基于模糊PID控制的磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)研究

張星亞 朱金龍

摘要：磁力耦合器作為一種新型的連接機(jī)構(gòu)，憑借著其優(yōu)良的性能正逐漸被廣大廠家企業(yè)所認(rèn)知和接受，因此磁力耦合器調(diào)速機(jī)構(gòu)的智能控制研究就顯得極為重要。本文將模糊算法與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，首先建立磁力耦合器的調(diào)速系統(tǒng)模型，分別仿真常規(guī)PID控制與模糊PID控制在系統(tǒng)中的響應(yīng)效果，結(jié)果顯示模糊PID控制更加穩(wěn)定，控制精度更加精確，該研究為磁力耦合器調(diào)速機(jī)構(gòu)的控制方法提供了參考。

關(guān)鍵詞：磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)；matlab；PID控制；模糊控制

磁力耦合器通過調(diào)節(jié)其氣隙大小做到調(diào)控輸出端轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩大小。磁力耦合器作為現(xiàn)在新興的一種調(diào)速機(jī)構(gòu)，憑借其優(yōu)良的性能和出色的可靠性為廣大企業(yè)工廠所認(rèn)知和使用，并應(yīng)用于多種場所，取得了良好的效果?，F(xiàn)如今，智能化自主控制已經(jīng)成為各個行業(yè)的發(fā)展趨勢，對于新興設(shè)備磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)的智能化控制就顯得尤為重要。磁力耦合器調(diào)速原理為將電機(jī)與負(fù)載借由非接觸式磁力傳動連接在一起，通過控制器和執(zhí)行器來實現(xiàn)氣隙大小的改變，從而調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輸出的轉(zhuǎn)矩與速度。其調(diào)速系統(tǒng)由磁力耦合器，控制器，執(zhí)行器三個部分組成。

1 常規(guī)PID控制

常規(guī)的調(diào)速系統(tǒng)其控制器主要為PID控制，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢?？刂埔?guī)律可以總結(jié)為

u（t）=KPe（t）+KI∑tj=0e（j）+KD[e（t）-e（t-1）]

常規(guī)PID控制有著良好的穩(wěn)定性和魯棒性，由于結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械，冶煉，電力等多個工程控制方面。在如今的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，仍然有90%以上的工程控制使用常規(guī)PID控制。在此基礎(chǔ)上建立磁力耦合器調(diào)速控制系統(tǒng)的matlab數(shù)學(xué)模型。

運行常規(guī)PID控制模型，可以得到輸出波形如圖1，從波形圖上可以看出，雖然常規(guī)的PID控制的初始上升時間很快，但輸出存在震蕩，輸出振幅明顯信號不穩(wěn)定且存在超計量輸出。對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和使用壽命上都有不利的影響，對于調(diào)速機(jī)構(gòu)來說控制精度不能夠得到保證，在實際運用的過程中并不能很好地滿足工作需要。

2 模糊PID控制

模糊算法是1965年，由美國的Lotfi A.Zadeh教師所創(chuàng)立的，并于1972年，在《A Rationale for Fuzzy Control》雜志上發(fā)表論文首次提出了將模糊算法應(yīng)用于控制工程上。與傳統(tǒng)的控制方法相對比，涵蓋了模糊算法的控制系統(tǒng)，無需對控制的過程與對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，避免了因數(shù)學(xué)建模不健全或無法建模帶來的控制不準(zhǔn)確，行為缺失。在工程中，特別是對于類似于礦山這種較為惡劣的工作環(huán)境下，感應(yīng)系統(tǒng)并不能保證十分穩(wěn)定，但對其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求特別高。這樣就需要在控制變量上存在一定程度的偏差，借由模糊算法所產(chǎn)生的模糊量能夠即保證執(zhí)行器的穩(wěn)定運行，同時也不會使機(jī)器頻繁運作，造成不必要的危險和浪費。所以這種基于操作人員經(jīng)驗進(jìn)行控制的模糊算法的使用效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于按照經(jīng)典理論的自動控制系統(tǒng)，基于人類經(jīng)驗的智能控制方式——模糊控制，其優(yōu)勢為不需要精確的數(shù)學(xué)模型；非專業(yè)性，是一種基于人類經(jīng)驗的控制策略；具有極好的穩(wěn)定性和魯棒性；較好的經(jīng)濟(jì)特性；操作簡單便捷；具有自我整定功能；是一種優(yōu)秀的控制模式。

接下來編寫其控制規(guī)則，在傳統(tǒng)PID控制的操作規(guī)則氣隙增大，加速運轉(zhuǎn)和氣隙減小降速運行的基礎(chǔ)上，增加新的模糊規(guī)則使操作流程細(xì)化，運行過程更為流暢。主要的物理意義為：（1）在機(jī)構(gòu)運行調(diào)速的過程中前后兩個時間段誤差的誤差值小且變化率為正時，調(diào)整氣隙的變化速度使其趨緩；

（2）前后兩個時間段誤差的誤差值小且變化率為負(fù)時，調(diào)整氣隙的變化速度加快；

（3）運轉(zhuǎn)過程中前后兩個時間段誤差大且變化率為正時，表明運轉(zhuǎn)過程中可能某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，機(jī)構(gòu)整個停止運行；

（4）運轉(zhuǎn)過程中前后兩個時間段誤差大且變化率為負(fù)時，表明運轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正在逐步進(jìn)入正軌，機(jī)構(gòu)保持現(xiàn)有狀態(tài)繼續(xù)運行。

將其編寫入matlab中具體模糊規(guī)則可以得到模糊PID控制的響應(yīng)曲線如圖2，從曲線中可以看出信號的的輸出平穩(wěn)上升沒有振蕩，整個系統(tǒng)以一種穩(wěn)定平滑的狀態(tài)啟動和運行，且沒有超劑量輸出，增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)感應(yīng)部件和執(zhí)行部件的可靠性，有利于機(jī)構(gòu)軟啟動的進(jìn)行。機(jī)構(gòu)運行平穩(wěn)，振幅小且有利于延長機(jī)構(gòu)的使用壽命和減小突發(fā)事件發(fā)生的概率以及造成的影響。

3 結(jié)語

時代在不斷發(fā)展，對于控制的要求也在不斷提高。面對復(fù)雜機(jī)構(gòu)和一些復(fù)雜情景需要人為經(jīng)驗進(jìn)行判斷的場合，常規(guī)PID控制的控制精度和魯棒性降低，機(jī)械性的操作流程并不能滿足運行的需要。在這里將模糊算法與PID控制器相結(jié)合，生成模糊PID控制器，在人為經(jīng)驗基礎(chǔ)下編寫的控制規(guī)則使整個控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，輸出平穩(wěn)，具有自我調(diào)節(jié)功能。從實驗仿真數(shù)據(jù)可以看出，對比常規(guī)PID控制器，模糊PID控制器擁有更好的穩(wěn)定性，運行快速，操作簡單。針對不同工作環(huán)境操作需求還可以隨時修改增減模糊規(guī)則，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和重復(fù)利用率。該控制方法為磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)控制提供了參考。

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作者簡介：張星亞（1993），男，安徽蚌埠人，研究生在讀，研究方向：磁力傳動。