基于模糊PID 的電動負載模擬器控制

李宗帥

（中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

電動機在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、太空探索、國防科技、農(nóng)業(yè)等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，所占據(jù)的地位也越來越重要。應(yīng)用場合的不同，使得電動機所承載的負載呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化的特點。與此同時，隨著計算機技術(shù)與電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對電動機控制的穩(wěn)定性、實時性以及精度都提出了更高的要求，因此將先進的控制策略應(yīng)用于電動機的控制系統(tǒng)很有必要。然而，在實際工業(yè)生產(chǎn)和太空探索等很多特殊情況下，對系統(tǒng)控制算法進行在線測試是不現(xiàn)實的，因此負載模擬系統(tǒng)是非常有必要的。目前機械負載的模擬系統(tǒng)主要有液壓型、電動型、機械型3 種，其中基于電動系統(tǒng)的負載模擬器以其精度高、靈活、易操作、響應(yīng)快等優(yōu)點得到廣泛研究和應(yīng)用。

文獻[1]采用前饋控制策略，利用電動負載模擬器來測試工業(yè)生產(chǎn)中的電動汽車剎車系統(tǒng)。文獻[2]采用負載模擬器來測試工業(yè)逆變器的性能，負載模擬器能夠模擬線性和非線性負載。在研究中負載模擬控制策略主要基于機械負載的逆動力學(xué)模型，逆動力學(xué)模型中一般都存在微分環(huán)節(jié)，很容易產(chǎn)生噪聲干擾。針對單純依靠基于機械負載的逆動力學(xué)模型控制策略存在的問題，學(xué)者進行了大量的研究。

電動負載模擬器是典型的力矩控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關(guān)鍵是得到負載模擬電機的參考轉(zhuǎn)矩。一般有2 種得到參考轉(zhuǎn)矩的方法：一是通過轉(zhuǎn)矩傳感器直接測量，但是卻增添了系統(tǒng)的復(fù)雜度以及非線性；另一種方法是借助系統(tǒng)辨識，通過系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)估計所需要的參考轉(zhuǎn)矩，這種方法簡單直接，能夠提高相應(yīng)的速度，并且由于不需要轉(zhuǎn)矩傳感器，所以連接軸較短，并且能夠減少多余力矩的影響，但是該方法需要負載模擬器的參數(shù)[3]。本文參考文獻[4-5]所使用的方法進行模擬負載控制研究。

1 負載模擬控制

電動機作為現(xiàn)代工業(yè)中重要的執(zhí)行機構(gòu)，帶動機械系統(tǒng)運動，其模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為了模擬實際物理系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)，采用如圖2 所示的結(jié)構(gòu)，采用一套交流電動機用以模擬實際系統(tǒng)中的機械負載。

圖1 實際物理系統(tǒng)模型Fig.1 Actual physical system model

圖2 負載模擬實驗平臺結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of load emulation experimental platform

為了實現(xiàn)負載模擬電機對實際機械系統(tǒng)的模擬，需要對負載模擬電機進行控制，圖3 所示為基本控制原理。圖中Gem（s）表示實際物理系統(tǒng)的動力學(xué)模型，G（s）表示負載模擬平臺的數(shù)學(xué)模型，G-1（s）表示逆動力學(xué)模型，Tem表示參考轉(zhuǎn)矩，Te表示實際轉(zhuǎn)矩，Tl表示由負載模擬電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。從圖3 可知，控制的關(guān)鍵是得到Tem、Te和Tl。

圖3 負載模擬控制基本原理Fig.3 Basic principles of load emulation control

式中：Jem為實際機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；Bem為實際機械系統(tǒng)的粘性摩擦系數(shù)；J 為實驗?zāi)M平臺的轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)圖3 可以得到式（1）～式（3），進一步根據(jù)以上3 個公式得出控制框圖，如圖4 所示。為了提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，通過實驗平臺中參考ωem和實驗系統(tǒng)電機實際轉(zhuǎn)速ωr的差值，引入擾動估計器Gc（s）以補償Tl，控制原理如圖5 所示。

圖4 負載動力學(xué)模擬控制原理Fig.4 Principle of load dynamics emulation control

2 模糊PID 控制器

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，其直接采用語言型控制規(guī)則，基于現(xiàn)場人員的控制經(jīng)驗，對數(shù)學(xué)模型的依賴度不高，對被控對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性，尤其適合于非線性系統(tǒng)的控制。模糊PID 控制結(jié)構(gòu)如圖6 所示，將其應(yīng)用于系統(tǒng)的控制中。圖7 所示為實現(xiàn)最終控制的整體結(jié)構(gòu)，通過速度閉環(huán)實現(xiàn)Te，通過磁粉制動器的力矩控制得到Tl。

圖7 整體控制結(jié)構(gòu)Fig.7 Overall control structure

3 實驗結(jié)果

根據(jù)圖7，通過Matlab/Simulink 建立仿真模型，如圖8 所示。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量和粘性摩擦系數(shù)的不同，分別進行仿真實驗。圖9 是Jem=J=1，Bem=B=0.01；圖10 是Jem=5J=1，Bem=B=0.01。圖11 和12 是Jem=0.5J=1，Bem=B=0.01 的情況，其中圖11 是階躍響應(yīng)，圖12是正弦跟蹤信號。

圖8 仿真模型Fig.8 Simulation model

圖9 仿真結(jié)果Jem=J=1Fig.9 Simulation result Jem=J=1

圖10 仿真結(jié)果Jem=5J=1Fig.10 Simulation result Jem=5J=1

圖11 仿真結(jié)果Jem=0.5J＝1Fig.11 Simulation result Jem=0.5J＝1

圖12 仿真結(jié)果Jem=0.5J＝1Fig.12 Simulation result Jem=0.5J＝1

從仿真實驗結(jié)果可以看出，負載模擬控制能夠?qū)崿F(xiàn)對于實際機械系統(tǒng)的模擬。

4 結(jié)語

本文對基于電動系統(tǒng)的負載模擬進行了研究，仿真實驗證明論文采用的方法在參數(shù)有變動的情況下依然適用，該實驗平臺能夠用于驗證驅(qū)動電機控制算法，也可以用于模擬負載來測試電動機的特性。