船用控制手柄PID控制技術(shù)

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 連雪海

寧波財經(jīng)學(xué)院 馬 勰

浙大寧波理工學(xué)院 胡可威

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 徐 峰

浙大寧波理工學(xué)院 宋蘇諭 梁譯文 馬修水

船用控制手柄是一種用于遠(yuǎn)程操縱的控制設(shè)備，是船舶信息化中重要的一環(huán)，廣泛應(yīng)用于船舶推進系統(tǒng)、港口機械、液壓控制等領(lǐng)域。船用控制手柄根據(jù)結(jié)構(gòu)及其功能不同，可分為普通型控制手柄、船用隨動型控制手柄（包括駕駛室控制手柄和機艙接受指示手柄）、船用全回轉(zhuǎn)控制手柄。電機伺服控制技術(shù)是船用控制手柄的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于空心杯電機電樞無鐵心的特殊結(jié)構(gòu)，使其具有節(jié)能及鐵心電機無法達到的控制和拖動特性。在船用手柄開發(fā)中，主要使用的是空心杯永磁同步電機，永磁同步電機，如何實現(xiàn)永磁同步電機控制最優(yōu)，過渡過程時間短，且無靜差，控制優(yōu)化是關(guān)鍵。本文基于PID控制器介紹永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。

1 PID控制器

PID控制器主要由比例（P）、積分（I）和微分（D）模塊組成，通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp，積分時間Ti，微分時間Td三個參數(shù)，充分利用比例、微分、積分控制各自特點和優(yōu)勢，實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)特性及穩(wěn)定性，滿足高效控制的需要，設(shè)計高性價比的控制系統(tǒng)。PID控制器工作原理如圖1所示。

圖1 PID控制器工作原理

PID控制不需要推導(dǎo)和求解電機及傳動系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型即可進行有效控制，且魯棒性較好，是目前實際應(yīng)用中普遍采用的控制方法。

在PID控制系統(tǒng)中，不能單獨使用微分和積分控制，一般PI、PD模塊組合控制。在工程應(yīng)用中，比例系數(shù)、積分時間以及微分時間的合理設(shè)計和調(diào)節(jié)十分重要。一般通過階躍輸入、輸關(guān)系確定和調(diào)節(jié)比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù)；通過在階躍輸入下用示波器觀察比例輸出和積分輸出相等時確定和調(diào)節(jié)積分環(huán)節(jié)的積分時間。最后調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)的微分時間，主要是在等速斜坡輸入下比例輸出和微分輸出相等時確定和調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)的微分時間。三個參數(shù)中比例系數(shù)的改變將影響控制系統(tǒng)的輸出，積分時間影響控制系統(tǒng)的超調(diào)量和過渡過程時間，積分時間過小將會造成系統(tǒng)嚴(yán)重超調(diào)，影響控制精度及過渡過程時間，過大控制系統(tǒng)過渡過程緩慢；微分環(huán)節(jié)主要是用來消除穩(wěn)態(tài)誤差和減少過渡過程時間。調(diào)試過程中，需反復(fù)調(diào)節(jié)，只有三個參數(shù)達到一定的精度時，能夠有效地提高控制系統(tǒng)的性能。

永磁同步電機是一個非線性時變系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID的控制器不能充分利用電機的性能，因此國內(nèi)外學(xué)者用智能控制算法設(shè)計非線性控制器，使得傳統(tǒng)PID參數(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)變化自整定，具有較強的魯棒性。主流的智能PID算法有專家PID控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、基于遺傳算法整定的PID控制等。將這些智能控制算法與非線性綜合控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以使控制系統(tǒng)魯棒性更好。

2 模糊PID控制器

模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是在行為方面模仿人的模糊推理和決策的一種智能控制方法。模糊PID控制的特點如下：

（1）控制系統(tǒng)的設(shè)計不要求建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，簡化了對被控對象細(xì)節(jié)的研究，只需要提供設(shè)計和現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)，解決了控制對象復(fù)雜，建模難及模型不準(zhǔn)確等問題。

（2）控制系統(tǒng)的魯棒性強，適用于處理非線性、時變及滯后等復(fù)雜系統(tǒng)控制問題。

（3）控制推理采用“不精確推理”，模仿人的思維過程，基于先前的經(jīng)驗，借助于機器學(xué)習(xí)等先進技術(shù)，因而能夠解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制。

模糊PID控制過程分為模糊化、模糊邏輯推理和解模糊判斷三個步驟，在實施過程中，分別由模糊PID控制器的模糊器、模糊推理機和解模糊器完成。模糊系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于模糊控制器的優(yōu)劣，與模糊控制器的結(jié)構(gòu)、模糊規(guī)則、推理算法以及模糊決策方法等因素有關(guān)。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，數(shù)據(jù)庫與推理庫構(gòu)成知識庫。

3 自適應(yīng)PID控制器

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)PID控制能在對被控對象的模型和擾動的先驗知識了解比較少的情況下，即被控對象動態(tài)模型的參數(shù)未知或者模型參數(shù)隨時間變化的情況下，能夠根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)測量值對控制器的控制參數(shù)進行實時調(diào)整，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)能夠按照期望控制目標(biāo)，實現(xiàn)預(yù)期的控制系統(tǒng)性能。

自適應(yīng)PID控制分為模型參考自適應(yīng)控制和自校正自適應(yīng)控制兩類。模型參考自適應(yīng)控制先人為構(gòu)建理想的控制系統(tǒng)模型作為參考模型，通過計算參考模型輸出值，再實測實際被控對象的輸出，將理論計算輸出值與實測值比較，得到實際差值，設(shè)計自適應(yīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變系統(tǒng)中可調(diào)控制器，使差值控制在誤差允許的范圍內(nèi)。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是要選取合適的參考模型，但是，合適的模型選取是非常困難的，且模型很難實現(xiàn)，因此，模型參考自適應(yīng)控制方法沒有廣泛應(yīng)用。

在線自校正自適應(yīng)控制是先進行參數(shù)辨識，再調(diào)整自適應(yīng)控制算法的方法。首先通過在線辨識控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，再根據(jù)控制參數(shù)與控制器結(jié)構(gòu)，在線實時調(diào)整控制器參數(shù)，使被控對象運行在誤差允許的范圍內(nèi)，并具有一定的穩(wěn)定裕度，達到自適應(yīng)控制目的。

自適應(yīng)PID控制雖然具備傳統(tǒng)PID控制方法不具備的優(yōu)點，但是，目前自適應(yīng)控制存在應(yīng)用不廣、理論研究薄弱、被控對象適用范圍窄、數(shù)學(xué)計算復(fù)雜等問題，制約了自適應(yīng)PID控制的推廣和應(yīng)用，需要進一步深化研究。

4 自抗擾控制器

自抗擾控制器基于PID控制器研究思路，韓京清等針對PID控制固有的缺陷進行改進，提出了自抗擾控制技術(shù)，其控制器設(shè)計不僅不依賴系統(tǒng)的精確模型，而且基于自適應(yīng)控制算法和模型，通過協(xié)同控制系數(shù)的調(diào)整，在穩(wěn)定性和魯棒性等方面，控制性能均有顯著的提高。

為了提高控制器的性能，自抗擾控制技術(shù)采用兩種措施提高控制器的控制性能。一是通過跟蹤微分器跟蹤系統(tǒng)的參考輸入，設(shè)計過渡過程參數(shù)，通過擴張狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)的廣義狀態(tài)和廣義輸出，通過系統(tǒng)的廣義誤差進行控制；二是通過擴張狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)擾動，通過對擾動項設(shè)計前饋控制，減小擾動對控制系統(tǒng)的影響。

自抗擾控制器一般由跟蹤微分器(TD)、擴張狀態(tài)觀測器(ESO)、非線性狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)控制器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

自抗擾控制通過實時估計系統(tǒng)的內(nèi)部擾動和外部擾動，設(shè)計前饋控制器對控制信號進行補償，將系統(tǒng)整定為積分串聯(lián)型控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的有效控制。由于控制系統(tǒng)不依賴物理模型的精確性，魯棒性強，在電機伺服控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時，大量的研究和實驗證明自抗擾控制對于時滯系統(tǒng)具有良好的控制效果。

5 滑模變結(jié)構(gòu)控制器

滑模變結(jié)構(gòu)控制是由前蘇聯(lián)學(xué)者Utkin和Emelyanov提出，是一種控制結(jié)構(gòu)可變的控制方法。該控制方法與其他控制方法不同在于其控制的不連續(xù)性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制，當(dāng)被控對象參數(shù)發(fā)生變化時，根據(jù)當(dāng)前被控對象檢測的參數(shù)，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)可變的控制器作用于被控對象，迫使被控對象的控制狀態(tài)按照期望的控制目標(biāo)控制，達到預(yù)期的控制性能。

滑模變結(jié)構(gòu)理論形成了一整套綜合系統(tǒng)的獨立理論，包括滑膜變結(jié)構(gòu)模態(tài)的設(shè)計方法，控制器各種綜合方法，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，系統(tǒng)到達穩(wěn)定的條件等?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是解決非線性系統(tǒng)控制很好的方法。

小結(jié)：本文以船用控制手柄用空心杯永磁同步電機控制為例，分析了PID控制器、模糊PID控制器、自適應(yīng)PID控制器、自抗擾控制器、滑模變結(jié)構(gòu)控制器等特點及應(yīng)用，在應(yīng)用過程中，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，合理地選擇具體的控制方式，提高控制系統(tǒng)的性能。