基于自適應(yīng)模糊PID控制的太陽(yáng)光跟蹤伺服系統(tǒng)

摘要：針對(duì)太陽(yáng)光跟蹤伺服系統(tǒng)中傳統(tǒng)PID控制過(guò)程中的一些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)了一種雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制器，同時(shí)在Simulink環(huán)境中建立了方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型并完成了仿真。仿真結(jié)果表明，太陽(yáng)光跟蹤伺服系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制器較傳統(tǒng)PID控制器具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性與魯棒性，在太陽(yáng)光跟蹤伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用空間。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；模糊PID控制器；太陽(yáng)光；跟蹤伺服系統(tǒng)；Simulink仿真

0 引言
    太陽(yáng)能以其不竭性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最具有發(fā)展前景的新能源之一。高效采集太陽(yáng)能是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文以其廣泛利用的基于步進(jìn)電機(jī)的雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊控制理論，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)模糊PID控制器，并在Simulink環(huán)境中建立了方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型并完成了仿真。

1 自適應(yīng)模糊PID控制策略分析
    在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，傳統(tǒng)PID方法受到局限。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，從而運(yùn)用模糊推理即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，并以此實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)模糊PID控制。
    PID控制器能夠在保證基本不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，從而很好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。其基本控制規(guī)律可描述為：
   
    模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。
    結(jié)合PID與模糊控制兩種算法的特征與優(yōu)勢(shì)，自適應(yīng)模糊PID典型控制系統(tǒng)主要包括參數(shù)可調(diào)PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分，其中PID控制部分實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，自適應(yīng)模糊控制部分以誤差e和誤差變化率作輸入。它根據(jù)不同時(shí)刻的輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)KP、KI和KD進(jìn)行修改，以滿足控制器參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能，從而提高對(duì)被控對(duì)象的控制效果。

2 被控對(duì)象模型
    目前，關(guān)于太陽(yáng)能的伺服系統(tǒng)模型大多是對(duì)直流電機(jī)建模，并沒(méi)有考慮到系統(tǒng)參數(shù)對(duì)跟蹤系統(tǒng)的影響。本文采用的被控對(duì)象為基于步進(jìn)電機(jī)的雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)，其基本功能是使光伏陣列快速、平穩(wěn)且準(zhǔn)確地跟蹤定位太陽(yáng)光源。利用天文知識(shí)可以精確地獲得太陽(yáng)高度角和方位角。太陽(yáng)光源跟蹤伺服系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)光伏陣列和太陽(yáng)光源的位置并將其輸入到驅(qū)動(dòng)運(yùn)算單元，同時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩部電機(jī)，分別在水平面和鉛垂面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)光時(shí)刻垂直入射到光伏陣列的表面上，從而達(dá)到準(zhǔn)確和快速跟蹤太陽(yáng)光源的目的。圖1所示是太陽(yáng)能光源跟蹤伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

    由于高度角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)互不影響，下面以方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行建模和仿真研究。由文獻(xiàn)可知，方位角跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：
   

3 自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)
    本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要先找出三個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差變化率之間的模糊關(guān)系，要求在系統(tǒng)運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和誤差變化率，根據(jù)模糊控制原理對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正以滿足不同情況下對(duì)參數(shù)的不同要求，最終獲得良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制性能。
3．1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)
    基于對(duì)系統(tǒng)的上述分析，模糊控制器采用兩輸入、三輸出的控制器，將誤差e和誤差的變化率作為輸入，將PID控制器的三個(gè)參數(shù)的修正值作為輸出。其KP，KI，KD參數(shù)調(diào)整的算式如下：
   
    式中，分別是參數(shù)前值；△KP，△KI，△KD分別為參數(shù)修正值。
3．2 確定語(yǔ)言變量和語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)
    設(shè)定輸入誤差e的語(yǔ)言變量為E，誤差變化率的語(yǔ)言變量為EC，兩者的論域都為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，相應(yīng)的語(yǔ)言值為{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}；輸出KP的語(yǔ)言變量為△KP，KI的語(yǔ)言變量為△KI，KD的語(yǔ)言變量為△KD，三者的論域都為{0，1，2，3}，相應(yīng)的語(yǔ)言值為{零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)采用三角函數(shù)。圖2所示是輸入變量e的隸屬度函數(shù)，輸出變量KP的隸屬度函數(shù)如圖3所示。

3．3 建立模糊控制規(guī)則
    PID參數(shù)的適應(yīng)必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。對(duì)于不同的誤差e和誤差變化率，控制器參數(shù)的自整定原則可歸納如下：
    (1)當(dāng)誤差較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的KP和較小的KD參數(shù)；同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，并取較小的KI。
    (2)當(dāng)誤差處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，KP應(yīng)取小一些；同時(shí)為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，KI和KD的大小要適中。
    (3)當(dāng)誤差較小時(shí)，為保證系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)特性，KP和KI應(yīng)取得大一些。同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)誤差變化率較小時(shí)，KD可取大些；當(dāng)誤差變化率較大時(shí)，KD應(yīng)取小一些。
    按以上原理并根據(jù)PID參數(shù)自適應(yīng)原則和操作經(jīng)驗(yàn)所列出的輸出變量模糊控制規(guī)則如表1所列。

3．4 模糊量的清晰化
    所謂模糊量的清晰化，就是把模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)化為控制的數(shù)字值。這里采用重心法對(duì)模糊量進(jìn)行清晰化。重心法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心作為模糊推理的最終輸出值，即：
   

4 仿真結(jié)果分析
    本文在Simulink環(huán)境中搭建了PID控制仿真模型和自適應(yīng)模糊PID控制仿真模型。其中，KP，KI，KD保持文獻(xiàn)中所提供的參數(shù)：KP=1.81 KI=0．4，KD=0．158。對(duì)仿真模型施加單位階躍輸入信號(hào)，仿真時(shí)間為5 s。其響應(yīng)曲線如圖4所示，誤差變化曲線如圖5所示，表2所列是其控制效果。

    從圖4、圖5及表2兩種控制方法的仿真結(jié)果對(duì)比來(lái)看，這種自適應(yīng)模糊PID控制響應(yīng)的速度較傳統(tǒng)的PID要快。在穩(wěn)態(tài)誤差方面，自適應(yīng)模糊PID控制較傳統(tǒng)的PID小。綜上所述，本太陽(yáng)能伺服系統(tǒng)中的自適應(yīng)模糊PID控制器具有響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)誤差小等特點(diǎn)，而且系統(tǒng)也具有更好的適應(yīng)性和魯棒性。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文采用自適應(yīng)模糊PID控制器對(duì)文獻(xiàn)中提出的雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)模型進(jìn)行控制。通過(guò)在Simulink環(huán)境中的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)模糊PID控制器較文獻(xiàn)中傳統(tǒng)的PID控制器具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性與魯棒性，因而在雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)的控制過(guò)程中具有重要的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用空間。