模糊PID控制技術在電機耐久試驗系統中的應用

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，使系統具有良好的動態性能。

關鍵詞：耐久試驗系統；模糊PID控制技術；小型直流電機；電機轉矩；PID參數 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及性能穩定性要求非常高，因此在電機出廠前需要進行相關參數的測試，這些測試主要是為了測出電機的一些極限參數，這些參數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形成的電機特性曲線才能更完整地反映電機運行的狀態。針對電機的市場需求，電機耐久試驗監控系統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外，而且系統滿足了實時性和快速性的需求，能夠很快到達預定工作點。

傳統的PID控制對系統出現較大偏差的情況很難達到預設工作點，會出現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，同時也避免了超調或工作點來回擺動的現象。而模糊控制針對大偏差系統有較快的調節作用，PID控制可以在小偏差范圍內得到較理想的性能效果。基于上述考慮，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中，獲得了良好的控制效果。

1 模糊PID控制系統的基本原理

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

本文采用模糊自整定技術對系統的PID參數進行整定，其主要原理如圖1所示：

圖1 常規PID參數模糊自整定框圖

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

2 模糊PID控制器在電機耐久測試系統中的應用

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

圖2 測試系統的構成框圖

該系統通過力矩、速度傳感器檢測電機的轉矩和速度送至直流穩壓穩流電源后，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字控制信號，再通過數模轉換器將處理后的數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。根據系統性能指標要求，選用隸屬度函數曲線如圖3所示：

圖3 輸入轉矩偏差隸屬度函數曲線圖

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}。選用隸屬度函數曲線如圖4所示：

圖4 轉矩偏差變量△e隸屬度函數賦值曲線

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

圖5 模糊控制器△u隸屬度函數曲線圖

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

2.2 模糊清晰化過程設計

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

根據系統實際運行的經驗，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

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，并且有超調現象。而采用模糊PID控制器調節，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，對出現大偏差的情況，采用模糊PID控制器明顯優于傳統PID控制器，系統可以快速地使電機達到穩定工作點，并且沒有任何超調現象。

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