智能小車雙閉環模糊PID直流調速系統的設計

呂成龍+李軍紅++郭鳳梅+孫曉++俞家傲++張進如

摘 要：智能小車要根據跑道狀況隨時調整速度，高速過彎時需差速調節，其對轉速控制要求較高。單閉環PID直流調速系統動態響應差，抗干擾能力弱，常規的PID控制難以取得滿意的效果。文章采用轉速、電流雙閉環控制結構，將模糊邏輯與PID控制結合應用于智能小車調速系統中，彌補了常規單閉環PID控制器的不足，加快了小車的動態響應，提高了系統的抗干擾能力。實驗結果驗證了文章提出的雙閉環模糊PID直流調速控制算法的有效性。

關鍵詞：模糊PID；雙閉環直流調速；智能小車

1 概述

智能小車，也稱輪式機器人。它具有對環境進行監測、自動追隨引導線，并能根據環境進行自我調整等功能于一體的綜合智能系統[1]，有廣泛的應用前景。目前智能小車速度控制系統大多采用PID單閉環控制，傳統的PID單閉環調速系統雖然結構簡單、易于實現，但動態響應差，抗干擾能力弱，傳統PID控制效果主要取決于初始設置參數，不適合智能小車這一時變非線性系統，難以取得滿意的控制效果。針對上述問題，本文采用轉速、電流雙閉環控制結構，將模糊邏輯與PID控制結合應用于智能小車調速系統中，彌補了傳統的單閉環PID控制器的不足，加快了小車的動態響應，提高了系統的抗干擾能力。實驗結果驗證了本文提出的模糊PID雙閉環直流調速控制算法的有效性。

2 智能車雙閉環直流調速系統的組成

雙閉環直流調速系統中有兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節轉速和電流，二者之間實行串級聯接，電流負反饋為內環、轉速反饋為外環，其結構如圖1所示。

圖1中：WASR（s）為轉速調節器的傳遞函數；WACR（s）為電流調節器的傳遞函數；ɑ、β分別為轉速、電流反饋系數；Ts為電力電子變換器的時間常數；Tl為電樞回路電磁時間常數；Tm為機電時間常數；Ce為電動機電動勢常數；Ks為晶閘管裝置放大系數；R為電樞回路總電阻。

轉速調節器（ASR）的輸出作為電流調節器（ACR）的給定，ACR的輸出去調節電機的驅動電壓，通過設置ASR的輸出限幅值決定電動機允許的最大電流值，ACR在轉速動態過程中，保證獲得電動機允許的最大電流值，從而加快動態過程。

根據直流電動機雙閉環調速系統的內部結構，考慮到轉速環是決定控制系統性能優劣的主要因素，內環電流環主要起改變電動機運行特性，以利于外環控制。轉速環采用模糊PID控制器，內環仍采用傳統PID控制。通過電流、轉速雙閉環結構可以很好地抑制電源電壓波動和負載變化等干擾對電動機轉速的影響。

在本設計中智能小車電機驅動電路由BTN7971搭建的電橋構成，電流反饋由BTN7971的6腳串電阻引出，速度由歐姆龍公司的500線編碼器采集，通過硬件正交解碼，能反饋速度大小及轉動方向。

ASR采用模糊PID控制器，ACR采用傳統PID控制器，其傳遞函數均如式（1）。ASR的控制參數KP、KI、KD由模糊推理在線自整定。

3 模糊PID控制器的設計

在實際智能小車系統中，由于電機本身的參數隨溫度、轉速變化和拖動負載的時變等因素影響，智能車調速系統是一個復雜的非線性時變系統，采取傳統的PID控制方法難以得到滿意的效果[2]。本設計將模糊邏輯與PID控制結合應用于智能小車調速系統中，以速度誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對PID的參數KP、KI、KD進行在線實時整定，以滿足不同e和ec對PID控制器參數的要求，提高系統的動、靜態性能，增強系統的魯棒性。模糊PID控制器結構如圖2所示。

3.1 輸入輸出變量的隸屬度函數

以速度誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，ΔKP、ΔKI、ΔKD是輸出變量，分別為PID控制器的比例系數、積分系數和微分系數的調節值。輸入輸出變量采取三角形隸屬度函數，均在其論域內定義五個模糊子集{NB，NS，Z，PS，PB}，輸入量速度誤差e和誤差變化率ec取相同的隸屬度函數如圖3所示，輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數如圖4所示。

3.2 模糊規則

模糊控制規則采取“if A and B then C”形式，模糊PID有三個模糊規則庫，分別對應參數ΔKP、ΔKI、ΔKD，通過MATLAB/SIMULINK進行仿真和調整，不斷優化，最終確定由25條規則構成的模糊規則庫，如表1-3所示。

3.3 模糊推理及解模糊

本文采用Mandani方法進行模糊推理[5]，利用重心法解模糊得到ΔKP、ΔKI、ΔKD的精確值，PID控制器的參數調節根據式（2）確定。

（2）

其中KP0、KI0、KD0分別為PID控制器各參數的初始值，可以在直流電機空載情況下，運用試湊法確定一組最佳PID參數。

4 實驗結果及分析

本文采用了全國“恩智浦杯”智能小車競賽用的C車模對模糊PID控制器進行了實驗，直流電動機參數如下：額定功率為PN=15.8W，額定轉速為nN=1400r/min，額定電壓為UN=7.2V。實驗時給定參考轉速為1000r/min，為了驗證模糊PID控制器的抗干擾能力，在3s時，使負載轉矩由原來的6N·m跳變至12N·m。系統分別采用常規單閉環PID控制器和本文提出的雙閉環模糊PID控制器進行了實驗，電機轉速的階躍響應曲線如圖5所示。曲線1和曲線2分別為單閉環PID控制器和雙閉環模糊PID控制器的響應曲線；比較曲線1和曲線2，容易看出采用本文提出的雙閉環模糊PID控制器加快了智能小車的動態響應，提高了系統的抗干擾能力，性能明顯優于常規的單閉環PID控制器。

5 結束語

本文介紹了智能小車模糊PID調速系統的設計方法，通過構建智能小車的雙閉環直流調速系統，將模糊邏輯與PID控制結合應用于智能小車調速系統中，彌補了傳統單閉環PID控制器的不足，加快了小車的動態響應，提高了系統的抗干擾能力。

參考文獻

[1]張文杰.基于CAN總線的智能小車控制系統研制[D].成都：西南交通大學，2009：6-10.

[2]韓璐.直流電動機雙閉環調速系統及其SIMULINK的仿真[J].船海工程，2003，2.

[3]葉金鑫.基于模糊PID的智能小車控制算法研究[J].實驗科學與技術，2016（14）：47.

[4]ABOU E E，BISHR M A.An emergency power system control based on the multi-stage fuzzy based procedure[J].Electric Power Systems Research，2007，77（5）：421-429.

[5]李士勇.模糊控制·神經控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003：66-71.

*通訊作者：李軍紅（1971-），男，漢族，湖南耒陽，碩士，副教授，主要從事電力電子技術、電機控制、智能控制及應用等方面研究工作。