對基于模糊PID的足球機(jī)器人電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計研究

董娜娜

摘 要：針對機(jī)器人運(yùn)動的時變、非線性、干擾大、不確定等特性，本文在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上提出了一種與模糊控制器相結(jié)合的混合型模糊PID控制方法。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID控制所需精確數(shù)學(xué)模型、參數(shù)整定困難等不足，保證了系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和靈活性。

關(guān)鍵詞：模糊PID；角度控制；仿真

1.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中由于機(jī)器人的運(yùn)動涉及到角度及距離兩個方面，所以本文中的模糊PID控制器具體設(shè)計為兩組控制器構(gòu)成：一組用于控制機(jī)器人的角度轉(zhuǎn)動，一組用于機(jī)器人的位置移動。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其中Ra、Ya為角度的輸入輸出，Ea、Eac為角度誤差及其變化率，Uaf、Uap為角度模糊控制器和PID控制器輸出，Ua為角度控制器總輸出。同理，位置的控制輸出也是如此。下面進(jìn)一步以電機(jī)角度的模糊PID控制為例來說明系統(tǒng)的可行性。

2.模糊控制器的設(shè)計

設(shè)在采樣時刻t，誤差和誤差的變化分別為：

本模糊系統(tǒng)設(shè)計為二維控制器：et、Δet為兩個輸入變量，ut為輸出變量。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

從上述控制器的系統(tǒng)設(shè)計中知道PID控制器的輸出為Uap，模糊控制器的輸出為Uaf，故總輸出為Ua=Uap+Uaf=KP×et+Ki×∫etdt+Uaf 。

根據(jù)模糊控制規(guī)律本文設(shè)計系統(tǒng)中沒有微分環(huán)節(jié)，而參數(shù)Kp、Ki是通過實驗方法確定的。從角度和距離的實際情況中我們可以看出，不同范圍的誤差變化，系統(tǒng)要取得好的控制效果，Kp、Ki參數(shù)是不同的。例如，在角度控制中，Kp適合于誤差為10o到20o的中等角度，但它對5o以下的小角度調(diào)節(jié)時，Kp×et就會過小，從而使得調(diào)節(jié)時間較長、穩(wěn)態(tài)誤差增大；但在對40o以上的大角度調(diào)節(jié)時，Kp×et就會過大而出現(xiàn)較大的超調(diào)，調(diào)節(jié)時間也相應(yīng)延長。所以針對這樣的情況，在本論文中的PID控制器的設(shè)計針對不同范圍的誤差，采用了多組參數(shù)值的方法。將角度誤差范圍分為小（0-5o），中（5o-25o）、大（25o以上）3個區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)不同的參數(shù)值。經(jīng)過實驗，本論文中的小角度誤差時Kp取0.65，Ki取0.0015；中角度時Kp取0.35，Ki取0.0015；大角度時Kp取0.15，Ki取0.001。

3.實驗結(jié)果分析

本系統(tǒng)的實驗是利用MATLAB的Simulink仿真環(huán)境對系統(tǒng)進(jìn)行的。下圖3、4、5就是角度范圍劃分不同情況下單一的PID控制與模糊PID控制的效果對比圖。

實驗結(jié)果分析：

（1）從圖3和圖4可以看出，在單一的PID控制輸出超調(diào)量較大時，引入模糊控制后，確?？焖傩缘那闆r下能夠減小系統(tǒng)輸出的超調(diào)量。

（2）從圖5可以看出，在單一的PID控制輸出調(diào)節(jié)時間過長時，引入模糊控制后，確保不損失控制精度的情況下，能迅速減小調(diào)節(jié)時間。

4.總結(jié)

通過實驗對本文所提出的模糊控制器與單一PID控制器相結(jié)合構(gòu)成的模糊PID控制算法進(jìn)行了測試，并通過仿真曲線圖形顯示了模糊PID控制算法能夠保證機(jī)器人足球系統(tǒng)運(yùn)動控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，又縮短了動態(tài)調(diào)整時間，取得了較好的控制效果。（作者單位：長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院）

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