模糊PID控制在電機中的應用與研究

武警工程大學研究生管理大隊12隊　徐新國

武警工程大學信息工程系技術偵查教研室 陳軍峰

模糊PID控制在電機中的應用與研究

武警工程大學研究生管理大隊12隊徐新國

武警工程大學信息工程系技術偵查教研室 陳軍峰

磁場定向是矢量控制中必不可少的，但矢量控制嚴重依賴于電動機的數學模型，在電動機的矢量控制中，由于系統本身加上外在環境變化的影響，其運行參數常常發生變化，為提高系統控制品質，可對控制進行模糊化處理。通過建立電動機仿真模型，在MATLAB/ SIMULINK中改變電動機運行參數進行仿真實驗。結果表明，通過模糊PID控制策略，可以產生更強的控制效果，有效提高系統的魯棒性。

異步電動機；矢量控制；模糊PID控制；控制品質

0　引言

在工業控制系統中，無論控制的對象有多么復雜，大多數的控制回路都會采用PID控制算法。為獲得一個滿意的控制性能，單純采用線性控制方式還是不夠的，為此，許多不同的設計策略被提出，這些策略將線性PID控制器轉化為PID型模糊控制結構。

1　模糊PID原理

1.1常規PID控制

在常規PID控制中，給定值與測量值進行比較，得出偏差e（t），并依據偏差情況，給出控制作用u（t），在連續時間域上，PID控制器具有如下形式：

式中，u（k）為第k次采樣時控制器的輸出；k為采樣序號，e（k）為第k次采樣時的偏差值；T為采樣周期；e（k-1）為第（k-1）次采樣時的偏差值［1］。離散PID控制算法有如下3類：位置算法、速度算法和增量算法。模糊控制器是內在非線性的，因此必須采取一些措施使它們盡可能地接近線性結構。PID控制器的離散形式包含所有以前時刻的控制誤差值求和，不便于實現，較好的解決辦法是采用第三類即增量算法作為控制器的輸出：

式中：

1.2常規PID控制的啟發

大多數的工業被控對象本身就有慣性或滯后特性，而且控制系統中被控對象動力學特性的內部也具有不確定性，加上外部環境的擾動，使控制問題復雜化。從物理本質上看，控制過程是一種信息處理及能量轉移的過程。因此，控制系統設計的關鍵在于，以最短的時間和最小的代價實現系統按預定的規律進行能量轉移，提高信息處理能力［2，3］。

而通過以上分析PID控制中的三種基本控制作用可以發現，它們實現的功能與人的行為有些類似。比例作用，實際上是一種線性放大（或縮?。┳饔茫行╊愃朴谌四X的想象功能，人可以把一個量想象的大或小一些，但人的想象力具有非線性和時變性。積分作用，實際上是對誤差信號的記憶功能。但這種記憶功能也不加選擇的記住了誤差，其中包含了對控制不利的信息，而人的記憶是具有選擇性的。微分作用，反映了信號的變化趨勢，和人的預見性有點類似，但這種預見性不善于對變化緩慢的信號進行預測，缺乏遠見卓識。

所以，為了獲得滿意的控制系統性能，還必須引進一些非線性控制方式，通過對PID控制進行模糊化處理［4］可以很好達到預期效果。

2　電動機參數變化對磁場定向和系統性能的影響

磁場定向是實現矢量控制的前提和基礎，而電動機參數值［6］如果在運行中發生變化，將直接影響到磁場定向的準確性，進而造成系統穩態和動態性能下降。因此，降低電動機參數變化的影響變得尤為重要。

轉子磁鏈位置在矢量控制［7，8，9］中是一個非常重要的參數，沒有它就無法進行Park變換和逆變換。因此，有必要尋找一種能夠準確獲得轉子磁鏈位置的方法，在MT坐標系中，電動機的電流模型滿足下面兩式：

轉子電壓模型滿足下式：

由式（1）（2）可得：

由（3）可得：

假定此時MT軸系已按轉差頻率法間接磁場定向，實際參數Rr、Lr和Lm的數值分別與給定值相符，于是可得到如圖2所示的矢量圖和相位關系。

圖2　磁場定向時定、轉子電流矢量圖

圖3 磁場定向破壞后定、轉子電流矢量圖

3　實驗結果及仿真

3.1搭建仿真模型

在Simulink環境下，利用Sim Power System Toolbox自帶的模塊庫，在分析異步電機數學模型的基礎上，可建立基于轉子磁場定向的矢量控制系統仿真模型［12，13，14］。根據模塊化建模的思想，將控制系統分割為各個功能獨立的子模塊，主要有：SVPWM模塊、模糊PID控制模塊、電流讀取模塊、轉子速度/位置反饋模塊、Clark、Park以及Park反變換模塊。通過將這些功能模塊有機結合，就可以搭建出仿真模型。

3.2進行仿真并分析仿真結果

（1）參數變化前電機給定轉速與實際轉速

圖5　常規PID控制

圖6　模糊PID控制

（2）參數變化后電機給定轉速與實際轉速

圖7　常規PID控制

圖8　模糊PID控制

4　結論

本文首先分析了異步電動機的數學模型，根據運行中可能出現的參數變化以及對系統穩定性的影響，結合模糊PID控制算法，對系統進行了仿真。分析仿真結果，可以看出，通過對PID控制進行模糊化處理，可以增強系統對不確定性因素的適應性，即魯棒性，提高系統控制質量。

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徐新國（1992—），男，在讀碩士研究生，研究方向：信息與通信工程。

陳軍峰（1968—），男，武警工程大學信息工程系技術偵查教研室講師。