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基于改進模糊PID位置隨動系統(tǒng)控制

電子技術應用

謝觀靈，邵李煥，鄭長風

（杭州電子科技大學新型電子器件與應用研究所，浙江杭州 310018）

摘要： 針對直流有刷電機在使用傳統(tǒng)模糊PID控制器進行位置隨動控制時，由于負載轉(zhuǎn)矩變化導致系統(tǒng)跟隨性能下降以及負載轉(zhuǎn)矩未知的問題，提出了基于負載觀測器的改進模糊PID控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)模糊PID控制器，在傳統(tǒng)模糊控制結(jié)構(gòu)的基礎上增加負載觀測器，實時觀測系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩，并利用負載轉(zhuǎn)矩實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器參數(shù)，提升了系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)矩突變時的位置跟隨能力。仿真結(jié)果表明：負載觀測器能實時、準確地觀測負載轉(zhuǎn)矩，改進模糊PID控制器對負載擾動有較強的抑制能力，并有效減小了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差。

關鍵詞： 直流有刷電機位置隨動系統(tǒng) 模糊PID 負載觀測器

中圖分類號：TP273
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223566
中文引用格式： 謝觀靈，邵李煥，鄭長風. 基于改進模糊PID位置隨動系統(tǒng)控制[J]. 電子技術應用，2023，49(6)：49-53.
英文引用格式： Xie Guanling，Shao Lihuan，Zheng Changfeng. Control of position servo system based on improved fuzzy PID[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(6)：49-53.

Control of position servo system based on improved fuzzy PID

Xie Guanling，Shao Lihuan，Zheng Changfeng

(Institute of Electron Device & Application， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China)

Abstract： To address the problem of system following performance degradation due to load torque variation and the problem of unknown load torque that occurs in DC brushed motors when using conventional fuzzy PID controllers for position following control， a load observer-based improved fuzzy PID controller is proposed to replace the traditional fuzzy PID controller. A load observer is added to the traditional fuzzy control structure in order to observe the system load torque in real time and adjust the parameters of the system controller in real time using the load torque, which improves the position following capability of the system when the load torque changes abruptly. The simulation results show that the load observer can observe the load torque in real time and accurately, and the improved fuzzy PID controller has a strong ability to suppress the load disturbance and can effectively reduce the regulation time and steady-state error of the system.

Key words : DC brush motor；position following system；fuzzy PID；load observer

0　引言

直流有刷電機具有響應迅速、易于控制等優(yōu)點，在低速時能夠輸出高扭矩，廣泛應用在工業(yè)控制以及智能家居等領域。隨著位置隨動系統(tǒng)對控制精度和跟蹤性能要求的提高，其驅(qū)動電機的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)跟隨性能成為主要關注的參數(shù)。因此，如何使驅(qū)動電機快速、準確地跟蹤預定位置成為研究的主要目標。

目前，位置隨動系統(tǒng)控制普遍采用三環(huán)控制系統(tǒng)框架，由內(nèi)至外依次為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。基于三環(huán)控制系統(tǒng)框架，PID控制算法因其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)調(diào)整方便，在位置隨動控制系統(tǒng)中得到廣泛應用。但由于直流有刷電機位置隨動系統(tǒng)是一個時變、強耦合的非線性系統(tǒng)，PID算法無法同時滿足不同工況下的高性能控制需求。針對這一問題，許多學者將模型預測、遺傳、神經(jīng)網(wǎng)絡等控制算法代替PID算法，以增強位置隨動控制系統(tǒng)的抗干擾性能，但上述控制算法結(jié)構(gòu)復雜、計算量大，很難應用在實際的控制系統(tǒng)之中。付子義等提出一種基于伸縮因子的模糊控制方法，通過對模糊PID的論域進行調(diào)整，提升了無刷直流電機的轉(zhuǎn)速動態(tài)性能；王旭鋒等運用神經(jīng)網(wǎng)絡控制與模糊控制理論，將單神經(jīng)元與模糊PID的優(yōu)點相結(jié)合，提高了位置隨動系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)跟蹤性能；陳帥等通過對模糊規(guī)則庫調(diào)整與改進，提升了伺服系統(tǒng)跟蹤精度和抗干擾能力。上述模糊PID改進方法一定程度上改善了位置隨動系統(tǒng)的跟蹤性能，但單純地依據(jù)位置誤差以及誤差導數(shù)進行參數(shù)調(diào)整，無法有效地抑制負載擾動，在寬負載范圍的控制效果不佳。

基于上述研究，本文通過設計負載觀測器實時觀測位置隨動系統(tǒng)電機負載轉(zhuǎn)矩，制定參數(shù)調(diào)整規(guī)則，將負載轉(zhuǎn)矩作為調(diào)節(jié)因子引入模糊PID控制器中，實時調(diào)節(jié)模糊PID控制器參數(shù)，增強了系統(tǒng)的抗負載擾動能力。

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作者信息：

謝觀靈，邵李煥，鄭長風

（杭州電子科技大學新型電子器件與應用研究所，浙江杭州 310018）

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