步進(jìn)電機(jī)位移的模糊PID控制設(shè)計(jì)方案

摘要    步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字離散電機(jī)，特別適用于數(shù)字離散控制。但是其數(shù)學(xué)模型具有高度非線性的特點(diǎn)，PID控制難以實(shí)現(xiàn)較高精度性能，本文把模糊控制和PID控制結(jié)合起來，根據(jù)設(shè)置好的誤差范圍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。
      關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 模糊控制 PID 參數(shù)自整定  數(shù)學(xué)模型 仿真

Stepper  Motor  Fuzzy  PID  Control

Sun Pan Jun    Yan Xue Wen 

( School of Electronic Information Engineering  Tai Yuan University of Science And Technology )
      Abstract   Stepper motor is a digital discrete motor, that is especial suitable for digital discrete control.  But its mathematical model is highly nonlinear, PID control is difficult to achieve high precision performance,  the  paper combines the fuzzy control with PID control。According to set good error range, the system can achieve automatic switching.
      Key words  stepper motor PID Fuzzy control Parameter Self-tuning Mathematical Model Simulation
   

      1前言
      步進(jìn)電機(jī)本質(zhì)上是數(shù)字離散電機(jī)，直接接受數(shù)字量，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成位移信號(hào)，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部各控制變量高度非線性且相互耦合，而傳統(tǒng)PID控制是以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，無法有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的不確定信息，用不變的PID參數(shù)不可能達(dá)到較好的控制結(jié)果。模糊控制不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)變化不敏感，魯棒性好，抗干擾性強(qiáng)。但是由于它的模糊性，穩(wěn)態(tài)精度不好。對(duì)于這種情況，可以把模糊控制和PID控制結(jié)合起來。
   

      2混合式步進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型
      本文采用兩相步進(jìn)電機(jī)，在忽略互感、漏磁、磁滯、渦流、飽和等影響的情況下，我們采用可以對(duì)于一相用一等值有效RL電路繞組進(jìn)行分析。
選用4拍步進(jìn)方式，設(shè)以A相為基準(zhǔn)，則B相滯后A相90電角度，則有以下電流方程：
                                    
       根據(jù)力學(xué)定律可以寫出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：
                               
     其中 電機(jī)轉(zhuǎn)矩， 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 為粘滯摩擦系數(shù)， 為轉(zhuǎn)子角速度，假設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零，則有以下微分方程：
                       
則式（1 ）、（2）式、（3）、（4）組成了兩相步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從中可以看到步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)高度非線性被控對(duì)象，這就要求控制方法非常復(fù)雜，而模糊控制正好適用這一特性。

      3步進(jìn)電機(jī)模糊PID設(shè)計(jì)
      在工業(yè)控制中，PID控制是應(yīng)用最廣泛的模擬控制方法，用計(jì)算機(jī)對(duì)其采樣進(jìn)行離散化，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID公式
                               

       本文采用二維模糊控制系統(tǒng)，模糊推理輸入模糊語言變量為偏差E和偏差變化率EC模糊域?yàn)閇-3  3],輸出為PID的三個(gè)變化增量 、 、 ,將輸入模糊語言變量E .EC和輸出模糊語言變量   的語言值選為都選為7個(gè)，即{負(fù)大（NB），負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。
       設(shè)控量偏差和偏差變化率以及 、 、 的基本論域[-0.5  0.5]則可以確定量化因子和模糊因子
 

                                          表1 KP模糊規(guī)則

                                             表2 KI模糊規(guī)則

                                             表3 KD模糊規(guī)則
模糊推理和解模糊也很重要，解模糊是根據(jù)模糊推理的結(jié)果，繪出控制量的過程，常用的方法有最大隸屬度法 中位數(shù)法 加權(quán)平均法,最大隸屬度具有梯形中斷性不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定,而加權(quán)平均法有益于系統(tǒng)穩(wěn)定,所以本文采用加權(quán)推理.. 
 

                                圖2   步進(jìn)電機(jī)模糊PID控制SIMULINK仿真模型

       模糊控制器具有良好的動(dòng)態(tài)特性,但是靜態(tài)特性不能獲得滿意,而PID控制具有較高的穩(wěn)態(tài)靜態(tài)精度,。把PID控制引入模糊控制器中，大范圍誤差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小范圍誤差換成PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換由預(yù)先設(shè)置的程序控制根據(jù)誤差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

      4 仿真結(jié)果分析

<-- pagebreak -->        在給定位置輸入同樣為10rad的情況下，圖4最終也達(dá)到了要求，但是中間出了較大的抖動(dòng)，而采用了模糊PID控制后，從圖5可以看出系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速，并且超調(diào)量很小，過程的穩(wěn)定性也大大的提高。說明采用模糊PID控制達(dá)到了控制系統(tǒng)的基本要求，比起單純的PID控制確實(shí)具有優(yōu)越性。

       5 結(jié)束語
       通過步進(jìn)電機(jī)建模得到，步進(jìn)電機(jī)是復(fù)雜的高度非線性系統(tǒng)，而本文的模糊PID控制系統(tǒng)，比普通的PID控制有了很大的提高，但是由于步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)速 的存在，造成易于失步和震蕩，為了盡可能保持穩(wěn)定性和的啟動(dòng)和停止時(shí)間，可以采用模糊自整定技術(shù)，通過改變KP的值，可以將步進(jìn)電機(jī)直接啟動(dòng)速度和停轉(zhuǎn)速度設(shè)置為一個(gè)小于 的值，這樣系統(tǒng)的響應(yīng)速度可以進(jìn)一步提高。
      參考文獻(xiàn)
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