基于模糊PID的多电机全闭环同步控制系统

摘 要：在实际工程应用时PID 控制策略以及传统的耦合控制策略都很难满足高同步性能的要求，并容易造成速度跟踪失步的问题。文章基于模糊PID控制策略的基础上采用多不同电机全闭环控制方法对传统耦合控制方式进行改进，并以模糊PID控制器为核心，应用Simulink进行建模仿真，结果表明改进后的多电机全闭环同步控制系统具有良好的同步性、稳定性和准确性。

关键词：交叉耦合控制；模糊PID控制器；多电机

中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0001-02

传统的PID控制策略在单电机控制时能够发挥很好的作用，但是对于多电机的同步控制，其无法判断其他电机的速度水平。传统的耦合控制采用主从电机控制，主电机的速度不会跟随从电机速度的变化而发生变化，因而造成了主从两台电机间的失步。在理论上相邻耦合算法的控制策略能够得到理想的同步控制性能，实际上由于负载动特性的参数很难实时测量，使得此策略在应用上受到了限制，并且由于控制算法非常繁琐，这种控制策略难以实现多台电动机的同步控制。所以本文提出了一种基于模糊PID控制器的改进耦合控制方法来控制多台不同型号的永磁电机，实现同步控制的效果。

1 模糊PID控制器多电机全闭环控制系统

目前对于多电机的控制方式多采用半闭环的控制方式，对于电机后端的机械传递系统的误差不加以控制，误差不能得到很好地控制。本文采用模糊PID控制器的多电机全闭环控制系统可以有效的避免这种误差。

1.1 单电机模糊PID控制器分析

如图1所示，每个模糊PID控制器都包含与Kp、Ki、Kd相对应的模糊控制器、比较器以及执行器。比较器是将所有电机输出转速的平均值与本电机的输出转速进行比较，然后将结果作为模糊PID控制器的输入，最后执行器根据事先编制的模糊规则将信号传送给电机，从而对电机进行调节。

1.2 模糊控制器模块

模糊控制器模块的主要作用是将反馈转速与理想转速的误差的等级进行判断，其内容包括转速模糊化、控制规则的制定和解模糊控制规则。只考虑电机转速误差（E）将很难对电机的转速误差进行准确的采集，故本文采用二维模糊控制器：转速误差变化率（EC）与电机转速误差（E），输出信号是速度误差等级的大小。

模糊量表达式分别为输入量电机的转速误差（E）、转速误差变化率（EC）与输出变量P、I、D的修正？厝Kp、？厝Ki、？厝Kd，它们的模糊变量分别为e、ec、Kp、Ki、Kd。定义的模糊量集合为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，集合中各元素分别表示负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。模糊控制器的输入量隶属度函数为高斯型；输出变量、、为三角形（trimf） 隶属度函数。

控制规则的制定是模糊控制的核心。控制规则是在设计人员实际工程经验的基础上，按照思维逻辑推理规则得到的。然后由关系词连接而成的，（常用的关系词如if-then）根据实际应用经验，确定各输入输出量之间的模糊关系。

解模糊化过程是把将模糊推理的输出根据解模糊原则转化为实际输出。也就是说给出一个确切的输出值。根据式（1）得到各参数P、I、D的具体值。

kout=k+？驻k（1）

2 仿真实验及仿真平台验证

本文采用三台不同型号的永磁同步电动机为例来介绍同步控制系统，三台电机均额定转速为3000 rad的永磁同步电机。SGMSV-10 A电机1：额定输出（kW）：1.0，额定转矩（N・m）：3.18，额定电流（Arms）：5.7；SGMSV-30 A电机2：额定输出（kW）：3.0，额定转矩（N・m）：9.8，额定电流（Arms）：17.9；SGMSV-50 A电机1：额定输出（kW）：5.0，额定转矩（N・m）：15.8，额定电流（Arms）：27.6。

2.1 基于模糊PID的多电机全闭环控制模块

如图2所示，采用三台不同的永磁同步电机来搭建模型。每台电机采用一个单独的SPVWM模块控制。每轴电机的转速通过速度传感器检测后，与给定的基准速度以及与平均速度的误差相比较，经过模糊PID的调整后得到该电机的速度跟踪误差，该轴的速度跟踪误差通过SPVWM调节电机的输出转速。然后将转矩相叠加通过滚轴丝杠传送到负载。对于用户而言，只需要编辑所需要的位移要求就可以达到目的。其中，模糊PID控制策略采用速度交叉反馈耦合控制，使各个电机的速度保持一致，同时达到控制要求。

在其中一台电机的负载增加时，其速度会随之降低，此时其余两台电机的输入转速指令变为负值，而此台电机的速度指令增加，使三台电机的速度趋向平均，最终达到平衡。

2.2 仿真实验结果验证

通过搭建控制模型进行Simulink仿真并验证控制方法的准确性、平稳性。现已3台不同的永磁电机同步控制模型来验证传统PID控制策略和模糊PID全闭环控制策略的区别。在输入信号为同一速度参考指令下，三台电机均空载启动，待速度达到稳定后在T=0.1 s时，电机1突加负载扰动=5 NM，分别使用常规传统PID控制器和模糊PID控制器对3台电机同步转速精度的影响。实验结果如图3所示。

从图3所示可以看出，运用模糊PID控制器进行控制，在电机1突加负载后，转速跌至91 rad。0.103 s后，三台电机经过均出现超调现象，电机1的超调转速达到103 rad。在0.104 s是转速达到平衡。

从以上两种控制方式对比当中不难看出采用模糊PID控制器比采用常规传统PID控制器时可获得更好的同步精度，超调量减少，增强了多电机系统的抗干扰能力。

3 结 论

本文对多电机同步控制问题进行研究，利用模糊PID控制器并采用交叉耦合控制反馈各电机的速度，然后对三台不同的永磁同步电机同步组成的控制系统进行了matlab仿真。结果表明，基于模糊PID控制策略能够满足多台不同永磁同步电机同步控制，基于模糊PID控制策略的系统较传统PID控制策略相比具有较高的同步控制精度以及较好的鲁棒性。

参考文献：

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