孫銘

摘 要：在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)PID 控制策略以及傳統(tǒng)的耦合控制策略都很難滿足高同步性能的要求，并容易造成速度跟蹤失步的問題。文章基于模糊PID控制策略的基礎(chǔ)上采用多不同電機(jī)全閉環(huán)控制方法對(duì)傳統(tǒng)耦合控制方式進(jìn)行改進(jìn)，并以模糊PID控制器為核心，應(yīng)用Simulink進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明改進(jìn)后的多電機(jī)全閉環(huán)同步控制系統(tǒng)具有良好的同步性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：交叉耦合控制；模糊PID控制器；多電機(jī)

中圖分類號(hào)：TM306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）17-0001-02

傳統(tǒng)的PID控制策略在單電機(jī)控制時(shí)能夠發(fā)揮很好的作用，但是對(duì)于多電機(jī)的同步控制，其無法判斷其他電機(jī)的速度水平。傳統(tǒng)的耦合控制采用主從電機(jī)控制，主電機(jī)的速度不會(huì)跟隨從電機(jī)速度的變化而發(fā)生變化，因而造成了主從兩臺(tái)電機(jī)間的失步。在理論上相鄰耦合算法的控制策略能夠得到理想的同步控制性能，實(shí)際上由于負(fù)載動(dòng)特性的參數(shù)很難實(shí)時(shí)測量，使得此策略在應(yīng)用上受到了限制，并且由于控制算法非常繁瑣，這種控制策略難以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步控制。所以本文提出了一種基于模糊PID控制器的改進(jìn)耦合控制方法來控制多臺(tái)不同型號(hào)的永磁電機(jī)，實(shí)現(xiàn)同步控制的效果。

1 模糊PID控制器多電機(jī)全閉環(huán)控制系統(tǒng)

目前對(duì)于多電機(jī)的控制方式多采用半閉環(huán)的控制方式，對(duì)于電機(jī)后端的機(jī)械傳遞系統(tǒng)的誤差不加以控制，誤差不能得到很好地控制。本文采用模糊PID控制器的多電機(jī)全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效的避免這種誤差。

1.1 單電機(jī)模糊PID控制器分析

如圖1所示，每個(gè)模糊PID控制器都包含與Kp、Ki、Kd相對(duì)應(yīng)的模糊控制器、比較器以及執(zhí)行器。比較器是將所有電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的平均值與本電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，然后將結(jié)果作為模糊PID控制器的輸入，最后執(zhí)行器根據(jù)事先編制的模糊規(guī)則將信號(hào)傳送給電機(jī)，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 模糊控制器模塊

模糊控制器模塊的主要作用是將反饋轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的誤差的等級(jí)進(jìn)行判斷，其內(nèi)容包括轉(zhuǎn)速模糊化、控制規(guī)則的制定和解模糊控制規(guī)則。只考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差（E）將很難對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行準(zhǔn)確的采集，故本文采用二維模糊控制器：轉(zhuǎn)速誤差變化率（EC）與電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差（E），輸出信號(hào)是速度誤差等級(jí)的大小。

模糊量表達(dá)式分別為輸入量電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差（E）、轉(zhuǎn)速誤差變化率（EC）與輸出變量P、I、D的修正？厝Kp、？厝Ki、？厝Kd，它們的模糊變量分別為e、ec、Kp、Ki、Kd。定義的模糊量集合為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，集合中各元素分別表示負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。模糊控制器的輸入量隸屬度函數(shù)為高斯型；輸出變量、、為三角形（trimf） 隸屬度函數(shù)。

控制規(guī)則的制定是模糊控制的核心。控制規(guī)則是在設(shè)計(jì)人員實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按照思維邏輯推理規(guī)則得到的。然后由關(guān)系詞連接而成的，（常用的關(guān)系詞如if-then）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，確定各輸入輸出量之間的模糊關(guān)系。

解模糊化過程是把將模糊推理的輸出根據(jù)解模糊原則轉(zhuǎn)化為實(shí)際輸出。也就是說給出一個(gè)確切的輸出值。根據(jù)式（1）得到各參數(shù)P、I、D的具體值。

kout=k+？駐k（1）

2 仿真實(shí)驗(yàn)及仿真平臺(tái)驗(yàn)證

本文采用三臺(tái)不同型號(hào)的永磁同步電動(dòng)機(jī)為例來介紹同步控制系統(tǒng)，三臺(tái)電機(jī)均額定轉(zhuǎn)速為3000 rad的永磁同步電機(jī)。SGMSV-10 A電機(jī)1：額定輸出（kW）：1.0，額定轉(zhuǎn)矩（N·m）：3.18，額定電流（Arms）：5.7；SGMSV-30 A電機(jī)2：額定輸出（kW）：3.0，額定轉(zhuǎn)矩（N·m）：9.8，額定電流（Arms）：17.9；SGMSV-50 A電機(jī)1：額定輸出（kW）：5.0，額定轉(zhuǎn)矩（N·m）：15.8，額定電流（Arms）：27.6。

2.1 基于模糊PID的多電機(jī)全閉環(huán)控制模塊

如圖2所示，采用三臺(tái)不同的永磁同步電機(jī)來搭建模型。每臺(tái)電機(jī)采用一個(gè)單獨(dú)的SPVWM模塊控制。每軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過速度傳感器檢測后，與給定的基準(zhǔn)速度以及與平均速度的誤差相比較，經(jīng)過模糊PID的調(diào)整后得到該電機(jī)的速度跟蹤誤差，該軸的速度跟蹤誤差通過SPVWM調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。然后將轉(zhuǎn)矩相疊加通過滾軸絲杠傳送到負(fù)載。對(duì)于用戶而言，只需要編輯所需要的位移要求就可以達(dá)到目的。其中，模糊PID控制策略采用速度交叉反饋耦合控制，使各個(gè)電機(jī)的速度保持一致，同時(shí)達(dá)到控制要求。

在其中一臺(tái)電機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，其速度會(huì)隨之降低，此時(shí)其余兩臺(tái)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速指令變?yōu)樨?fù)值，而此臺(tái)電機(jī)的速度指令增加，使三臺(tái)電機(jī)的速度趨向平均，最終達(dá)到平衡。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過搭建控制模型進(jìn)行Simulink仿真并驗(yàn)證控制方法的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性?，F(xiàn)已3臺(tái)不同的永磁電機(jī)同步控制模型來驗(yàn)證傳統(tǒng)PID控制策略和模糊PID全閉環(huán)控制策略的區(qū)別。在輸入信號(hào)為同一速度參考指令下，三臺(tái)電機(jī)均空載啟動(dòng)，待速度達(dá)到穩(wěn)定后在T=0.1 s時(shí)，電機(jī)1突加負(fù)載擾動(dòng)=5 NM，分別使用常規(guī)傳統(tǒng)PID控制器和模糊PID控制器對(duì)3臺(tái)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3所示可以看出，運(yùn)用模糊PID控制器進(jìn)行控制，在電機(jī)1突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)速跌至91 rad。0.103 s后，三臺(tái)電機(jī)經(jīng)過均出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，電機(jī)1的超調(diào)轉(zhuǎn)速達(dá)到103 rad。在0.104 s是轉(zhuǎn)速達(dá)到平衡。

從以上兩種控制方式對(duì)比當(dāng)中不難看出采用模糊PID控制器比采用常規(guī)傳統(tǒng)PID控制器時(shí)可獲得更好的同步精度，超調(diào)量減少，增強(qiáng)了多電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 結(jié) 論

本文對(duì)多電機(jī)同步控制問題進(jìn)行研究，利用模糊PID控制器并采用交叉耦合控制反饋各電機(jī)的速度，然后對(duì)三臺(tái)不同的永磁同步電機(jī)同步組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行了matlab仿真。結(jié)果表明，基于模糊PID控制策略能夠滿足多臺(tái)不同永磁同步電機(jī)同步控制，基于模糊PID控制策略的系統(tǒng)較傳統(tǒng)PID控制策略相比具有較高的同步控制精度以及較好的魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zhihong Wang，Qingwei Chen，Xiaobo Zhang.Research on multi-motor synchronous system based on CAN[J].8th World Congress on Intelligent Control and Automation，20l0，（8）.

[2] 范志龍.基于永磁同步電機(jī)的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[3] 張承慧，石慶升，程金.一種基于相鄰耦合誤差的多電機(jī)同步控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，（15）.

[4] 陳榮.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2004.