文章編號：1671 7848(2010)05_0599-04
李紅偉(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院．四川成都610500)
摘 要：為了改善無刷直流電機(jī)(BLDCM)的調(diào)速性能，研究了基于變論域思想的自適應(yīng)模糊PID控制器及其在BLDcM控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，變論域自適應(yīng)模糊控制對模型無精確要求、速度快、精度高、魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)．詳細(xì)分析了BLDcM電機(jī)模型的建立、控制結(jié)構(gòu)設(shè)計、伸縮因子的選擇等，給出了具體的控制算法設(shè)計，并在Matlab仿真平臺下，構(gòu)建了BLDcM的電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制的仿真系統(tǒng)，其中，轉(zhuǎn)速環(huán)采用了變論域自適應(yīng)模糊P1I)控制器。仿真結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制和普通模糊PID控制相比，采用變論域自適應(yīng)模糊PID控制時，轉(zhuǎn)速輸出無超調(diào)，響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩脈動小，控制精度高，為無刷直流電機(jī)在軍事、辦公設(shè)備、家電等需要快運(yùn)、高精度控制、抗擾能力強(qiáng)的場合的應(yīng)用提供了一種有效的解決方案。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；變論域；模糊PID控制器；伸縮因子；控制系統(tǒng)
中圖分類號：TP 27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1引 言
無刷直流電機(jī)(BLDcM)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，在許多領(lǐng)域得到看廣泛的應(yīng)用{1}�？焖傩�、穩(wěn)定性和魯棒性的好壞是衡量電機(jī)控制性能的重要指標(biāo)，而要使系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定性好和抗干擾能力強(qiáng)，采用合適的控制方法至關(guān)重要{1-2}。BLDcM具有很強(qiáng)的非線性特性，常規(guī)HD控制研究的是線性時不變的控制問題，且參數(shù)事先整定，不能隨被控對象的變化而調(diào)整，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和抗干擾性不高{3} 為了提高BLDcM調(diào)速系統(tǒng)的性能，智能控制成為一個重要的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn){4-6}。其中，模糊控制是應(yīng)用****泛、最常見的方法之{2.5}，但普通模糊控制由于本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以獲得較高的控制精度，且模糊控制一旦設(shè)計確定，其結(jié)構(gòu)就不能在線修改，因而自適應(yīng)能力有限。
文獻(xiàn)[7-8}提出的變論域自適應(yīng)模糊控制器對被控對象模型無精確要求、速度快、精度高、魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)不但有高精度的特點(diǎn)，而且在可變論域的觀點(diǎn)下，模糊控制器的設(shè)計也變得簡單易行。本文將變論域自適應(yīng)模糊控制器應(yīng)用于BLDcM控制系統(tǒng)中．討論了變論域控制結(jié)構(gòu)設(shè)計、伸縮因子的選擇等，并給出了具體的控制算法設(shè)計過程，最后在MaTlab仿真環(huán)境下建立了基于變論域自適應(yīng)模糊PID控制的BLDcM控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果顯示了本控制算法的有效性。
2 BLDCM仿真模型
根據(jù)無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子電角度口(theta)，用sin函數(shù)生成三相互差120。電角度的正弦波，再將這些正弦波通過上下限幅設(shè)為0．5和一O．5的限幅模塊saturafion，得到幅值為O．5平頂波寬為120。
的近似三相梯形波，再乘以二倍的電勢時間常數(shù)k，和電氣角速度w(omiga)就是所求反電動勢。把各子系統(tǒng)模型連接并封裝后的電機(jī)模型見后文中的BLDc模塊，輸人為三相電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號，輸出包含定子繞組三相電流、定子繞組三相反電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和角速度信號。
3變論域自適應(yīng)模糊PID控制設(shè)計
1)控制器結(jié)構(gòu)及伸縮因子設(shè)計變論域自適應(yīng)模糊P1D控制器的實質(zhì)就是在模糊邏輯實時整定PID控制器的基礎(chǔ)上，加入變論域的思想，使得輸入和輸出的基本論域隨著控制需求按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行實時自適應(yīng)性伸縮變化，進(jìn)而定義在基本論域上的模糊劃分也隨之變化，從而達(dá)到提高控制性能的作用。{7-8}。
采用變論域自適應(yīng)模糊控制應(yīng)控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
輸入變量為轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差的變化率。
論域調(diào)整規(guī)則為，放大量化因子相當(dāng)于收縮輸入論域，縮小量化因子相當(dāng)于擴(kuò)大輸入論域；縮小比例因子相當(dāng)于收縮輸出論域，放大比例因子相當(dāng)于擴(kuò)大輸出論域。而關(guān)鍵就在于怎樣確定論域伸縮的合理機(jī)制，即確定適當(dāng)?shù)纳炜s因子，使最終的控制效果能夠****限度滿足要求，常用選擇基于函數(shù)模型的伸縮因子{7.8.11}。
2)變論域自適應(yīng)模糊HD控制器具體實現(xiàn)①模糊PID控制器設(shè)計速度模糊PID控制器采用Mamdani模糊推理方法，輸入變量為給定轉(zhuǎn)速與反饋速度的誤差e、誤差的變化ec取7個語言變量{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，輸入輸出變量的模糊子集均為{NB，NM，Ns，z，Ps，
其中，模糊PID基本結(jié)構(gòu)同前，沒有發(fā)生變化，只是增加了與變論域自適應(yīng)模塊相連接的改變量化因子和比例因子的伸縮因子“接口”部分，實現(xiàn)模糊論域的實時自適應(yīng)調(diào)整。
4仿真與分析
對于輸出論域的伸縮因子，考慮kp，ki．和kd對控制性能的影響，采用原則為：輸出變量＆。和kd的伸縮因子應(yīng)具有與誤差的單調(diào)一致性，而輸出變量E．的伸縮因子則具有與誤差的單調(diào)反向性，亦即輸出淪域的伸縮因子應(yīng)使得輸出變量kp和ki，適當(dāng)大，Kd適當(dāng)小，為此把式(6)簡化后�。�
從圖(a)，圖(b)可見，輸出的波形都很理想，與理論分析基本一致，仿真結(jié)果表明所建立的模型是準(zhǔn)確行之有效的。
轉(zhuǎn)速環(huán)采用常規(guī)PID控制器、普通模糊PID控制器和變論域自適應(yīng)PID控制器時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)輸出曲線，如圖7所示。
與常規(guī)PID控制器相比，采用普通模糊PID和變論域自適應(yīng)模糊PID控制器轉(zhuǎn)速輸出均無超調(diào)，但變論域自適應(yīng)模糊PID控制器具有更快的響應(yīng)速度和更高的控制精度，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。同時由圖中的放大圖形可見，遇到擾動時，相比其他兩種方式，采用變論域適應(yīng)模糊PID控制器時系統(tǒng)響應(yīng)波動最小，過渡時間最短。
5結(jié)語
變論域自適應(yīng)模糊PID控制方法是在模糊控制和PID控制的基礎(chǔ)上，引入變論域思想，并通過對輸入輸出變量加入伸縮因子的方式來實現(xiàn)，仿真結(jié)果表明，把變論域自適應(yīng)模糊PID應(yīng)用到無刷直流調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中，選取基于函數(shù)模型的伸縮因子，取得了較好的效果，相對于常規(guī)PID控制和模糊PID控制，控制系統(tǒng)快速性好，無超調(diào)，轉(zhuǎn)矩脈動小，控制精度高，突加負(fù)載后速度變化小、穩(wěn)定快，性能得到了很好的改善，自適應(yīng)能力和抗干擾能力明顯增強(qiáng)，顯示了這種控制策略和方法的有效性，為無刷直流電機(jī)應(yīng)用于軍事、辦公設(shè)備、家電等需要快速、高精度控制、抗擾能力強(qiáng)的場合提供了一種有效的解決方案，具有很強(qiáng)的工程實踐意義和參考價值。
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