模糊控制PID的直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

李淑女

【摘 要】闡述了模糊控制PID算法的結(jié)構(gòu)、控制算法以及在單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。通過模糊控制來適應(yīng)調(diào)節(jié)比例、積分、微分的作用，使單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)獲得自適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)節(jié)時間短的優(yōu)勢和較好的魯棒性。

【關(guān)鍵詞】模糊控制 PID 單片機(jī) 直流電機(jī)

【中圖分類號】TP273.4;TM33???【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A???????????????【文章編號】2095-3089（2015）17-0230-02

引言

在直流電機(jī)的控制過程中往往具有不確定性和非線性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)PID控制算法難以達(dá)到理想的控制效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合模糊控制算法，按模糊控制理論建立模糊控制規(guī)則并求出模糊控制表，根據(jù)提取到的直流電機(jī)采樣信息查詢模糊控制表來對電機(jī)進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)向的控制。

1、直流電機(jī)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制、信息處理和直流電機(jī)的控制。在窗簾機(jī)的應(yīng)用上面，直流減速電機(jī)可精確控制，又能彌補(bǔ)步進(jìn)電機(jī)無電狀態(tài)下不能轉(zhuǎn)動的缺陷。采用L298N驅(qū)動直流電機(jī)，利用PWM調(diào)制與使能變換的方式可進(jìn)行電機(jī)調(diào)速與變向。控制窗簾開合的過程中同時檢測光電開關(guān)的狀態(tài)，以確定當(dāng)前窗簾/窗戶的狀態(tài)。通過對電機(jī)角速度的采樣分析，利用單片機(jī)進(jìn)行信息處理并優(yōu)化控制。

2、PID控制

按偏差信號的比例、積分和微分進(jìn)行控制的控制器稱為PID控制器，其控制規(guī)律成為PID控制算法。如圖1所示，給定值與輸出值的偏差e（t）的比例、積分和微分線性組合，形成控制量u（t）的輸出。

式中：u（t）-控制器的輸出??Kp?-控制器的比例系數(shù)。

Ti-控制器的積分時間常數(shù)。?Td-控制器的微分時間常數(shù)。

e（t）-控制器輸入，給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號。

PID控制器中的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)的參數(shù)都必須選取適當(dāng)，否則也會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。（1）比例環(huán)節(jié)能迅速反映偏差從而減小偏差，控制作用強(qiáng)弱取決于Kp。Kp越大，則過渡過程越短，穩(wěn)態(tài)誤差也越小;但Kp越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致動態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)：只要存在偏差，積分的控制作用就會不斷積累，輸出控制量以消除偏差。但積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）微分環(huán)節(jié)：微分控制有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時間Td決定。Td越大，抑制e（t）變化的作用越強(qiáng);Td越小，反抗e（t）變化的作用越弱。

PID控制系統(tǒng)的連續(xù)時間信號經(jīng)過采樣和整量化后，變成的數(shù)字量無論是積分還是微分都只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。因此PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分、差商代替微商，使?PID?算法離散化，將描述連續(xù)時間?PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時間?PID?算法的差分方程，即為數(shù)字PID?位置型控制算式。

其中Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。

PID控制在穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度方面都體現(xiàn)很好，其適應(yīng)性強(qiáng)，適應(yīng)各種控制對象。但參數(shù)的整定是PID控制的一個關(guān)鍵問題，動態(tài)特性不太理想;PID控制不具有自適應(yīng)控制能力，對于時變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時，控制性能會產(chǎn)生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

3、模糊控制

模糊控制是以模擬集合論、模擬語言變量和模擬推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法。它模擬人的思維推理過程，構(gòu)造一種非線性控制，以滿足復(fù)雜的、不確定的過程控制需要。

模糊控制器的控制規(guī)律由程序?qū)崿F(xiàn)。首先根據(jù)采樣值得到模糊控制器的輸入量并進(jìn)行量化處理;量化后的變量進(jìn)行模糊化處理，得到模糊量;根據(jù)輸入模糊控制量及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量（輸出的模糊量）;對模糊輸出量進(jìn)行模糊化處理，得到控制量的精確量，并進(jìn)行輸出量化處理，得到實(shí)際控制量。

3.1模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器的設(shè)計(jì)包括四個層面：模糊控制器輸入輸出量的確定、輸入輸出變量模糊集合和隸屬函數(shù)的確定、模糊控制規(guī)則表、反模糊化處理求取輸出控制量。

在模糊控制器中，模糊控制規(guī)則表是系統(tǒng)控制自整定最重要的環(huán)節(jié)。變量包括系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec、輸出控制量u。根據(jù)系統(tǒng)輸出的偏差及偏差變化率趨勢來消除偏差，得到模糊控制規(guī)則。

通過模糊控制規(guī)則表的查詢，反模糊化處理可求取精確的輸出控制量。

3.2自適應(yīng)模糊控制算法

模糊控制與PID控制結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制。PID控制的關(guān)鍵是參數(shù)的確定，自適應(yīng)模糊控制算法是用模糊控制來確定PID參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改。先找出PID各個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，再根據(jù)模糊控制原理來對各個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小，易于在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)參數(shù)Kp、Ki和Kd對系統(tǒng)輸出特性的影響，可歸納出在不同的e和ec時，被控參數(shù)Kp、Ki和Kd的自整定要求，從而可得模糊控制規(guī)則的語言描述為：

不同的偏差e和偏差變化率ec，對PID控制器參數(shù)Kp，Ki，Kd的整定要求不同。

4、結(jié)論

自整定模糊PID控制器系統(tǒng)的響應(yīng)速度迅速，調(diào)節(jié)精度提高，穩(wěn)態(tài)性能好，而且沒有超調(diào)和震蕩。在單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，減少了系統(tǒng)誤差，使得系統(tǒng)控制更加精確，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。