一种无刷直流电机模糊pid控制算法
技术领域：
：1.本发明涉及控制算法
技术领域：
：，尤其涉及一种无刷直流电机模糊pid控制算法。
背景技术：
：：2.直流无刷电机是由电动机主体和驱动器组成的一种同步电机，也是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构，可以低速大功率运行。它不仅体积小、重量轻，而且稳定性好、效率高，因此应用十分广泛，如汽车、自动化以及航空航天等3.电机中具有电流、转矩、转速等多个变量，具有非线性且时变性等特点，很难建立十分精确的数学模型，所以用经典pid控制算法难以做到精确控制。技术实现要素：4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种无刷直流电机模糊pid控制算法。5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：6.一种无刷直流电机模糊pid控制算法，包括pid控制，所述pid基本控制为根据一给定的输入值与实际的输出值之间的偏差，按照一定的比例、积分、微分构成的线性组合来获得控制量，并利用这个控制量去控制被控制对象；以及7.基于pid控制的控制系统由三部分组成，包括比例(p)、积分(i)、微分(d)；以及8.模糊pid控制算法，9.模糊控制器主要由三大部分组成：模糊化、模糊逻辑推理、解模糊化；以及10.模糊pid控制策略仿真模型建立，11.设计三角形隶属函数，将所有量的基本论域划分为由小到大的七个等级：负大、负中、负小、零、正小、正中以及正大，用英文缩写可以分别表示为：nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb；12.还包括控制系统总体仿真设计系统。13.优选地，所述控制系统总体仿真设计系统包括无刷直流电机模块、转速pi控制模块、模糊pid控制模块、坐标变换与反变换模块及空间矢量脉宽调制模块。14.优选地，所述控制系统采用转速和电流环双闭环调速，转速外环由pi控制调节器进行优化控制，电流内环采用模糊pid控制。15.优选地，所述模糊pid控制算法包括以下步骤：16.s1、输入给定目标值；17.s2、取当前时刻采样值；18.s3、计算e(k)、ec(k)；19.s4、进行模糊处理。输出pid参数增量；20.s5、计算当前pid参数值；21.s6、pid控制器输出控制量。22.优选地，所述控制系统总体仿真设计系统可分为升速状态转速与转矩对比仿真模拟与减速状态转速与转矩对比仿真模拟。23.优选地，所述升速状态转速与转矩对比仿真模拟可设定电机由静止开始启动至500rpm，后在0.02s时电机增速至1000rpm，将传统pid控制系统与模糊pid控制系统控制下的转速、转矩进行对比。24.优选地，所述减速状态转速与转矩对比仿真模拟可设定电机第一次从800rpm降速至400rpm，第二次降速至静止，比较传统pid控制系统与模糊pid算法控制下的转速、转矩情况，仿真对比曲线。25.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：基础上提出模糊控制pid控制算法，并把此控制方法应用到直流无刷电机的控制系统中，在matlab/simulink环境下分别搭建传统pid、标准模糊pid的仿真模型。对仿真结果对比分析后得出模糊pid控制策略具有超调小、调节时间短、鲁棒性能较好的优点，抑制转矩脉动可以得到明显抑制，故具有更强的实用性。附图说明26.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。27.图1为本发明的基于pid控制器的控制系统原理图；28.图2为本发明的模糊逻辑控制原理框图；29.图3为本发明的模糊pid控制系统结构框图；30.图4为本发明的模糊pid控制算法流程图；31.图5为本发明的速度环pi控制仿真模型示意图；32.图6为本发明的输入量隶属度函数示意图；33.图7为本发明的δkp、δki、δkd模糊规则三维图；34.图8为本发明的模糊pid控制器仿真模型图；35.图9为本发明的无刷直流电机控制系统仿真模型示意图；36.图10为本发明的升速时转速对比图；37.图11为本发明的升速时转矩对比图；38.图12为本发明的减速时转速对比图；39.图13为本发明的减速时转速对比图。具体实施方式40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；41.参照图1-13，一种无刷直流电机模糊pid控制算法，包括pid控制，pid基本控制为根据一给定的输入值与实际的输出值之间的偏差，按照一定的比例、积分、微分构成的线性组合来获得控制量，并利用这个控制量去控制被控制对象；以及42.基于pid控制的控制系统由三部分组成，包括比例(p)、积分(i)、微分(d)43.输出量的控制规律为：[0044][0045]式中：[0046]kp——比例因子；[0047]ti——积分时间常数；[0048]td——微分时间常数。[0049]离散化后得到：[0050][0051]式中：[0052]ki——积分因子；[0053]kd——微分因子；[0054]电机中具有电流、转矩、转速等多个变量，具有非线性且时变性等特点，很难建立十分精确的数学模型，所以用经典pid控制算法难以做到精确控制。而模糊pid控制可以通过追踪系统中各个变量，自动调节pid控制器的三个参数，最终可以使整个系统达到比较理想的控制效果，故采用一种新型的模糊pid控制算法来开发本无刷直流电机bldc驱动控制系统。[0055]以及[0056]模糊pid控制算法，模糊控制(fuzzylogiccontrol，flc)是一门通过模仿人的思维模式而进行计算机智能控制的先进技术，在现代自动控制中，模糊控制已被广泛运用于各种领域，包括智能机器人、航空航天、车辆工程、家用电器等；针对本文无刷直流电机驱动控制器的时变非线性的特征，模糊控制不需要精确的数学模型，且结构简单、鲁棒性强，可以避免许多误差产生，使得其控制效果比一般传统控制器更优越，故适用于本文研究的无刷直流电机驱动控制器的研究。[0057]模糊控制器主要由三大部分组成：模糊化、模糊逻辑推理、解模糊化，其基本框图如图2所示。图中y0为被控对象的给定值，y为实际值，e为偏差且e＝y0-y，ec为偏差的变化率，e与ec经过模糊化后得到模糊量e与ec，再经过模糊控制器推理得到结果u，u最后经过解模糊化后得到的最终精确控制量u；pid控制具有结构简单、易于搭建的优点，模糊控制具有应用方便、鲁棒性等优点，将两种控制方法合成为模糊pid控制策略，可以同时发挥出两种控制方法的优点。一般有两种结合方式，第一种为分段控制，通过编写一函数，使系统可以在传统pid控制与模糊控制之间进行切换，选择两种控制方法中的最优控制方法；第二种为通过模糊控制器实时追踪系统中各个变量，自动调节pid控制器的三个参数，通过改变积分项的速度，使其减少偏差，当偏差大的时候，积分项变化速度变慢，反之变快。[0058]针对本文无刷直流电机驱动控制器的时变非线性的特征，为了保持整个过程中较优的驱动控制性能，本系统并选用第二种模糊pid控制策略，模糊控制不需要精确的数学模型，且结构简单、鲁棒性强，可以避免许多误差产生，使得其控制效果比一般传统控制器更优越，故适用于本文研究的无刷直流电机驱动控制器的研究。该法很好的结合了pid控制结构简单和模糊控制算法鲁棒性好、响应速度快等优点。[0059]参阅图3，图中e为模糊pid控制器给定值与被测对象输出值之间的偏差，ec为其变化率，将e与ec作为模糊控制器的输入，经过由数模糊规则表和隶属度函数构成的模糊逻辑推理后得到pid三个控制参数的增量作为模糊控制的输出，并以此后续不断更新整定pid参数，更新后的参数计算为：[0060]kp＝kp0+δkpꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3-3)[0061]ki＝ki0+δkiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3-4)[0062]kd＝kd0+δkdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3-5)[0063]式中：[0064]kp0、ki0、kd0——pid参数初值；[0065]δkp、δki、δkd——经模糊推理整定之后的pid参数增量。[0066]模糊pid控制算法包括以下步骤：[0067]s1、输入给定目标值；[0068]s2、取当前时刻采样值；[0069]s3、计算e(k)、ec(k)；[0070]s4、进行模糊处理。输出pid参数增量；[0071]s5、计算当前pid参数值；[0072]s6、pid控制器输出控制量。[0073]以及[0074]模糊pid控制策略仿真模型建立，[0075]设计三角形隶属函数，将所有量的基本论域划分为由小到大的七个等级：负大、负中、负小、零、正小、正中以及正大，用英文缩写可以分别表示为：nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb，无刷直流电机的驱动控制系统的主要作用是将电机的转速稳定在某一设定值附近，可得到该模糊pid控制规则如下表：[0076][0077][0078]参阅图6输入量隶属度函数可得e、ec隶属度函数图：[0079]总体调整规则如下：[0080](1)当偏差e较大的时候，为了调节速度更快，应该增大kp、减小kd，且为了减少超调量，ki取零；[0081](2)当偏差e和偏差变化率ec大小适中的时候，kp适当得取一较小值，且为了减小微分因子kd的影响，其值应较小，并同时适当调整ki的大小；[0082](3)当偏差e较小、偏差变化率ec较大时，为了维持稳定，减小干扰，应增大kp、ki并取合适的kd值；若ec较小，为了增加稳态控制作用，应减小kd。[0083]表3-3δki模糊规则[0084][0085]table3-3δkifuzzyrules[0086][0087][0088]表3-4δkd模糊规则[0089]table3-4δkdfuzzyrules[0090][0091]表中一共有49条模糊规则，如：[0092]r1:ifeisnbandecisnbthenuispb；[0093]r2:ifeisnbandecisnmthenuispb；[0094]r3:ifeisnmandecisnbthenuispb；[0095]r4:ifeisnmandecisnmthenuispb；[0096]r5:ifeisnsandecisnsthenuispm。[0097]还包括控制系统总体仿真设计系统。[0098]图中主要包括无刷直流电机模块、转速pi控制模块、模糊pid控制模块、坐标变换与反变换模块及空间矢量脉宽调制模块。[0099]控制系统采用转速和电流环双闭环调速，转速外环由pi控制调节器进行优化控制，电流内环采用模糊pid控制，本文采用matlab/simulink搭建仿真模型实现bldcm的整个系统控制。控制系统采用转速和电流环双闭环调速。转速外环由pi控制调节器进行优化控制，电流内环采用模糊pid控制。利用模糊pid控制实现电机控制时，根据经验与调试，设定pid参数kp＝8，ki＝1，kd＝0.004。[0100]控制系统总体仿真设计系统可分为升速状态转速与转矩对比仿真模拟与减速状态转速与转矩对比仿真模拟。[0101]升速状态转速与转矩对比仿真模拟可设定电机由静止开始启动至500rpm，后在0.02s时电机增速至1000rpm，将传统pid控制系统与模糊pid控制系统控制下的转速、转矩进行对比曲线分别如图10、图11所示。[0102]可以看出，使用模糊pid控制系统的电机转速明显比传统pid控制下的电机转速响应更快、更稳定，后者还有明显超调现象且震荡次数较多，当升速时中高速时，模糊pid控制效果更突出；从图中可以看出，传统pid控制系统转矩波动明显，而采用了模糊pid控制算法后的系统转矩更稳定，电机转矩脉动也得到了明显的抑制，整个系统具有较好的鲁棒性。[0103]减速状态转速与转矩对比仿真模拟可设定电机第一次从800rpm降速至400rpm，第二次降速至静止，比较传统pid控制系统与模糊pid算法控制下的转速、转矩情况，仿真对比曲线如图12、图13所示。[0104]可以看出，将电机减速至一恒定值时，采用模糊pid算法控制的系统电机转速下降时间更短且比较稳定，传统pid控制有明显的超调现象且波动明显，转矩也比传统pid控制系统下的转矩更稳定，转矩脉动得到了明显抑制。首先分析传统pid控制的基本原理，在这基础上提出模糊控制pid控制算法，并把此控制方法应用到直流无刷电机的控制系统中，在matlab/simulink环境下分别搭建传统pid、标准模糊pid的仿真模型。对仿真结果对比分析后得出模糊pid控制策略具有超调小、调节时间短、鲁棒性能较好的优点，抑制转矩脉动可以得到明显抑制，故具有更强的实用性。当前第1页12当前第1页12