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，