Fuzzy Logic Controller)簡稱為模糊控制器(Fuzzy Controller)。模糊控制器的設(shè)計(jì)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容46-47：(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量（即控制量）；(2)設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；(3)確立模糊化和非模糊化（又稱清晰化）的方法；(4)選擇模糊控制器的輸入變量和輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子)；(5)編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；(6)合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間。5.2.3 模糊控制

9、器的輸入變量和輸出變量模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。究竟選擇哪些變量作為模糊控制器的信息量，還必須深入研究在手動(dòng)控制過程中，人如何獲取、輸出信息，因?yàn)槟：刂破鞯目刂埔?guī)則歸根到底還是要模擬人腦的思維決策方式。人在進(jìn)行各種手動(dòng)控制過程中，人腦中存在有許多模糊概念。例如，飛行員在駕駛飛機(jī)時(shí)，如果飛機(jī)偏離了目標(biāo)出現(xiàn)誤差（大或?。?，駕駛員發(fā)現(xiàn)頭腦中誤差“大”或“小”，輸出“大”或“小”的概念都是模糊的，究竟“大”、“小”的程度如何并不需要精確測(cè)量，然而對(duì)每個(gè)駕駛員，他們頭腦中“大”、“小”都有一定的客觀描述，駕駛員正是憑借這些模糊概念來度量飛行誤差的。在手動(dòng)控制過程中，人

10、所能獲取的信息量基本上為三個(gè)：(1)誤差；(2)誤差的變化；(3)誤差變化的變化，即誤差變化的速率。由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動(dòng)控制規(guī)則提出的，所以模糊控制器的輸入量也可以有三個(gè)，即誤差、誤差的變化及誤差變化的變化，輸出變量一般選擇控制量的變化。通常將模糊控制器輸入量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。一維模糊控制器輸入變量只選誤差一個(gè)，用于一階被控對(duì)象，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。所以，目前被廣泛采納的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。這

11、或許是目前人們廣泛設(shè)計(jì)應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在。在有些情況下，模糊控制器的輸出變量可按兩種方式給出。例如，若誤差“大”時(shí)，則以絕對(duì)的控制量輸出；盡管這種模糊控制器的結(jié)構(gòu)及控制算法都比較復(fù)雜，但是可以獲得較好的上升特性，改善了控制器的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。5.2.4 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)控制規(guī)則的設(shè)計(jì)包括三部分設(shè)計(jì)內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集及建立模糊控制器的控制規(guī)則。1.1.1.1 選擇描述輸入和輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯（如“正大”“負(fù)小”等）的集合，稱為這些變量的詞集（亦可以稱為變量的模糊狀態(tài)）。

12、一般說來，人們總是習(xí)慣于把事物分為三個(gè)等級(jí)，如物體的大小可分為大、中、??；運(yùn)動(dòng)的速度可分為快、中、慢等。所以，一般都選用“大”、“中”、“小”三個(gè)詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)。由于人的行為在正、負(fù)兩個(gè)方向的判斷基本上是對(duì)稱的，將大、中、小再加上正、負(fù)兩個(gè)方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個(gè)詞匯，即負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大一般用英文字頭縮寫為NB,NM,NS,O,PS,PM,PB其中M=Medium，其余符號(hào)同前。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗燥，導(dǎo)致控制器的性能變壞。一般情況下，都選擇

13、上述七個(gè)詞匯，但也可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要選擇三個(gè)或五個(gè)語言變量。對(duì)于誤差的變化這個(gè)輸入變量，選擇描述其狀態(tài)的詞匯時(shí)，常常將“零”分為“正零”和“負(fù)零”，這樣的詞集變?yōu)樨?fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB描述輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來表示。因此，模糊概念的確定問題就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題。5.2.5 定義各模糊變量的模糊子集定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。如圖4-2所示的隸屬函數(shù)曲線

14、表示論域X中的元素對(duì)模糊變量A的隸屬程度，設(shè)定X=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6圖4-2 隸屬函數(shù)曲線Fig.4-2 Curve of subject function則有論域X內(nèi)除x=2、3、4、5、6外各點(diǎn)的隸屬度均取為零，則模糊變量A的模糊子集為A=0.2/2+0.7/3+1/4+0.7/5+0.2/6實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，用正態(tài)型模糊變量來描述人進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的模糊概念是適宜的。隸屬函數(shù)曲線形狀較尖的模糊子集其分辨率較高，控制靈敏度也較高；相反，隸屬函數(shù)曲線形狀較緩，控制特性也較平緩，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。因此，在選擇模糊變量的模糊集的隸屬函數(shù)時(shí)，在誤差較大的區(qū)域

15、采用低分辨率的模糊集，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率的模糊集，當(dāng)誤差接近于零時(shí)選用高分辨率的模糊集。上面僅就描述某一模糊變量的模糊子集的隸屬函數(shù)曲線形狀問題加以分析，下面對(duì)同一模糊變量（例如：誤差或誤差的變化等）的各個(gè)模糊子集（如：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大）之間的相互關(guān)系及其對(duì)控制性能影響問題作進(jìn)一步分析。從自動(dòng)控制的角度，希望一個(gè)控制系統(tǒng)在要求的范圍內(nèi)都能夠很好地實(shí)現(xiàn)控制。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮這個(gè)問題，因此在選擇描述某一模糊變量的各個(gè)模糊子集時(shí)，要使它們?cè)谡撚蛏系姆植己侠恚此鼈儜?yīng)該較好地覆蓋整個(gè)論域。在定義這些模糊子集時(shí)要注意使論域中任何一點(diǎn)對(duì)這些模糊子集的隸屬度的最大

16、值不能太小，否則會(huì)在這樣的點(diǎn)附近出現(xiàn)不靈敏區(qū)，以至于造成失控，使模糊控制系統(tǒng)控制性能變壞。適當(dāng)?shù)卦黾痈髂：兞康哪：蛹撚蛑械脑貍€(gè)數(shù)，如一般論域中的元素個(gè)數(shù)的選擇均不低于13個(gè)，而模糊子集總數(shù)通常選7個(gè)。當(dāng)論域中元素總數(shù)為模糊子集總數(shù)二至三倍時(shí)，模糊子集對(duì)論域的覆蓋程度較好。5.2.6建立模糊控制器的控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，存貯在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識(shí)集合。手動(dòng)控制過程一般是通過對(duì)被控對(duì)象（過程）的一些觀測(cè)，操作者再根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加到被控對(duì)象的控制作用，

17、從而使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。利用語言歸納手動(dòng)控制策略的過程，實(shí)際上就是建立模糊控制器的控制規(guī)則的過程。手動(dòng)控制策略一般都可以用條件語句加以描述，以便于在建立模糊控制規(guī)則中選用。模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上就是人們?cè)诳刂七^程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，常見的模糊控制語句及其對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系R有如下幾種：(1)“若A則B”（即if A then B）：(2)“若A則B否則C”（即if A then B else C）：(3)“若A且B否則C”（即if A and B then C）：該語句還可以表述為：“若A則若B則C”（即if A then if B then C）：(4)“若A或B且C或D則E”（即if A or B a

18、nd C or D then E）：(5)“若A則B且若A則C”（即if A then B and if C or A then C）：該語句還可以表述如下：“若A則B、C”（即if A then B,C）(6)“若則或若則”（即ifthenor if C orthen）：5.2.7模糊量的去模糊化通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。但是在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或者驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)最佳代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過程就稱為去模糊化(Defuzzification)或者稱為模糊判決。常用的去模糊化計(jì)算方法有如下三種：(1

19、)最大隸屬度函數(shù)法簡單的取所有規(guī)則結(jié)果的模糊集合中隸屬度最大的那個(gè)元素作為輸出值，即(4-2)如果在輸出論域中，其最大隸屬度函數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出值多于一個(gè)時(shí)，簡單的方法是取所有具有最大隸屬度輸出的平均，即 ；(4-3)J=|v| J為具有相同最大隸屬度輸出的總數(shù)最大隸屬度函數(shù)法不考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀，只關(guān)心其最大隸屬度值處的輸出值，因此，難免會(huì)丟失許多信息，但是它的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，所以在一些控制要求不高的場(chǎng)合，采用最大隸屬度函數(shù)法是非常方便的。(2)重心法重心法是取模糊隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理最終輸出值，即(4-4)對(duì)于具有m個(gè)輸出量化級(jí)數(shù)的離散論域情況(4-5)與最大隸

20、屬度法相比較，重心法具有更加平滑的輸出推理控制，即對(duì)應(yīng)與輸入信號(hào)的微小變化，其推理的最終輸出一般也會(huì)發(fā)生一定的變化，且這種變化明顯比最大隸屬度函數(shù)法要平滑。(3)加權(quán)平均法加權(quán)平均法的最終輸出值是由下式?jīng)Q定的(4-6)這里的系數(shù)的選擇要根據(jù)實(shí)際情況而定，不同的系數(shù)就決定系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特性，當(dāng)該系數(shù)取為時(shí)，即取其隸屬度函數(shù)時(shí)，就轉(zhuǎn)化為重心法了。在模糊控制中，可以選擇和調(diào)整該系數(shù)來改善系統(tǒng)的享用特性。5.3 交流伺服系統(tǒng)控制方式現(xiàn)有的交流伺服系統(tǒng)大都采用模擬控制，控制算法僅限于PID，有些也采用數(shù)字PID控制；但它們對(duì)于多變量、非線性、強(qiáng)耦合的交流伺服系統(tǒng)來說都有很大的局限性。近些年發(fā)展起來的F

21、uzzy控制不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，具有超調(diào)小，魯棒性強(qiáng)，能夠克服非線性因素的影響等特點(diǎn)，但是它對(duì)信息的簡單模糊化處理，將導(dǎo)致系統(tǒng)精度不能很高，同時(shí)對(duì)于一個(gè)二維的模糊控制器，控制器的輸人端僅有被控量的偏差和偏差變化率，它實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)變參數(shù)的PD控制，由于沒有考慮積分作用，因而很難消除穩(wěn)態(tài)誤差。而PID控制由于得不到精確的數(shù)學(xué)模型，所以其動(dòng)態(tài)性能較差，但其積分功能可以消除靜差，可以使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能變好。鑒于交流伺服系統(tǒng)是一非線性、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)，若將二者結(jié)合起來，在控制過程中根據(jù)不同的情況區(qū)分對(duì)待，分別采用模糊和PID控制。這樣，不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理簡單、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，而

22、且也發(fā)揮了模糊控制的適應(yīng)性和靈活性。當(dāng)在平衡位置附近()時(shí)，采用PID控制可以有效地提高系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)遠(yuǎn)離平衡位置()時(shí)，采用模糊控制算法可以有效地提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。的值需要在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。模糊-PID控制的伺服系統(tǒng)如圖1所示。圖1 模糊PID控制的伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5.1.1 交流伺服系統(tǒng)控制系統(tǒng)的基本原理交流感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的基本原理如圖2所示。系統(tǒng)通過給定的角位置命令信號(hào)與檢測(cè)反饋電路測(cè)定的當(dāng)前位置信號(hào)的比較，求得位置偏差信號(hào)，經(jīng)位置校正環(huán)節(jié)處理后，作為速度回路的給定信號(hào)，再與實(shí)際速度相比獲得速度偏差，用交流調(diào)速系統(tǒng)控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2 車載衛(wèi)星天線用交流電機(jī)伺服控制系

23、統(tǒng)原理高性能交流伺服系統(tǒng)通常具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式。其中，電流環(huán)和速度環(huán)均為內(nèi)環(huán)。電流環(huán)的作用是:1) 改造內(nèi)環(huán)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)，提高系統(tǒng)的快速性；2) 及時(shí)抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾；3) 限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速轉(zhuǎn)矩，并保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。速度環(huán)的作用是：增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾的能力，抑制速度波動(dòng)。位置環(huán)的作用是：保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的性能，這直接關(guān)系到交流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定與高性能運(yùn)行，而且它是反饋主通道，是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。交流電機(jī)采用矢量控制原理進(jìn)行變頻調(diào)速，其基本原理是:以旋轉(zhuǎn)空間矢量轉(zhuǎn)子磁鏈為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁

24、鏈同向，表示定子電流勵(lì)磁分量；另一個(gè)與磁鏈正交，表示電流轉(zhuǎn)矩分量，然后分別進(jìn)行獨(dú)立控制。采用矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)，其簡化數(shù)學(xué)模型與直流電動(dòng)機(jī)等效，因此系統(tǒng)的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)與直流三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相似。交流伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。圖中，為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角；為速度控制電壓；為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)摩擦阻轉(zhuǎn)矩之和；為電動(dòng)機(jī)電磁時(shí)間參數(shù)；，分別為電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻和電流；J為折合到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)；為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為速度負(fù)反饋系數(shù)；n為減速比；為系統(tǒng)輸人轉(zhuǎn)角；a為電流反饋系數(shù)；，分別為位置、速度和電流的傳遞系數(shù)；為速度反饋時(shí)間常數(shù)。為電流反饋增益；為電流時(shí)間常數(shù)；s為拉氏

25、算子。由于矢量控制實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)模型的解藕，電流環(huán)、速度環(huán)可采用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器。而伺服系統(tǒng)的位置調(diào)節(jié)器是反饋主通道，是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,通常要求具有快速、無超調(diào)的響應(yīng)特性。用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器很難滿足這些要求，特別是位置環(huán)內(nèi)存在許多不確定性，如模型參數(shù)的時(shí)變和對(duì)象特性的非線性以及眾多的擾動(dòng)因素。故將位置環(huán)設(shè)計(jì)成模糊-PID控制器。5.1.2 電流環(huán)由于系統(tǒng)具有脈寬調(diào)制(PWM)電壓逆變器的環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子電感的作用，電流存在一定的慣性。電流環(huán)的主要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)中不超出最大限值，因而在突加負(fù)載時(shí)不希望有超調(diào)或超調(diào)盡可能小。為此，可將電流環(huán)校正為典型I型系統(tǒng)。電流控

26、制器為比例積分控制器，其傳遞函數(shù) (此處，分別為調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和時(shí)間常數(shù))。如果: （此處，為電動(dòng)機(jī)電樞電感），那么電流環(huán)的開還傳遞函數(shù)為：，閉環(huán)傳遞函數(shù)為：，式中：為電流環(huán)自然頻率，且；為電流環(huán)阻尼比，且。若選阻尼比，則。由此可得。這樣，電流環(huán)的有關(guān)參數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為：；調(diào)整電流控制器增益，使電流環(huán)具有最佳阻尼比。5.1.3 速度環(huán)因存在電樞電流負(fù)反饋，故電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)可忽略不計(jì)，這主要是由測(cè)速發(fā)電機(jī)的諧波引起的。由于電流環(huán)的通頻帶很寬，等效時(shí)間常數(shù)比至少小一個(gè)量級(jí)，因此可以將電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化為；。取速度環(huán)時(shí)間常數(shù)。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差，在動(dòng)態(tài)時(shí)應(yīng)有較好抗擾動(dòng)性能的要求，速度環(huán)可按典型I型

27、系統(tǒng)校正，速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)（此處，分別為速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和時(shí)間常數(shù))，由此可得速度環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：。選擇參數(shù)(此處,h為系統(tǒng)的中頻段寬度，其值將直接影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能)。本文取h=6，且。5.1.4 位置環(huán)將所設(shè)計(jì)的速度環(huán)作為位置環(huán)內(nèi)的一個(gè)等效環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)前向通道中的積分環(huán)節(jié)串聯(lián)，構(gòu)成了位置環(huán)的被控對(duì)象。位置環(huán)的截止頻率總是低于速度環(huán)截止頻率，因此速度環(huán)傳遞函數(shù)可近似等效為(此處，分別為速度環(huán)開環(huán)增益和開環(huán)時(shí)間常數(shù))，則位置環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，此處，為位置環(huán)的開環(huán)增益）。由于位置伺服系統(tǒng)對(duì)精度要求較高，位置環(huán)必須按II型系統(tǒng)校正。因此，位置調(diào)節(jié)器采用PI控制器 ，其傳

28、遞函數(shù)（此處， ，分別為位置調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和時(shí)間常數(shù))。位置環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 。設(shè)h=10，按速度環(huán)的分析方法可確定參數(shù)。圖5-1 位置環(huán)階躍響應(yīng)圖5-2 位置環(huán)正弦響應(yīng)5.2 模糊自調(diào)整PID 控制隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能PID控制器，這種控制器把古典的PID控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。這種控制必須精確的確定對(duì)象模型，首先將操作人員（專家）長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化然后運(yùn)用推力便可對(duì)PID 參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整。由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描

29、述，控制過程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息（如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID 參數(shù)等）作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況（即專家系統(tǒng)的輸入條件），運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自調(diào)整PID 控制。自調(diào)整模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e 和ec對(duì)PID 參數(shù)自調(diào)整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自調(diào)整模糊PID 控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4-3 所示。圖

30、4-3 自整定模糊控制器結(jié)構(gòu)PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，Kp,Ti,Td的作用如下：1） 比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，這會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)動(dòng)態(tài)特性變壞。2） 積分作用系數(shù)Ti的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但Ti過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若Ti過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的