干货 | 模糊PID在伺服控制系统中的应用

伺服与运动控制2019-01-10 16:36:41


前 言


所谓模糊PID控制器,即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化,以达到较为理想的控制效果。模糊PID控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号,计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec,并根据模糊规则进行模糊推理,最后对模糊参数进行解模糊,输出PID控制器的比例、积分、微分系数。

卫星信号接收最大的难点是天线如何自动跟踪卫星信号,尤其是舰船位置(经、纬度)和方向(方位角)。为接收卫星信号,在舰船移动接收平台上装载可由电机控制旋转的卫星接收天线系统,将测量出的卫星电视接收天线方向的变化数据转换成驱动指令,经伺服驱动系统控制天线转动,使接收天线中心轴在载体移动过程中始终对准卫星,并且采取适当方法对长时间行驶产生的累积误差进行修正。故针对舰船航行过程中,因受各种作用力对船只的影响,卫星天线接收器的基座发生偏移,导致天线接收器不再指向卫星信号的传输方向,信号接收变弱甚至中断,通过从轮船卫星天线陀螺传感器和电子罗盘得到的数据,对改变的接收器指向坐标进行推算验证,得到天线指向的初始坐标的坐标值转换公式。利用电机伺服驱动系统控制天线左右或上下转动,重新调整使其指向卫星,接收信号。



车载天线伺服系统的组成

车载天线系统由两部分组成:户外设备和户内设备户外设备主要是天线伺服跟踪系统(包括平台、平台伺服跟踪系统、惯性传感器、GPS、卫星天线等);户内设备主要是控制器(包括各传感器接口、数据采集、控制器、卫星接收机等)和主控计算机,两者之间采用电缆连接,具有稳定跟踪接收卫星信号的两大功能。

本系统采用德州仪器推出的TMS320LF2407A,与传统的单片机相比有巨大的优势,只需外加较少的硬件即可实现电机控制系统。本系统采用增量式光电码盘反馈转子的速度和磁极位置及初始位置。车载天线伺服系统模糊PID控制框图如图1所示。

图1 车载天线伺服系统模糊PID控制框图


车载天线伺服系统数学模型的确定

若电机的负载为常数且只输出电机转动的角速度,则得到直流伺服电机的传递函数如式(1)。

图2 直流伺服电机驱动子系统结构框图


模糊PID控制器的设计

PID参数的模糊自整定是找出PID三个参数Kp、Ki、Kdeec之间的模糊关系,在运行中通过不断的监测e和ec,根据模糊控制原理对三个参数进行在线的整定。

PID参数的设定是靠经验及工艺的熟悉、参考测量值与设定值曲线,从而调整Kp、Ki和Kd的大小。模糊控制规则是用于修正PID参数的,模糊控制规则根据过程的阶跃响应情况来考虑求取。规则如下所示:

(1)预选择一个足够短的采样周期让系统工作;

(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔

(3)根据下面的具体规则修改PID控制器参数,直至满意为止。

根据上面所述的模糊控制规则,采用如下的PID参数的调节规则,如表1、表2、表3所示。

表1 Kp规则调节表


表2 KI规则调节表


表 3KD规则调节表


PID三个参数的模糊规则库建立好以后,就可以根据模糊控制理论进行参数的自调整。将系统误差e误差变化率ec变化范围定义为模糊上的论域:

e,ec={-3,-2,-1,0,1,2,3}

在模糊控制规律中,e和ec的语言变量值取“负大”(NB),“负中”(NM),“负小”(NS),“零”(ZO),“正小”(PS),“正中”(PM),“正大”(PB)共7个值。它们的隶属度函数都是三角形,并且,每个值所取的范围宽度相等。

为了验证PID模糊控制器的控制效果,用Matlab/Simulink软件进行仿真,根据系统的数学模型。

图3 仿真曲线图

运行仿真程序塑料工业网,得到如图3所示的仿真结果。从图中可以知道,在阶跃响应下,与传统PID相比,该系统的上升时间和调节时间大大缩小,超调量明显减小,大大提高了系统的动态性能



结 论

本论文将模糊控制与SIMULINK相结合,对车载伺服系统设计了一个比较合理的模糊PID控制器并且进行MATLAB仿真。由于车载天线处于一个实时变化的环境,导致系统参数可能会根据环境变化。传统的固定控制参数的控制策略没有办法满足这样的需求,而模糊自适应控制却恰好弥补这一缺陷。同时模糊自适应控制还很好地解决了伺服系统本身自带的由于惯量引起的误差。软硬件结合真正满足了系统的快、准、稳。


供稿:邢俊逸    





精彩回顾

工业电机驱动中的IGBT过流和短路保护

1.6秒能干什么?自动锁螺丝机表演给你看

分不清各种工业以太网技术?看这里就明白了

2017中国运动控制产业联盟西部行之走进兰电

低成本的步进电机能 替代 高成本伺服电机,你信吗?


  ★ 深圳市传动网科技是以运动控制产业为核心,整合产业上下游的资源,定位为“品牌·资讯·资源·电商”,打造可信赖的高端服务平台。公司整合旗下综合门户网站“中国传动网”,纸媒《伺服与运动控制》、《控制与传动》、《机器人与智能系统》、CD传动电商、微信、中国运动控制产业联盟。秉承“创造价值、专业专心”的经营理念,致力于工业自动化及智能制造企业的品牌建设及价值传播与优化。


品牌•资讯•资源•电商

可信赖的高端服务平台


特别说明:此文章素材来源于互联网,版权归原作者所有!经编者收集整理后,与大家一起分享学习!如果您认为某些内容侵犯了您的权益,请与编者联系!我们核实后将立即修订!

大牛们,指教啦!