基于模糊PID算法的异步电动机调速系统
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摘要
交流电机作为工业系统及日常生活中最常见的运动执行器，对其转速进行控制具有重要意义。基于计算机的电机调速系统应用越来越广泛。本设计主要包括以下三个部分：1)总体设计方案分析与设计:硬件设计光电转换及信号调理电路设计、频压转换电路设计。电动机及变频器（驱动装置）、A/D及其D/A板选择等。2)软件设计:系统管理程序、控制算法设计及信号的采集与处理程序等。本文主要侧重点是软件设计利用传统的PID设计，控制效果非常理想，满足工业生产的应用。智能控制算法作为当今控制系统的研究热点问题，我们也进行了深入的学习，分别利用模糊自适应控制算法和单神经元自适应控制算法，所得到的效果也是非常理想的。将模糊控制和PID控制相结合，提出了一种智能复合控制策略，并将其应用于交流伺服系统的控制。利用模糊控制在线自适应调整PID控制器的参数，从而使系统的静态和动态性能指标较为理想。实验结果表明，基于模糊PID控制的交流伺服系统具有响应速度快，稳态精度高和鲁棒性等特点。最后，进行GUI(图形用户界面)设计，实习控制系统的可操作性和可视化。此外本文还针对实际设计中遇到的问题进行了分析和讨论，提出了参考方案，本次速度控制系统设计经历了很多改动，可以看出控制系统在设计思想和技术上进步。
关键字：电机 伺服控制 PID 数字PID 神经网络 模糊控制 GUI
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引言
现代化生产和生活中，电动机的作用十分重要，无论是交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、农业生产、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用各种各样的电动机。据有关资料介绍，现有90%以上的动力来源电动机，我国生产的电能大约60%消耗于电动机。因此，研究电动机的控制系统是有较大的显示意义的。
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交流电动机伺服驱动系统由于其结果简单、易于维护的优点逐渐成为现代产业的基础。其中交流交流伺服系统在机器人与操作机械手的关节驱动以及精密数控机床等方面得到越来越广泛的应用。交流伺服系统由交流电动机组成，交流电动机的数控模型不是简单的线性模型，而且有非线性、时变、耦合等特点，用传统的基于对象模型的控制方法难以进行有效的控制。对于交流伺服系统的性能，一方面要求快速跟踪性能好。即要求系统对输入信号的响应快，跟踪误差小，过度时间短，且无超调量或超调量小，常规控制方法普遍是以PID控制为基础，然后单纯的PID控制存在超调量大，调节时间长，控制效率低等缺点，而且其参数的选取比较困难。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存在计算机中，根据现场的实际情况，计算机能自动调整PID参数，这样就出现了智能PID控制器。模糊控制对数学模型的依赖性弱。并且不需要建立过程的精确数学模型。
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随着社会的发展，机械已经不是传统意义上机械。科技的发展要求必须有更为精密的机械加工和制造，所以这就要求机械与各学科交叉，不断增加机械品质。本课程设计注重通过速度控制系统设计，初步掌握机械电子学、控制工程和计算机编程的基本知识。树立正确的设计思想，培养分析问题与解决问题能力及其动手能力。为了提高伺服系统的性能各环节均有调节器,但是各环节控制器的参数调整一直困扰着工程技术人员,很多场合只能采用简化模型加经验调整的方法进行参数调节,使得参数调整繁琐且大部分伺服系统并没有工作在最优的状态下。目前对调节器参数整定、优化问题的研究多是基于单个环节的,对于伺服系统整体参数优化调整的研究还较少。PID控制具有结构简单、稳定性能好、控制精度高等优点, 但它的控制性能是建立在精确的数学模型基础上的, 在某一状态下整定为最优的一组PID参数在另一种状态下可能性能很差. 电机运行参数变化与非线性特性使PID控制常常顾此失彼,系统的鲁棒性不尽如人意. 模糊控制以不依赖于被控对象的精确数学模型, 具有较强的鲁棒性, 对被控对象的参数变不敏感, 可以有效地克服伺服系统中的非线性、时变、耦合等因素的影响, 但控制精度和系统反应速度不高.采用模糊PID控制, 既具有模糊控制灵活适应性强的优点, 又具有PID控制精度高的特点, 提高了系统的快速性和控制精度.本文应用Matlab /Simulink工具包建立电机伺服系统的数学模型,进行仿真,从整体角度出发对伺服系统整体参数的优化和调整进行研究。固定参数的PID控制器很难满足高精度伺服系统的控制要求，而模糊PID控制器则融合了模糊控制理论与常规PID控制器的优点，能有效提高系统的动静态性能。本文针对交流电机速度伺服系统设计了模糊PID控制器。通过仿真实验，验证了其良好的控制性能。