PID控制;模糊控制;模糊PID控制器

摘要交流伺服电机现广泛应用于机械结构的驱动部件和各种数控机床。

PID控制是伺服系统中使用最多的控制模式之一。

尽管传统的PID控制系统构造简单、运转稳定，但交流伺服电机存在非线性的、强耦合。

当参数变动或非线性因素的影响发生变化时，控制不能实时改动，不能满足系统高性能、高精度的要求。

结合模糊控制和传统PID控制成一种新的控制方法--模糊PID控制是解决上述问题的一种很好的途径。

模糊控制器不需要被控对象的数学模型，而是根据之前人为设定的控制要求设计用来控制的决策算法，使用此方式确定控制量。

模糊控制和传统PID控制融合的结果，不单具有模糊控制的高性能，还具备传统PID控制精准度高的长处。

本文对PID控制算法的原理和模糊控制算法作了简要的描述和比较。

指出模糊PID混合控制法，在误差很大时使用模糊控制,在不大时使用PID控制,在MATLAB软件中，对交流伺服系统的位置控制进行了仿真。

结果表明，该控制系统仿真结果与理论上差距较小。

关键词：PID控制；模糊控制；模糊PID控制器；MATLAB第1章绪论1.1 研究课题的任务本课题的任务是了解交流伺服系统，比较并结合两种控制的优点，结合成一种新的控制方式--模糊PID控制。

该控制法在系统输出差距大时采用模糊控制，而在差距较小时采用PID控制。

文章最后给出了模糊PID位置控制的MATLAB响应图，同时给出了常规PID控制下的效果图，并比较分析。

1.3 交流伺服系统工作原理相对单一的系统，其一般是根据位置检测反馈组成闭环位置伺服系统。

其组成框图参考图1-1内容[14]。

此类系统主要原理是对比输入的目标位置信号和位置检测设备测试的真实位置信号统计其偏差且使用功率变换器的输入端弱化误差。

控制量被信号转换和功率放大驱动，驱动伺服组织，促使误差不断缩减少，一直到最佳值。

（1）位置检测装置是此类系统的关键构成方面，完整系统的动态功能是否可以满足需求，关键的是位置检测传感器的科学选择以及精度。

当前普遍使用的位置传感器主要是接触式，接近式，曲轴位置，节气门位置等多种类型的传感器。

（2）在此类系统中，功率变换器是完成此类电机高性能调速的关键。

此外，它应该具备较稳定的输出功率和较高的调频电压精度，而且还需要在有温差是稳定运行的能力、较强的电磁抗干扰能力、系统异常保护的功能。

（3）伺服电机是伺服系统的主要组成部分。

伺服电机具有良好的低速特性是伺服电机具有高精度的关键。

伺服系统的快速响应（急停，启动）也指出此类电机需要具备更小的转动惯量、较高加速转矩（过载转矩）、相对平稳性等。

当前被普遍使用的主要是感应式交流异步电动机等类型。

（4）控制器其一般包含微处理芯片，比如微处理器以及数字信号处理器（DSP）等部分。

一般闭环控制系统的功能更加完善，具备方位、速度与电流反馈等功能。

参考图1-2可知。

图1-2 交流伺服系统的三闭环结构电流环和速度环全部是内环。

前者的功能是：提升内环控制主体的传递函数的精准性，促进系统的平稳运作。

避免电流环内部的干扰；防止发生电路内电流超出额定数值的问题，保证系统的安全运行。

速度环的作用是减小负载扰动对系统的作用以及弱化电机转速变化。

位置环的功能是确保当前静态与动态跟踪功能，是交流伺服系统的平稳性与功能齐全的关键基础，是最主要的反馈环节。

多回路控制系统调节器要从内而外逐个设计。

对于三环位置伺服系统，首先设计电流调节器，而后将电流环作为速度环中的一个环节，在其他环节中生成速度调节器的被控对象，并设计速度调节器。

最后，把所有速度环当做位置环中的重要部分来设定位置调节器。

依次设计可确保所有环的平稳性，这使得整个控制系统的稳定性都能得到保障。

位置伺服系统的控制量是电机的转子的角位移。

当目标要求位置任意变化时，系统关键工作是让输出量高效且精准的被传达。

位置伺服系统现实特点：1）此系统现实作用是让目标高效的从起始位置到预期位置2）需要具备精准度高的位置传感器，进而传递位移误差的电信号。

3）电压与功率放大器、拖曳系统全部可逆。

4）控制系统需要尽量达到稳态精度与动态高效响应的标准。

第2章PID位置控制2.1 PID控制的特点在PID控制器内，比例控制可以高效反映误差，进而减低稳态误差。

但是，此控制无法去除稳态误差。

因此在参数调整中，增加比例放大系数会造成不稳定问题。

积分控制主要作用是，在系统出现误差，积分控制器接连累计，输出控制量，去除误差。

所以，只需要充足时间，积分控制就可以全面去除误差，促使系统误差变成零，进而去除稳态误差。

然而积分功能强大，导致系统超调，乃至造成振荡问题。

差分控制可弱化超调问题，处理振荡，提升综合平稳性，提升系统动态反映效率，减少调节时间，强化综合动态功能。

因此，当采用PID控制时，必须适当调整比例放大系数Kp、积分时间TI和差分时间TD，使整个控制系统获得良好的性能。

2.1.1 PID控制的优点1.原理浅显，应用便利2。

适应性强，可普遍使用在化工、热工、冶金、造纸、建材等相关组织。

PID控制的自动调节器逐渐完成商业化目标。

在当前执行部分，也逐渐研发出机械、液压、电子等发展阶段，但它们从未与PID分离。

即使在最新的最先进的计算机中，它的基本控制功能仍然是PID控制〔15〕。

三。

它是鲁棒的，也就是说，它的控制质量对受控对象的变化不敏感。

由于这些优点，PID控制始终是过程控制的第一指导。

大型现代生产装置的控制回路可以大到1200个以上，其中大部分由PID控制。

然而生产环节持续增多，控制问题频繁出现，对精度的要求更加严苛。

之前的PID控制无法全面满足现实需求，换句话说，需要持续改善与优化PID控制模式，进而满足持续变化的现实需求。

2.1.2 PID控制的局限性PID控制器的主要不足是其对受控主体的依赖性。

主要以受控主体的精确数学模型为前提，在系统内一般不会发生类似问题：大部分系统，尤其是工业过程相对繁琐，所以无法精准叙述上述PR的传递函数或状态方程。

闭锁。

因为对控制器质量的标准更加严苛，控制主体更加复杂。

只使用一般PID控制器无法顺利完成目标。

2.2 位置环数字PID控制 首先，交流伺服系统要求具备高效跟踪功能，也就是要求对输入信号的高效响应，较少误差，较短过渡时间，不存在过冲或者微弱振荡。

其次，稳态精度高，也就是稳态误差不大，定位精准度高。

但是，某些PID控制出现超调量大、调整时间长、控制效率不高等问题，因此参数选择相对复杂。

在一般数字PID控制系统内，积分部分的主要目标是弱化静态差，提升精度，然而在开始、完结或明显增加、设定值下降的时候，系统输出偏差很大。

其会造成积分积累，造成过冲乃至振荡问题，是伺服系统。

电动机运作运行不顺利。

为了弱化积分修正对电机运作时期控制系统动态性能的影响，使用积分分离PID控制算法。

在电动机真实位置与确定位置的误差低于相应数值的时候，增加积分校正程序，进而减少综合稳态误差〔16〕。

2.2.1 积分分离PID控制算法此算法也要设定积分分离阈值E。

使用仿真来明确上述阀值E。

在ûe(k)û>E时，也就是偏差值很大的时候，使用PD控制，进而防止因积分累积造成太大的超调量，促使伺服系统高效响应；在ûe(k)û≤E时，也就是偏差值相对小时，使用PID控制，进而减低系统误差，确保此类电机的位置控制精准性。

位置式PID算式写成积分分离方式是:(2-1)其中: u(k) ——控制量；e(k) ——误差值；K -采样序列号，K＝0，1, 2, ……；T ——采样周期；K p——比例系数；T i ——积分时间常数；T d——微分时间常数；β——积分项的开关系数2.2.2 积分分离PID控制算法流程依照(2-1)式可编写出具体的控制程序，算法流程图参考图2-1。

2.3 控制系统参数的整定PID参数的初值根据预整定得出，参数整定的现实工作是明确KP、TI、TD与采样周期T。

在比值系数Kp变大时，系统操作敏锐，效率高，而总成造成振荡，调节时间久，积分时间常数Ti高，综合稳态误差可去除，然而平稳性好。

差分控制可优化动态特性，避免过冲，减少调整时间。

普遍使用的参数整定方式主要是扩展临界比例法、扩展响应曲线法以及归一化参数整定法。

上述方式是从Ziegler Nichols（Ziegler Nichols）〔17〕规则延伸出来。

通常指出，交流伺服系统模型是具备延迟部分的一阶模型（滞后的第一步）：(2-2)其中, K、L 与Tc 主要是被控主体的放大系数、纯延迟时间与常数。

利用MATLAB中的Simulink仿真系统，开展阶跃输入激励, 得出响应曲线参考图2-2,之后依照曲线得出其特征参数。

所以，其能利用Ziegler Nichols设置规则获得。

Kp= 1.2Tc/KL, Ti= 2L , Td= 0.5L 。

图2-1 PID控制流程图图2-2 阶跃响应曲线第3章模糊控制理论基础3.1 概述美国加利福尼亚学校L.A.Zadah专家在1965年撰写《Fuzzy Set》[18]开启模糊数学发展历史，此后，模糊数学开始得到关注。

此类数学用在控制部分的最早时间是1973年，此后模糊控制被普遍重视，大量分析汇聚在：模糊逻辑：模糊控制器设计；模糊逻辑硬件设计；应用研究等部分。

模糊控制是使用语言来诱导算子的控制方式，且使用语言变量与模糊集理论产生控制算法。

突出特征是绕过物体的不明确性、不精准性、噪声、非线性、时间变化与延迟。

其具备强大的鲁棒性，可以被使用在非线性、时变与时滞系统的控制中。

此类逻辑控制设计便利，便于认知，即便是非专业人员也能轻松设计，所以具备较好的商用性与可行性。

之前的自动控制不能处置大众语言内的模糊性，其中模糊集合与逻辑的出现可以妥善处理描述控制规则的条件语句内比如“较大”、“稍小”、“过高”等具备相应模糊性的词汇，使用模糊集合来叙述上述语句，就可以组成模糊控制器。

1974年Mamdani[19]第一次设计出模糊控制器，且将其使用在锅炉与蒸汽机上，得到良好的成就，模糊控制随之出现。

模糊控制和经典控制的主要差异就是其不需要创建被控主体（或过程）的精准数学模型，主要依靠个人的知识积累，通过个人思维与逻辑推理方式来“直接”开展控制。

通常PID控制在原理与方式上并不相同。

模糊逻辑主要使用模糊逻辑与近似推理来对大众知识与经验开展形式化与建模。

其变成计算机可认可的控制模型，促使计算机可以取代大众开展高效的全面控制。

3.2 模糊控制器的基本结构与组成模糊控制主要原理通过图3-1呈现出来，其主要方面是模糊控制器。

此控制器的控制律被计算机程序完成。

其中主要理论是利用微机中断采样来得到受控量的输入量。

把偏差信号E的精准量模糊化成模糊量，使用对应的模糊语言代表偏差e的模糊量，得出偏差e的模糊语言集的子集。