直流伺服電機(jī)的模糊PID控制

1、基于模糊PID控制的直流電動機(jī)伺服系統(tǒng)課程：智能控制理論及其應(yīng)用姓名： 學(xué)號：導(dǎo)師： 目錄第一章 模糊PID控制簡介21.1傳統(tǒng)PID21.2模糊PID2第二章 直流伺服電機(jī)簡介32.1電動機(jī)調(diào)速控制原理32.2三環(huán)控制原理42.3電動機(jī)模型的建立4第三章 模糊控制器設(shè)計53.1模糊算法53.2輸入/輸出隸屬度函數(shù)的設(shè)計63.3模糊規(guī)則選取8第四章 simulink仿真104.1simulink中模糊PID控制圖104.2模糊PID與傳統(tǒng)PID仿真比較11第五章 結(jié)論分析155.1結(jié)論分析155.2 仿真過程中遇到的問題16第一章 模糊PID控制簡介1.1傳統(tǒng)PID在傳統(tǒng)PID控制器中，參數(shù)K

2、p用于加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，但Kp過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Ki用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但Ki過大，會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至引起振蕩；Kd用于改善系統(tǒng)動態(tài)特性，增大微分時間有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對擾動敏感，一直外部擾動能力減弱。常規(guī)PID控制器具有算法簡單 ，穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，加之設(shè)計容易、適應(yīng)面寬，是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一類基本控制器。但是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，PID控制器也存在參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定過程，最優(yōu)化參數(shù)選取是比較麻煩的缺點(diǎn)。1.2模糊PID模糊控制調(diào)節(jié)PID參數(shù)的控制方法由常規(guī)的 PID控制器和模糊控制器兩部分組成，模糊控制器的輸入是偏差e和

3、偏差變化率ec，輸出是Kp、Ki和Kd。PID參數(shù)模糊自整定是找出Kp、Ki、Kd和偏差e及偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象達(dá)到良好的動、靜態(tài)性能，而且計算量小，模糊控制調(diào)節(jié)PID參數(shù)的控制算法結(jié)構(gòu)如圖。·第二章 直流伺服電機(jī)簡介2.1電動機(jī)調(diào)速控制原理根據(jù)他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性可見電動機(jī)轉(zhuǎn)速的改變可以通過改變電動機(jī)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，如電動機(jī)的外加電壓（U）、電樞回路中的外串電阻（R）和磁通（）。（1）通過改變R可以改

4、變轉(zhuǎn)速n。采用此方法，電樞串聯(lián)電阻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性不好，調(diào)速指標(biāo)不高，調(diào)速范圍不大，而且調(diào)速是有級的，平滑性不高。（2）通過改變磁通來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此種調(diào)速方法調(diào)速范圍過小，通常與其他兩種方法結(jié)合使用。（3）通過改變電動機(jī)電樞外加電壓的方法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。采用調(diào)壓調(diào)速時，由于機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速范圍大，電壓容易做到連續(xù)調(diào)節(jié)，便于實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，并且平滑性較好。故系統(tǒng)常采用電壓調(diào)速方法。2.2三環(huán)控制原理測控系統(tǒng)由具有位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)組成，電流環(huán)的作用是及時限制大電流，保護(hù)電動機(jī)；速度環(huán)的作用是抑制速度波動，增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動能力；位置環(huán)是系統(tǒng)的主控環(huán)，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。三環(huán)結(jié)合

5、工作，保證系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)精度和動態(tài)特性，并使系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠。 我所做的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)就是圖上虛線部分2.3電動機(jī)模型的建立直流電動機(jī)各項參數(shù)如下：空載轉(zhuǎn)速為4100r/min，減速比為1/160，額定電壓為56V。忽略電樞電感及黏性阻尼系數(shù)，則以電樞電壓ua（t）為輸入變量，電動機(jī)轉(zhuǎn)速（t）為輸出變量的直流伺服電動機(jī)的傳遞函數(shù)可簡化為 式中，電動機(jī)反電動勢系數(shù) ，機(jī)電時間常數(shù)Tm=10ms，反饋比例系數(shù)KF=15V/131.4。 ，此反饋系數(shù)相當(dāng)于實(shí)際控制系統(tǒng)中的角度傳感器，而以上推出的傳遞函數(shù)為電壓與角度的關(guān)系，所以應(yīng)在此傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上再添加一個積分環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電樞電壓與角度的傳遞

6、關(guān)系 。由上面各個系數(shù)計算得到最后的簡化模型為 這里我選取為控制模型，15/131.40.11作為增益后面加入。第三章 模糊控制器設(shè)計3.1模糊算法采用雙輸入三輸出的模糊控制器，兩個輸入分別是位移誤差E以及位移誤差的變化率EC。輸出分別是比例系數(shù)的變化量Kp、積分系數(shù)的變化量Ki、微分系數(shù)的變化量Kd。 整個控制的輸入信號是階躍信號，所以模糊量化因子Ke=1，Kec=1,而模型的輸入是電樞電壓，其額定電壓為56V，所以輸出的比例因子Ku=56。3.2輸入/輸出隸屬度函數(shù)的設(shè)計輸入1：位移誤差，將監(jiān)測模塊傳出的對象實(shí)際位置信號與上位機(jī)傳來的位置控制信號相比較，從而得到位移誤差。采用最常用的7個語

7、言變量來定義，分別記為負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（Z），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）。隸屬度函數(shù)用三角型，基本論域-10,+10.輸入2：位移誤差的變化率，通過位置誤差可計算得，也采用最常用的7個語言變量來定義，隸屬度函數(shù)用三角型，基本論域-10,+10.輸出1：比例控制信號，此信號通過解模糊給出相應(yīng)的PWM波指令，也采用7個語言變量，分別記為負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），零（Z），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）。隸屬度函數(shù)用三角型，其歸一化的基本論域為-5,+5.輸出2：積分控制信號。此信號通過解模糊給出相應(yīng)的PWM波指令，也采用7個語言變

8、量，其歸一化的基本論域為-5,+5。 輸出3：微分控制信號。此信號通過解模糊給出相應(yīng)的PWM波指令，也采用7個語言變量，其歸一化的基本論域為-5,+5。3.3模糊規(guī)則選取模糊控制策略的設(shè)計原則可根據(jù)以下原則： （1）當(dāng)|e|較大時，可選取較大的Kp與較小的Ki，使系統(tǒng)具有快速響應(yīng)，同時為了避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，常取Ki=0.（2）當(dāng)|e|較小時，為了使系統(tǒng)應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取較小，Ki應(yīng)取適當(dāng)，Kd取值對系統(tǒng)的影響較大。（3）當(dāng)|e|較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，Kp與Kd應(yīng)取值大些，同時為了避免在系統(tǒng)中設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，Kd的選擇應(yīng)該有ec來確定，當(dāng)|ec|

9、值較小時，Kd取大些。當(dāng)|ec|值較大時，Kd應(yīng)取較小些，一般時Kd取中等 。上面是通過一些資料找到的模糊PID規(guī)則表P/I/DEC E NB NM NS Z PS PM PB NB PB/NB/PS PB/NB/NS PM/NM/NB PM/NM/NB PS/NS/NB Z/Z/NM Z/Z/PS NM PB/NB/PS PB/NM/NS PM/NM/NB PS/NS/NM PS/NS/NM Z/Z/NS NS/Z/Z NS PM/NB/Z PM/NM/NS PS/NS/NM PS/NS/NM Z/Z/NM NS/PS/NS NS/PS/Z Z PM/NM/Z PM/NM/NS PS/NS/

10、NS Z/Z/NS NS/PS/NS NM/PM/NS NM/PM/Z PS PS/NM/Z PS/NS/Z Z/Z/Z NS/PS/Z NS/PS/Z NM/PM/Z NM/PB/Z PM PS/Z/PB Z/Z/NS NS/PS/PS NM/PS/PS NM/PM/PS NM/PB/PS NB/PB/PB PB Z/Z/PB Z/Z/PM NM/PS/PM NM/PM/PM NM/PM/PS NB/PB/PS NB/PB/PB 第四章 simulink仿真4.1simulink中模糊PID控制圖此仿真是基于matlab2014a，仿真文件是slx，只適用于2013版本及以上版本。在上圖中，

11、輸入為階躍輸入。紅色部分為模糊控制器部分，其中包含的紫色部分是子系統(tǒng)，子系統(tǒng)是承接模糊控制器的輸出，然后與初始PID參數(shù)進(jìn)行相加得到最終的PID三個參數(shù)。綠色部分是PID控制部分，子系統(tǒng)得出的PID參數(shù)分別與常數(shù)1，積分，微分相乘再相加形成傳統(tǒng)PID控制部分。綠色部分之后的增益是比例因子，因為電動機(jī)額定電壓為56V。所以比例因子取56.深藍(lán)色部分是被控對象，傳遞函數(shù)后面的增益是0.11，也是我們上面說的反饋比例系數(shù)，實(shí)際控制系統(tǒng)當(dāng)中的角度傳感器。其中天藍(lán)色部分是外部0.5倍的階躍擾動。最后得到的圖像與階躍輸入比較通過示波器顯示出來子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下。初始PID的是三個參數(shù)分別是3.1、4.6、2.

12、8. 4.2模糊PID與傳統(tǒng)PID仿真比較（1）一個外擾情況下的仿真比較 首先先看在Kp=3.1，Ki=4.6，Kd=2.8時。傳統(tǒng)PID與模糊PID的階躍響應(yīng)曲線，10秒仿真時間，設(shè)定5秒時候加入0.5倍的階躍干擾。 仿真結(jié)果如下圖黃色輸入階躍信號，粉色模糊PID輸出響應(yīng)，藍(lán)色是傳統(tǒng)PID輸出。黃色輸入正弦信號，粉色模糊PID輸出響應(yīng)，藍(lán)色是傳統(tǒng)PID輸出?？梢钥闯瞿：齈ID比傳統(tǒng)PID有更快的快速，更小的超調(diào)，更迅速趨于穩(wěn)定，再面對階躍干擾時能更迅速返回穩(wěn)定狀態(tài)。 上圖是模糊PID中Kp，Ki，Kd的變化曲線 ，其中紅色是Kp，綠色是Ki，藍(lán)色是Kd。由圖可以看出，在階躍響應(yīng)還沒來時，|e

13、|為0，Kp減小，Ki增大，當(dāng)1秒后階躍響應(yīng)來時，Kp逐漸增大，Ki減小。這樣系統(tǒng)快速響應(yīng)，同時避免了大的超調(diào)。當(dāng)上升時間結(jié)束時，|e|=0，此時的Kp和Ki分別到達(dá)了自己的最大值和最小值，隨著|e|有開始逐漸增大，Kp有開始減小，Ki增大。而由響應(yīng)曲線的斜率我們可以看出|ec|在初試時候最大，然后逐漸減小，Kd的曲線顯示也是初試高然后逐漸減少。（2）一個內(nèi)外擾共同干擾情況下的仿真比較 接下來進(jìn)行在內(nèi)部和外部干擾的作用下，傳統(tǒng)PID與模糊PID的階躍響應(yīng)曲線。設(shè)定仿真時間18秒，在第5秒與第15秒的時候切換被控對象的模型，這個相當(dāng)于出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部干擾，在第10秒時加入0.5的階躍干擾，相當(dāng)于外部

14、干擾。通過觀察它們的階躍響應(yīng)曲線來說明模糊PID的優(yōu)勢。整個仿真過程如下： 由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn) ，在內(nèi)外干擾的作用下，總體上模糊PID仍相對于傳統(tǒng)PID有更快的響應(yīng)，更好的穩(wěn)定性。但不知是什么原因，雖然5秒前的模型與之前一樣，但這次的超調(diào)明顯比傳統(tǒng)PID高。目前還我還沒找到什么原因 。第五章 結(jié)論分析5.1結(jié)論分析通過上面的仿真，我們可以看出相比于無法在線改變參數(shù)的傳統(tǒng)PID，模糊PID比傳統(tǒng)PID有更快的響應(yīng)速度，更小的超調(diào)，更穩(wěn)定的響應(yīng)。尤其是在面對各種大干擾（如階躍干擾等）下，在微小干擾下兩者相差不大 。 在工業(yè)中的優(yōu)勢：傳統(tǒng)PID在粗調(diào)情況下加入模糊邏輯控制有利于得到更好的PID參數(shù)，這樣非專業(yè)人員可以使系統(tǒng)控制得很好。 在工業(yè)中的缺點(diǎn)：模糊規(guī)則需要有經(jīng)驗的專家或者師傅設(shè)定，并且模糊邏輯語言變量設(shè)置必須適當(dāng)，否則易造成參數(shù)過大導(dǎo)致系統(tǒng)部穩(wěn)定 我的這個仿真里子系統(tǒng)設(shè)定的初始Kp、Ki、Kd是從一些資料找到的適當(dāng)值。當(dāng)初始值偏高或偏低都會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果三個參數(shù)變成5.1、2.6、1時。傳統(tǒng)PID會得到很好的響應(yīng)曲線，但模糊PID因為參數(shù)過大導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定崩潰。這就說明了一般工業(yè)PID微調(diào)時，傳統(tǒng)PID比模糊更有優(yōu)勢，模糊PID只起到一些抗干擾環(huán)境或者粗調(diào)輔助的功能。 這是當(dāng)參數(shù)變成上面的三個數(shù)時，而不改變