基于電壓相位差超聲電機(jī)模糊自整定PID控制系統(tǒng)案例分析報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u5944基于電壓相位差超聲電機(jī)模糊自整定PID控制系統(tǒng)案例分析報(bào)告 166381.1模糊PID控制 159311.1.1PID控制 199281.1.2模糊控制 2234641.1.3模糊自整定PID控制 3258071.2行波超聲電機(jī)模糊自整定PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 464501.2.1超聲電機(jī)模糊自整定PID控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 4304501.2.2行波超聲電機(jī)速度／位置控制系統(tǒng)模型建立 7280731.3行波超聲電機(jī)模糊自整定PID控制仿真模型建立 760301.3.2超聲電機(jī)模糊PID仿真系統(tǒng)建立 9301881.4PID控制和模糊自整定PID控制仿真結(jié)果對(duì)比分析 17297251.1.1行波超聲電機(jī)速度控制系統(tǒng)仿真分析 17259471.1.2行波超聲電機(jī)位置控制系統(tǒng)仿真分析 21超聲電機(jī)因其多變量、時(shí)變性，建立精確的數(shù)學(xué)模型較為困難，對(duì)其控制性能有很大的影響，所以采用傳統(tǒng)PID控制無法滿足要求。因模糊控制能較好的克服參數(shù)時(shí)變及非線性等不利條件，所以在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上，可以與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)超聲電機(jī)模糊自整定PID控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)特性分析，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和自適應(yīng)性。1.1模糊PID控制1.1.1PID控制目前PID控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)系統(tǒng)具體模型以來較少，在大多數(shù)控制領(lǐng)域中，PID控制都能滿足其控制要求。但是由于控制對(duì)象具有非線性、時(shí)變不確定性和強(qiáng)干擾等特性，這些因素也使常規(guī)PID控制在復(fù)雜系統(tǒng)和要求低干擾系統(tǒng)應(yīng)用中受限。PID控制器主要是由比例（Ｐ）、積分（Ｉ）和微分（Ｄ）環(huán)節(jié)組成。其原理框圖如圖1.1所示。圖1.1PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制偏差可表示為：etut=K對(duì)式（1.1）進(jìn)行拉普拉斯變換，PID控制傳遞函數(shù)為：Gs=K式中：KpTiTd1.1.2模糊控制模糊控制基于模糊理論和模糊邏輯，具有以下特點(diǎn)：（1）不依賴于被控對(duì)象，可對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡化（2）適用于非線性、時(shí)變、滯后模型不完全的控制系統(tǒng)（3）模糊控制器容易控制，掌握較理想模糊控制過程主要有四部分：①模糊化②建立模糊規(guī)則庫③模糊推理④解模糊對(duì)。模糊控制系統(tǒng)的控制過程如圖1.2所示。圖1.2模糊控制過程其中e為偏差信號(hào),e=yo?y，其中yo為輸入信號(hào)；y為反饋信號(hào)；ec為偏差變化率；E與EC是經(jīng)模糊化后得到的模糊量；U為模糊控制器推理結(jié)果；1.1.3模糊自整定PID控制模糊自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。模糊自整定PID控制器將給定值與被控對(duì)象的反饋值得到的偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，根據(jù)隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則表，經(jīng)過模糊推理輸出PID參數(shù)增量的模糊值和解模糊過程，進(jìn)一步計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID的Kp、Ki和KP=KKi=KKd=K式中：KPO、KiO、?KP、?K圖1.3模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)框圖模糊自整定PID控制器工作流程圖如圖1.4所示圖1.4模糊自整定PID控制系統(tǒng)流程圖1.2行波超聲電機(jī)模糊自整定PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2.1超聲電機(jī)模糊自整定PID控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)選擇速度偏差e(k)和偏差變化率eck=ek?e(k?1)為模糊自整定PID控制輸入變量，參數(shù)的增量?Kp、?Ki和?Kd為輸出變量。e(k)的取值范圍為[?160，160]，eck的取值范圍為[?160，160]。三個(gè)參數(shù)增量?Kp范圍為[?0.6，0.6]，?Ki為Ke=6Kec=6PID參數(shù)的增量?Kp、?Ki和K?Kp=K?Ki=K?Kd=超聲波電機(jī)控制狀態(tài)如下所示：調(diào)節(jié)過程初期（誤差e較大）Kp取較大值可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度；Ki取較小值可避免超調(diào)；調(diào)節(jié)過程中期（誤差e中等大?。┓糯驥p可調(diào)節(jié)精度；Ki適當(dāng)調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高；調(diào)節(jié)過程后期（e較?。㎏p取較大值可減小靜態(tài)誤差，提髙控制精度；Kd根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)，建立?Kp、?Ki和?Kd的模糊規(guī)則表，如表1.1、表1.語言型模糊規(guī)則是由一系列模糊語句構(gòu)成，常用“if…then…”模糊語句的形式，如果設(shè)輸入到模糊控制器的誤差信號(hào)為E，誤差的變化率為輸出信號(hào)為U，用模糊語句表示為：ifE=NBandEC=NBthenU=PB表1.1?KpEECNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表1.2?KiEECNBNBNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表1.3?Kd的模糊規(guī)則表EECNBNBNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPSPSPSPB1.2.2行波超聲電機(jī)速度／位置控制系統(tǒng)模型建立根據(jù)超聲電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，頻率、電源電壓和負(fù)載變化會(huì)影響超聲電機(jī)輸出。為了達(dá)到理想的控制性能，構(gòu)建超聲電機(jī)速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.5所示，超聲電機(jī)位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。其中，wr為轉(zhuǎn)速給定值；w為當(dāng)前轉(zhuǎn)速；θr為位置給定值，圖1.5超聲電機(jī)速度控制系統(tǒng)框圖圖1.6超聲電機(jī)位置控制系統(tǒng)框圖圖中通過速度／位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相比較得到偏差e和偏差的變化量ec，將e和ec輸入模糊自整定PID控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線整定，然后通過控制器的輸出對(duì)正弦信號(hào)的相位差進(jìn)行控制，以達(dá)到超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的要求，為下面對(duì)模糊PID控制進(jìn)行仿真打下基礎(chǔ)。1.3行波超聲電機(jī)模糊自整定PID控制仿真模型建立1.3.1基于電壓相位差的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路仿真模型目前很多研究是基于驅(qū)動(dòng)頻率或者相位差作為控制變量研究超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。主要是改變相位差和頻率，但是改變兩路信號(hào)相位差的控制策略被提及很少。在此本文用改變超聲電機(jī)兩相電壓信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制研究。采用MATLABfunction模塊，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化，然后將程序結(jié)果輸入到VariableTimeDelay模塊，在一個(gè)周期內(nèi)通過延時(shí)實(shí)現(xiàn)相位差的調(diào)節(jié)。改變相位差的設(shè)計(jì)流程如圖1.7所示。圖1.7產(chǎn)生相位差流程圖在MATLAB／Simulink模塊中搭建超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型，如圖1.8所示。圖1.8超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型1.3.2超聲電機(jī)模糊PID仿真系統(tǒng)建立建立模糊自整定PID驅(qū)動(dòng)控制電路模型后，根據(jù)模糊PID控制的設(shè)計(jì)流程，在MATLAB／Simulink中搭建超聲電機(jī)模糊自整定PID仿真模型子系統(tǒng)，如圖1.9所示。并與傳統(tǒng)PID控制仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析模糊PID控制是否適用于本文研究。圖1.9超聲電機(jī)模糊PID仿真模型子系統(tǒng)將PID控制器和模糊自整定PID控制器合成在一個(gè)仿真模型中，并通過Mux模塊把輸出信號(hào)在同一個(gè)Scope中生成。仿真系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)。得到速度控制系統(tǒng)仿真模型如圖1.10所示。1.10超聲電機(jī)速度控制系統(tǒng)仿真模型在此基于MATLAB／Simulink模塊實(shí)現(xiàn)模糊PID控制算法，添加輸入輸出、隸屬函數(shù)、數(shù)值范圍，在Simulink中仿真結(jié)果如圖1.11-1.15所示。輸入、輸出模糊子集均選用七級(jí)劃分，即E、EC和?Kp、?Ki和圖1.11輸入e隸屬度函數(shù)圖1.12輸入ec隸屬度函數(shù)圖1.13輸出?Kp隸屬度函數(shù)圖1.14輸出?Ki圖1.15輸出?Kd隸屬度函數(shù)在模糊模塊中設(shè)置模糊控制器。使用的模糊推理方法是Mamdani方法，其中連接詞和相關(guān)術(shù)語設(shè)置為min;設(shè)置相應(yīng)的連接詞o為max;將推理方法設(shè)置為min;合成方法設(shè)置為max，脫霧方法設(shè)置為居中方法。經(jīng)過模糊、模糊推理和去模糊操作，可以得到模糊的結(jié)果。促進(jìn)有效部署borrosidad控制器的設(shè)計(jì),適用的工具盒borrosidadborrosidad控制器的設(shè)計(jì),特別是在模糊,模糊推理系統(tǒng)的發(fā)行人Mfedit編輯職能的從屬關(guān)系,Ruleedit模糊規(guī)則編輯器、Ruleview規(guī)則模糊,Surfview,鑒于觀察員假設(shè)輸入和輸出表面模糊。在仿真過程中對(duì)量化因子、比例因子、隸屬度函數(shù)、控制規(guī)則等進(jìn)行調(diào)整使其達(dá)到比較滿意的結(jié)果。最好地控制整個(gè)系統(tǒng)。用模糊規(guī)則編輯器來實(shí)現(xiàn)模糊語句，模糊正定規(guī)則如圖1.16所示。模糊規(guī)則可以在規(guī)則觀測窗口中查詢，如圖1.17所示。控制系統(tǒng)的輸出曲面如圖1.28-1.20所示[29]。圖1.16模糊整定規(guī)則圖1.17模糊規(guī)則觀測器圖1.28輸出?Kp控制曲面圖1.19輸出?Ki圖1.20輸出?Kd控制曲面本文應(yīng)用MATLAB軟件中的fuzzy模塊完成了超聲電機(jī)控制系統(tǒng)的模糊自整定PID控制器的構(gòu)建。運(yùn)用fuzzy模塊進(jìn)行模糊化、模糊規(guī)則庫的建立、模糊推理及解模糊的工作?；趂uzzy模塊構(gòu)建的超聲電機(jī)控制系統(tǒng)的模糊自整定PID控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖1.21所示。圖1.21模糊控制器中體結(jié)構(gòu)圖1.4PID控制和模糊自整定PID控制仿真結(jié)果對(duì)比分析1.1.1行波超聲電機(jī)速度控制系統(tǒng)仿真分析（１）PID控制階躍響應(yīng)分析基于仿真模型進(jìn)行Simulink仿真，階躍信號(hào)輸入下，PID控制響應(yīng)曲線如圖1.22所示。且表1.4表示，比例系數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化。因?yàn)榉e分的作用，需要累加每個(gè)時(shí)刻的信號(hào)，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)延遲，在行波超聲電機(jī)控制系統(tǒng)中，積分作用會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)有四分之一周期的延遲。令Ki=500，Kp分別為0.01、0.05、0.1和0.2，階躍響應(yīng)下的系統(tǒng)圖1.22PID階躍響應(yīng)曲線表1.4比例系數(shù)變化時(shí)的波形K超調(diào)量到達(dá)穩(wěn)定時(shí)間0.0111.4%0.0040.0511.25%0.00350.111.875%0.00320.223.75%0.0324當(dāng)Kp=10時(shí)，響應(yīng)曲線如圖1.23所示。但系統(tǒng)后續(xù)為等幅周期真蕩，不收斂，所以圖1.23Kp=10根據(jù)圖1.22、圖1.23，隨著Kp的增大，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量減小，但Kp（２）模糊自整定PID階躍響應(yīng)分析模糊自整定PID控制器的PID參數(shù)初始設(shè)定為Kp=0.05、Ki=500、Kd=0.001；但其參數(shù)Kp、Ki和Kd是根據(jù)e與ec的變化而改變的，仿真時(shí)間為t=0.05s，將模糊自整定PID控制與PID控制進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模糊自整定PID方法的有效性。圖1.24為在階躍響應(yīng)下，PID控制、PI控制、模糊PID控制系統(tǒng)輸出曲線的對(duì)比。其中，橫軸表示仿真時(shí)間（s），縱軸表示響應(yīng)速度（rad/s）。圖1.24Fuzzy-PID速度控制效果對(duì)比圖通過圖1.24比較控制系統(tǒng)超調(diào)量，超調(diào)量越小，控制系統(tǒng)性能越好，因此模糊PID控制明顯優(yōu)于PID控制和PI控制，并且在響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)時(shí)間等指標(biāo)方面，模糊PID控制也有很大的優(yōu)勢。通過圖1.22可計(jì)算出超調(diào)量具體數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)PID控制算法的超調(diào)量為25％，而模糊自整定PID算法的超調(diào)量降為2％。為了能更準(zhǔn)確地分析模糊PID控制，對(duì)模糊自整定PID算法中的Kp、Ki和Kd的變化曲線進(jìn)行監(jiān)測。參數(shù)變化曲線如圖1.（a）Kp（b）K（c）K圖1.25超聲電機(jī)模糊自整定控制參數(shù)變化曲線圖根據(jù)圖1.23、圖1.24和圖1.25所示的控制參數(shù)變化圖，隨著偏差的變化Kp逐漸減小到0.05；Ki逐漸增加到500；得到以下結(jié)論：1、階躍響應(yīng)輸入下超聲電機(jī)模糊自整定PID控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID，模糊自整定PID比傳統(tǒng)PID響應(yīng)速度快，在t=0.02s左右即達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且上升曲線平滑，超調(diào)量降低了23％。2、在階躍響應(yīng)輸入下模糊自整定PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間比傳統(tǒng)PID控制要短，并且模糊自整定PID根據(jù)系統(tǒng)的變化在線調(diào)整PID參數(shù)，具有一定的自適應(yīng)性。3、設(shè)置合理的PID參數(shù)初值，模糊自整定PID和PID在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩者效果相近。模糊自整定PID控制算法結(jié)合了模糊與PID控制算法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩者優(yōu)勢的互補(bǔ)，較傳統(tǒng)PID控制動(dòng)態(tài)性能有明顯改善。因此，模糊自整定PID控制算法的研究和模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)對(duì)超聲電機(jī)這類對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)具有較高的價(jià)值[28]。（３）對(duì)抗外界干擾能力分析超聲電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，很容易受外界干擾，因?yàn)槌曤姍C(jī)系統(tǒng)常應(yīng)用于高精度控制領(lǐng)域，對(duì)抗干擾能力要求更高。下面將對(duì)傳統(tǒng)PID控制和模糊自整定PID控制的抗干擾能力進(jìn)行仿真分析。在t=0.02s時(shí)刻加入幅值為１的階躍干擾量，在干擾信號(hào)的作用下分別測試PID控制系統(tǒng)、模糊自整定PID控制系統(tǒng)的抗干擾能力，如圖1.26所示。圖1.26干擾信號(hào)作用下控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線從圖1.26可以看出，在t=0.02s時(shí)加入干擾信號(hào)，模糊自整定PID控制抗干擾效果明顯比傳統(tǒng)PID控制好，因此模糊自整定PID控制可應(yīng)用于超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中1.1.2行波超聲電機(jī)位置控制系統(tǒng)