摘  要： 以智能小車的電機(jī)控制系統(tǒng)為模型,，采用自適應(yīng)模糊PID控制策略進(jìn)行控制設(shè)計(jì),它克服了簡單模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的一些缺點(diǎn),；利用MATLAB7.0軟件中的工具箱進(jìn)行系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)與仿真。仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,、穩(wěn)態(tài)性能及抗擾性能都趨于良好,。
關(guān)鍵詞： 電機(jī)控制；自適應(yīng)模糊PID,；MATLAB,；仿真

　智能車是一種集環(huán)境感知、規(guī)劃決策,、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng),，具有時(shí)變且非線性特點(diǎn)。其中控制算法對(duì)智能車起著關(guān)鍵作用,，傳統(tǒng)的PID控制難以得到很好的效果,。采用自適應(yīng)模糊PID控制算法可以使系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并且可以對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自調(diào)整,，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性,，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和效率，并使其抗干擾能力明顯提高,。
1 自適應(yīng)模糊PID控制器
    自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示,，自適應(yīng)模糊PID是在PID算法的基礎(chǔ)上,，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,，查詢模糊矩陣表進(jìn)行在線參數(shù)調(diào)整,。本系統(tǒng)通過增量式旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)速度進(jìn)行檢測，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換與單片機(jī)進(jìn)行通信,，將輸入給定信號(hào)r與反饋信號(hào)y進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)e和誤差變化率ec,，并找出PID 3個(gè)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,，根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改,，以滿足不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象有良好的動(dòng),、靜態(tài)性能,。

自適應(yīng)模糊PID控制器以e和ec作為輸入,可以滿足e和ec對(duì)PID參數(shù)自校正自調(diào)整的要求。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、響應(yīng)速度,、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮,kp、ki,、kd的作用如下[1]：
    (1)比例系數(shù)kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大,，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào),，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,；kp取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度,，使響應(yīng)速度緩慢,，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間,使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞,。
    (2)積分作用系數(shù)ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,。ki越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快,，但ki過大,，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào),；若ki過小,，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度,。
    (3)微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,，主要反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì),，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào),，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度,，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。
    根據(jù)上述整定原則將kp,、ki,、kd、ec,、e變化范圍定義為模糊的論域：{-3,，-2，-1,，0,，1，2,，3},它們的隸屬函數(shù)均選擇為三角分布函數(shù),如圖2所示(橫坐標(biāo)表示e/ec的整數(shù)論域中的分布,縱坐標(biāo)表示隸屬度),。采用Mamdani模糊推理系統(tǒng),清晰化法為重心法，則可以建立針對(duì)kp,、ki、kd 3個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表[2],，如表1,、表2、表3所示,。在模糊規(guī)則表中kp,、ki、kd,、e,、ec均取7個(gè)模糊子集，其語言值分別為{正大,，正中,，正小，零,，負(fù)小,，負(fù)中，負(fù)大},，用{PB,，PM，PS,，ZO,，NS,，NM，NB}表示,。

2 智能車直流電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[3]
    智能車直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示,。施加于電樞端的電壓u產(chǎn)生電樞電流i，i與磁鋼產(chǎn)生的磁通相互作用,，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)Te動(dòng)負(fù)載,。
 
 
3 MATLAB仿真
    在MATLAB7.0數(shù)學(xué)分析軟件命令窗口運(yùn)行Fuzzy函數(shù)進(jìn)入模糊邏輯編輯器，選擇控制器類型為Mamdani型,，建立fuzzy logic controller 模塊,。再利用Simulink工具箱，搭建自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的模型[4],，如圖4所示,。

    根據(jù)直流電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，確定被控對(duì)象的傳遞函數(shù)[5]為：,，于是得到系統(tǒng)在自適應(yīng)模糊PID和常規(guī)PID控制下單位階躍信號(hào)的仿真結(jié)果,，如圖5所示。

    以上仿真結(jié)果表明：
    (1)自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,、穩(wěn)態(tài)性能要比PID控制系統(tǒng)要好得多,，既能有效減少振蕩，又能較好地達(dá)到穩(wěn)態(tài),。系統(tǒng)的魯棒性,、穩(wěn)態(tài)精度高。
    (2)控制器參數(shù)的變化對(duì)控制性能有如下影響：PID參數(shù)kp,、ki,、kd對(duì)系統(tǒng)影響很大,應(yīng)合理選取這3個(gè)參數(shù)的論域以獲得最佳的PID控制特性；模糊PID控制器的控制規(guī)則對(duì)該系統(tǒng)的參數(shù)影響較大,從而將直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果,。
參考文獻(xiàn)
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