潘亮,周武能,,張楊
(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,,上海 201620)
摘要:通過對(duì)多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)和控制策略的傳統(tǒng)PID控制算法與模糊PID控制算法的分析,,提出了模糊PID主從式同步控制方法,并通過MATLAB/Simulink進(jìn)行建模仿真,。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)PID同步控制算法相比,,采用模糊PID主從式同步控制方法具有更好的同步性能表現(xiàn),,并能夠有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能,,而且具有良好的魯棒性,。
關(guān)鍵詞:多電機(jī);同步控制,;PID,;模糊控制
0引言
多電機(jī)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè),、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)中,,在工業(yè)生產(chǎn)中的地位也越來越重要,。為了獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品,,減少輪廓誤差,提高系統(tǒng)操作的安全性,,通常,,同步是多電機(jī)系統(tǒng)的最基本的要求[12],。在最近幾十年里,,很多種同步控制策略被應(yīng)用在多電機(jī)控制系統(tǒng)中。參考文獻(xiàn)[3]中運(yùn)用混沌速度同步控制器,,通過對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行補(bǔ)償,,有效地改善了系統(tǒng)同步性能。參考文獻(xiàn)[4]中針對(duì)一個(gè)雙線性電機(jī)伺服系統(tǒng)提出了交叉耦合的智能滑??刂疲粸榱撕?jiǎn)化控制結(jié)構(gòu),,ZHAO D Z等人研究了一種混合滑模控制的膜毗鄰耦合的多電機(jī)同步控制[5],,Xiao Yong等人針對(duì)多電機(jī)系統(tǒng)提出了一種通用的同步控制器,通過在最優(yōu)控制結(jié)構(gòu)中整合交叉耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)[6],。除此之外,,很多其他的控制策略也被運(yùn)用在多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中,,比如自適應(yīng)控制,、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,、變?cè)鲆婵刂频取Mǔq詈系亩嚯姍C(jī)系統(tǒng)中很少考慮驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)模型,針對(duì)以上不足,本文提出了模糊PID主從式同步控制方法,,該方法能夠有效改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能,并具有良好的魯棒性,。在實(shí)際應(yīng)用中,,多電機(jī)的同步性能會(huì)因各驅(qū)動(dòng)特性的不匹配,、負(fù)載的擾動(dòng)等因素的影響而惡化,,因此同步控制方法的好壞直接影響著系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性,。由于多電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛,,方式靈活,,所以多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn),。
1多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)
鑒于多電機(jī)的重要性,,近幾十年以來,,多電機(jī)系統(tǒng)吸引了大量學(xué)者廣泛的研究興趣,,多種多電機(jī)同步控制策略被相繼提出,,比如自適應(yīng)控制,、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,、變?cè)鲆婵刂?、無模型控制等都取得了比較理想的控制效果,。這些同步控制策略主要基于兩種多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)——機(jī)械同步結(jié)構(gòu)和電子同步結(jié)構(gòu),前者主要通過物理部件進(jìn)行連接,,像皮帶,、鏈條,、齒輪等,成本比較高,,其弊端是電機(jī)在工作過程中,一旦工作環(huán)境發(fā)生變化,,就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械總軸震動(dòng),,而且實(shí)施起來也有一定的困難,,因此,,這種同步方式現(xiàn)在用得越來越少,。
鑒于機(jī)械結(jié)構(gòu)的一些弊端,,學(xué)者們又提出了電子同步控制結(jié)構(gòu)[7],,這種控制結(jié)構(gòu)成本比較低,,實(shí)施起來也相對(duì)容易很多,,因此在多電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。電子同步控制結(jié)構(gòu)又可細(xì)分為兩種,,第一種是主從控制方式,它的控制思想是:讓從電機(jī)跟蹤主電機(jī)運(yùn)行,,因此系統(tǒng)中只給定主電機(jī)輸入信號(hào),,其輸出信號(hào)送入從電機(jī)的輸入中,,當(dāng)沒有擾動(dòng)因素影響時(shí),該控制結(jié)構(gòu)可以達(dá)到比較理想的控制效果,。它的弊端是,,主從電機(jī)之間沒有反饋,因此整個(gè)控制系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制結(jié)構(gòu),,主從電機(jī)中任何一個(gè)在工作過程中受到擾動(dòng)因素的影響,,都會(huì)出現(xiàn)較大的同步誤差,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,。
在實(shí)際生產(chǎn)過程中,,當(dāng)主電機(jī)在運(yùn)行中受到擾動(dòng)或發(fā)生故障時(shí),都會(huì)影響到后面的從電機(jī),針對(duì)這種情況人們提出并行同步控制思想,。相對(duì)于主從控制方式,,并行控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于,系統(tǒng)中所有的電機(jī)采用相同的輸入?yún)⒖妓俣?,解決了主從控制存在的問題,。
2基于模糊PID的同步控制
傳統(tǒng)PID由于結(jié)構(gòu)和算法相對(duì)簡(jiǎn)單,且易于實(shí)現(xiàn),,在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用,,它的不足之處是一般需要知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而且算法的參數(shù)整定也比較困難,,再加上不具備自適應(yīng)能力,,一旦工作環(huán)境發(fā)生變化,就需要對(duì)參數(shù)重新進(jìn)行整定[8],。隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展,,人們對(duì)產(chǎn)品的各方面性能要求越來越高,控制系統(tǒng)也必將越來越復(fù)雜,,現(xiàn)代的控制系統(tǒng)多存在非線性,、強(qiáng)耦合、時(shí)變性等特性,,傳統(tǒng)的控制方法已難以滿足控制的要求,。為了解決這一難題,學(xué)者們提出了多種智能PID控制方法[9],,比如專家PID,、遺傳算法PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等,。然而由于控制器的計(jì)算速度有限,,這些算法很難用到實(shí)時(shí)的控制對(duì)象中。本文采用兩輸入(誤差和誤差的變化率)的模糊控制器,,它能夠根據(jù)控制系統(tǒng)的誤差及誤差的變化率自動(dòng)調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù),,因?yàn)樗哂凶詣?dòng)調(diào)節(jié)其參數(shù)的能力,所以相比其他控制器而言,,具有更好的控制性能表現(xiàn),。
3模糊PID主從式同步控制策略
傳統(tǒng)的主從式電機(jī)同步控制方法由于兩個(gè)電機(jī)之間沒有轉(zhuǎn)速的反饋,所以整個(gè)控制系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)結(jié)構(gòu),,當(dāng)主電機(jī)在運(yùn)行過程中受到擾動(dòng)時(shí),,其速度就會(huì)發(fā)生較大的變化,由于傳統(tǒng)的PID控制方法,,控制過程一旦確定就無法改變,,因此,,兩個(gè)電機(jī)之間就會(huì)出現(xiàn)較大的同步誤差,甚至導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。本文在此基礎(chǔ)上,,提出了模糊PID主從式同步控制方法,從電機(jī)采用模糊PID控制器,,以兩個(gè)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差及差值變化率作為模糊控制器的兩個(gè)輸入,,輸出PID 3個(gè)參數(shù)的增量。由于模糊PID具有自適應(yīng)性[10],,因此它能在線調(diào)整PID控制器的3個(gè)參數(shù),,當(dāng)主電機(jī)受到擾動(dòng)或從電機(jī)自身受到擾動(dòng)時(shí),從電機(jī)仍然能夠較好地跟隨主電機(jī)的速度,,整個(gè)控制系統(tǒng)的同步性能大大提高,。模糊PID主從式同步控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。
首先確定PID控制器的3個(gè)參數(shù)與偏差E以及偏差變化EC之間的模糊關(guān)系,,這個(gè)控制規(guī)則很重要,,一般有如下經(jīng)驗(yàn)[11]:(1)當(dāng)|E|較大時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能,,應(yīng)取較大的Kp與較小的Ki,,同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對(duì)積分作用加以限制,,通常取Ki=0,。(2)當(dāng)|E|和|EC|處于中等大小時(shí),為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào),,Kp應(yīng)取得小些。在這種情況下,,Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大,,Ki的取值要適當(dāng)。(3)當(dāng)|E|較小時(shí),,為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能,,Kp與Ki均應(yīng)取得大些,同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩,,KD的取值相當(dāng)重要,,一般在|EC|較小時(shí),Kd的取值應(yīng)該較大些;|EC|較大時(shí),Kd的取值應(yīng)該較小些,。然后在運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)E及EC的值,,根據(jù)先前確定的模糊關(guān)系,利用模糊推理的方法,,在線修改PID控制器的3個(gè)參數(shù),,使PID參數(shù)可自整定,,以滿足不同E和EC對(duì)控制參數(shù)的要求,從而使控制系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài),、穩(wěn)態(tài)性能,。
模糊控制器的核心部分是模糊規(guī)則,它是對(duì)工程人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)的總結(jié),,因此,,合適的模糊規(guī)則表的建立尤為重要。本文在建立模糊規(guī)則時(shí),,偏差,、偏差的變化以及控制量的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},模糊語言集可表示為{NB:負(fù)大,NM:負(fù)中,,NS:負(fù)小,,Z:零, PS:正小,, PM:正中,,PB:正大}。E和EC隸屬函數(shù)如圖2所示,。
根據(jù)控制規(guī)則,、相關(guān)技術(shù)知識(shí)以及不斷的試驗(yàn)結(jié)果,得到模糊控制規(guī)則表,,如表1所示,。
4系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真
本文搭建了基于傳統(tǒng)PID控制的主從式多電機(jī)同步控制方法和基于模糊PID的主從式多電機(jī)同步控制方法,并利用MATLAB/Simulink進(jìn)行建模仿真,,以表2所示的兩臺(tái)電機(jī)為例,。選取等腰三角形作為隸屬度函數(shù)分布,可得各模糊子集的隸屬度賦值,,再確定論域和語言值,,然后根據(jù)各模糊子集隸屬度表和參數(shù)模糊控制模型,推理設(shè)計(jì)PID 參數(shù)的模糊矩陣,,仿真結(jié)果如圖3,、圖4所示。
圖3,、圖4分別為在傳統(tǒng)PID和模糊PID控制下,,雙電機(jī)位置控制系統(tǒng)在斜坡信號(hào)作用下的A、B電機(jī)的位置跟蹤誤差曲線仿真圖,。
比較圖3和圖4可知,,在模糊PID控制下的控制系統(tǒng)有較好的控制性能,與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相比,,其穩(wěn)態(tài)誤差更小,,同時(shí)它的調(diào)整時(shí)間也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的PID控制,。可見,,在多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中,,采用基于模糊PID主從式同步控制策略,可以有效地改善系統(tǒng)的性能,,使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和較小的調(diào)節(jié)時(shí)間,。5結(jié)束語
本文通過對(duì)幾種常見的多電機(jī)同步控制策略進(jìn)行闡述及特點(diǎn)分析,在傳統(tǒng)主從式多電機(jī)同步控制的基礎(chǔ)上,,提出了模糊PID主從式同步控制方法用于兩臺(tái)電機(jī)的同步控制,,并以兩臺(tái)三相異步電機(jī)為例進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果表明,,采用基于模糊PID主從式的多電機(jī)同步控制方法具有更小的同步誤差和更好的穩(wěn)定性,,應(yīng)用范圍更加廣泛。
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