基于模糊控制的交流伺服系統仿真
2017-6-7 來源：江西理工大學電氣工程與自動化學院 作者：徐晨峰，陳強
摘要: 交流伺服系統在實際中存在參數時變、負載擾動等問題，本文設計了基于模糊控制的速度環控制器。利用Simulink 搭建雙閉環伺服系統仿真，其仿真結果表明，系統的動態響應快，超調小及穩態精度高。
關鍵詞: 伺服系統; 模糊控制; 仿真
0.引言
交流伺服系統廣泛應用現代工業中，具有加工精度高、生產效率高等特點。伺服系統一般以 PID 控制方式為主。傳統 PID 控制實現較為簡單，且控制效果較佳，然而伺服系統存在參數時變、負載阻力擾動等問題，傳統 PID較難滿足實際要求［1－4］，因此，采用更加有效可靠的控制方式也就尤為必要。模糊控制是一種典型的智能控制方法，它同樣廣泛地應用于工業生產中，如數控機床、機器人、溫度控制、反應等［5－6］。模糊控制不需要依靠受控對象的數學模型，避免了煩瑣的運算以及較多可能產生的誤差。本文將模糊控制與 PID 相結合，將模糊 PI 應用于速度環控制器中，以此建立雙閉環伺服系統。通過仿真對比，表明模糊 PI 控制較之傳統 PID 控制具有更快的動態響應快、超調小以及穩態精度高。
1.伺服系統
近年來，對交流伺服系統的研究主要集中在兩個方面: 控制策略、永磁同步電機。永磁同步電機控制比較適合于數控機床的加工，其主要用途在于驅動中小容量。伺服系統主要采用三環( 位置環、速度環、電流環) 控制技術，為解決系統中的電流諧波問題，常采用脈沖寬度調制技術，包括正弦波調制、空間矢量調制等。A． Ｒ． Beig 等人于 2007年提出了空間矢量脈寬調制算法，并通過與正弦波調制的對比實驗，證實了空間矢量脈寬調制技術可以減少電流諧波，并能夠進一步擴大逆變器功率的使用范圍。本文的伺服系統采用的是 SVPWM 技術，有關 SVPWM 技術的原理已有很多文獻說明［7－10］，其算法流程如圖 1 所示。
圖 1 算法實現流程圖
2.模糊控制
2. 2 模糊控制原理
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2. 3 模糊控制器的設計步驟
模糊控制器的設計步驟分為以下四步:(1) 確定模糊控制器輸入輸出變量
(2) 隸屬度函數的選擇
常用的隸屬函數有三角函數形和正態函數型。正態函數型因計算量大，適用于對系統快速性要求較低的場合。三角隸屬函數計算工作量相對少許多且精度也能達到滿意的特點，因此本文選擇三角隸屬函數。
(3) 設計模糊控制規則
模糊控制規則是設計模糊 PI 控制器的關鍵，主要由專家知識和操作人員的實際操作經驗得到的。當偏差較大時，控制規則應盡快消除誤差為主，當偏差較小時，控制規則應以系統的穩定性為主。
(4) 論域、量化因子和比例因子的選擇
3.模糊 PI 控制器的設計
根據前人的經驗，被控過程對參數 kp、ki的自整定要求如下:( 1) 當偏差 e 較大時，為了加快系統的響應速度，應取較大的 kp; 同時為了防止系統響應出現較大的超調，產生積分飽和，應對積分作用加以限制，通常取 ki= 0，去掉積分作用;
表 1 Δkp| Δki模糊控制規則表
4.仿真分析
首先，建立系統模型，如圖 3 所示。
圖 3 采用空間矢量脈寬調制技術的系統仿真模型
根據上述參數，建立模糊 PI 控制器仿真模型，如圖 4所示。并替換掉原來的速度調節器。kp的初始值取 0. 2，ki的初始值取 6。
圖 4 模糊 PI 控制器模型
(1) 電機以額定轉矩 2Nm 起動，給定轉速為 200r/min，圖 5、圖 6 是模糊 PI 與傳統 PI 系統性能對比。與傳統 PI 控制相比，模糊 PI 控制的轉速調整時間有所減小，而且無超調; 轉矩基本無脈動，而且轉矩達到額定轉矩的時間更快。因此滿載起動時，模糊 PI 控制的系統性能更好，響應速度更快。
5.結束語
本文采用模糊控制對交流伺服系統的速度環控制器參數進行優化，減小了負載擾動對伺服系統的影響，提高了系統的響應速度。仿真結果表明: 基于模糊控制的雙閉環伺服系統具有超調量小、響應快的伺服性能。
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