模糊PID控制技術在電機耐久試驗系統(tǒng)中的應用

鄒存名　等

摘要：文章針對小型直流電機耐久性能測試中需要快速、準確地控制電機達到某一工作點的問題，提出采用模糊PID控制器進行調整，實現(xiàn)了被測電機以較短時間運行到目標轉矩工作點處且超調量較小。與常規(guī)PID控制器進行比較，模糊PID控制器控制效果更好，調整時間短，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

關鍵詞：耐久試驗系統(tǒng)；模糊PID控制技術；小型直流電機；電機轉矩；PID參數(shù) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）19-0062-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.030

汽車座椅所用的電機對其參數(shù)及性能穩(wěn)定性要求非常高，因此在電機出廠前需要進行相關參數(shù)的測試，這些測試主要是為了測出電機的一些極限參數(shù)，這些參數(shù)主要包括電機運行的轉矩，同時在該轉矩下，電機所消耗功率及電機在該轉矩下的轉速。這樣所得到的電機運行參數(shù)形成的電機特性曲線才能更完整地反映電機運行的狀態(tài)。針對電機的市場需求，電機耐久試驗監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有測試電機的轉矩及該轉矩下對應的轉速和功率消耗參數(shù)外，而且系統(tǒng)滿足了實時性和快速性的需求，能夠很快到達預定工作點。

傳統(tǒng)的PID控制對系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏差的情況很難達到預設工作點，會出現(xiàn)超調和響應速度慢等問題。

為了更好地測試電機的運行性能，系統(tǒng)驅動電機達到預定工作點的時間盡量短，以避免電機沒在工作點時運行時間過長而過熱，使電機不能準確測出電機的具體運行參數(shù)，同時也避免了超調或工作點來回擺動的現(xiàn)象。而模糊控制針對大偏差系統(tǒng)有較快的調節(jié)作用，PID控制可以在小偏差范圍內得到較理想的性能效果?；谏鲜隹紤]，本文提出采用模糊PID控制技術相結合應用到電機耐久測試系統(tǒng)中，獲得了良好的控制效果。

1 模糊PID控制系統(tǒng)的基本原理

對于時變的復雜控制系統(tǒng)和無法建立模型的控制系統(tǒng)，常規(guī)PID控制效果比較差，其PID參數(shù)確定就更加困難，很難達到預期效果；而模糊控制系統(tǒng)對小誤差特別是穩(wěn)態(tài)誤差的處理是很困難的，經(jīng)常在穩(wěn)態(tài)點附近有小范圍振蕩現(xiàn)象，對系統(tǒng)需求控制精準度較高的場合很難實現(xiàn)。綜上所述，如果將兩種方法結合使用，兼有兩者優(yōu)點構成了模糊PID控制器。

本文采用模糊自整定技術對系統(tǒng)的PID參數(shù)進行整定，其主要原理如圖1所示：

圖1 常規(guī)PID參數(shù)模糊自整定框圖

利用模糊控制技術，建立PID各個參數(shù)與偏差e和偏差變化率de之間的關系的規(guī)則庫，先將PID控制中的參數(shù)模糊化，再進行模糊推理，清晰化，從而使控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進行實時智能化的整定。其主要的實現(xiàn)原理是實時檢測PID控制系統(tǒng)運行中de和e，再通過規(guī)則庫對來對PID各個參數(shù)進行整定，從而滿足系統(tǒng)的復雜控制要求，使被控對象具有很好的動態(tài)性能，且計算量小。

2 模糊PID控制器在電機耐久測試系統(tǒng)中的應用

電機耐久試驗系統(tǒng)的上位機主要是由工控機構成，下位機主要是由直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源（0～30V、0～100A）、AD調理卡、FV轉換器組成，如圖2所示：

圖2 測試系統(tǒng)的構成框圖

該系統(tǒng)通過力矩、速度傳感器檢測電機的轉矩和速度送至直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源后，進行濾波、放大、隔離及A/D轉換等處理后送給計算機，由計算機通過模糊控制技術整定處理數(shù)字控制信號，再通過數(shù)模轉換器將處理后的數(shù)字信號送到控制電路中，調整電機的勵磁電流從而改變電機運行轉矩，實現(xiàn)了對電機達到預定工作點的控制。

下面以轉矩為例，說明系統(tǒng)模糊PID控制器的設計流程。

2.1 模糊控制器的模糊化過程設計

量化輸入轉矩偏差e的論域為[-12，+12]，e的模糊子集定義為集：{PB，PM，PS，PZ，ZE，NZ，NS，NM，NB}。

為了實現(xiàn)模糊控制器輸入轉矩的精準控制，在預定運行轉矩點應具有較高分辨率。根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，選用隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示：

圖3 輸入轉矩偏差隸屬度函數(shù)曲線圖

量化輸入轉矩偏差變化率△e的論域為[-7，+7]。△e的模糊子集定義為集：{PB，PM，PS，ZE，NS，NM，NB}。選用隸屬度函數(shù)曲線如圖4所示：

圖4 轉矩偏差變量△e隸屬度函數(shù)賦值曲線

量化轉矩輸出變量△u的論域為[-12，+12]?！鱱的模糊子集定義為集：{PB，PM，PS，PZ，ZE，NZ，NS，NM，NB}。根據(jù)轉矩偏差變化量△u，選用隸屬度函數(shù)曲線如圖5所示：

圖5 模糊控制器△u隸屬度函數(shù)曲線圖

綜上所述，利用以上3種模糊規(guī)則曲線方式，實現(xiàn)了系統(tǒng)轉矩輸入量和系統(tǒng)轉矩輸出量的模糊化過程。

2.2 模糊清晰化過程設計

由于本系統(tǒng)控制精度要求，系統(tǒng)采用兩維矩陣輸入和一維矩陣輸出。由模糊關系原理，當系統(tǒng)轉矩輸入偏差為NB，系統(tǒng)轉矩輸出控制變化量為ZE，系統(tǒng)轉矩輸入偏差變化量為PB時。

根據(jù)系統(tǒng)實際運行的經(jīng)驗，可以定義實際模糊控制關系表如表1所示：

表1 模糊控制關系表

3 試驗的結果及分析

下面針對某直流電機進行耐久測試，使用PID控制器和模糊PID控制器方法分別進行分析。試驗參數(shù)

如下：

電機的額定功率為150W，電機空載轉速為1200r/min；改變轉矩的過程為：電機空載，預定工作點轉矩為1.2N·m，預定工作點轉矩0.6N·m。用示波器測量試驗后所測曲線如圖6所示：

圖6 PID控制轉矩調節(jié)響應曲線與模糊PID控制比較

從圖6中可以清晰地看出，采用模糊PID控制器時要比采用常規(guī)PID控制器上升時間縮短0.5s，并且沒有任何超調，響應曲線也比較平滑，響應速度快。

因此，采用PID控制器在響應速度上較模糊PID控制器緩慢，并且有超調現(xiàn)象。而采用模糊PID控制器調節(jié)，可以控制被測電機很快地運行到目標轉矩點，并且沒有超調，可以得到較好的控制效果。

4 結語

試驗結果表明，對于電機期望工作點的調節(jié)，對出現(xiàn)大偏差的情況，采用模糊PID控制器明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器，系統(tǒng)可以快速地使電機達到穩(wěn)定工作點，并且沒有任何超調現(xiàn)象。

參考文獻

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基金項目：大連瓦房店市科技局2013年項目。

作者簡介：鄒存名（1982-），男，遼寧大連人，大連科技學院電氣工程系講師，碩士，研究方向：多自由度機器手臂控制。

（責任編輯：陳 倩）endprint