步进电机位移的模糊PID控制设计方案

步进电机位移的模糊PID控制设计方案摘要步进电机是数字离散电机，特别适用于数字离散控制。但是其数学模型具有高度非线性的特点，PID控制难以实现较高精度性能，本文把模糊控制和PID控制结合起来，根据设置好的误差范围，实现自动切换。关键词：步进电机模糊控制PID参数自整定数学模型仿真StepperMotorFuzzyPIDControlSunPanJunYanXueWen(SchoolofElectronicInformationEngineeringTaiYuanUniversityofScienceAndTechnology)AbstractSteppermotorisadigitaldiscretemotor,thatisespecialsuitablefordigitaldiscretecontrol.Butitsmathematicalmodelishighlynonlinear,PIDcontrolisdifficulttoachievehighprecisionperformance,thepapercombinesthefuzzycontrolwithPIDcontroloAccordingtosetgooderrorrange,thesystemcanachieveautomaticswitching.KeywordssteppermotorPIDFuzzycontrolParameterSelf-tuningMathematicalModelSimulation1刖言步进电机本质上是数字离散电机，直接接受数字量，将电脉冲信号转变成位移信号，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。步进电机内部各控制变量高度非线性且相互耦合，而传统PID控制是以精确数学模型为基础的，无法有效应对系统的不确定信息，用不变的PID参数不可能达到较好的控制结果。模糊控制不需要对象的精确数学模型，对系统变化不敏感，鲁棒性好，抗干扰性强。但是由于它的模糊性，稳态精度不好。对于这种情况，可以把模糊控制和PID控制结合起来。2混合式步进电机数学模型本文采用两相步进电机，在忽略互感、漏磁、磁滞、涡流、饱和等影响的情况下，我们采用可以对于一相用一等值有效RL电路绕组进行分析。选用4拍步进方式，设以A相为基准，则B相滞后A相90电角度，则有以下电流方程：—珥年)飒叫绑］ 班,仍忸⑴-昭⑴+kSNN日号帅］携 L dt= L根据力学定律可以写出电动机的机械运动方程:2备咤岑+95其中电机转矩，为负载转矩，为转动惯量，为粘滞摩擦系数，为转子角速度，假设负载转矩为零，则有以下微分方程：Te=J—+伽.一*疽顶i+上点c睥(3)，则式(1)、(2)式、(3)、(4)组成了两相步进电机的数学模型，从中可以看到步进电机是一个高度非线性被控对象，这就要求控制方法非常复杂，而模糊控制正好适用这一特性。3步进电机模糊PID设计在工业控制中，PID控制是应用最广泛的模拟控制方法，用计算机对其采样进行离散化，可以实现数字PID公式FT场*蜘-知Kg-气+苛号驾」现w乌1备十芸呼)0七尹心 ⑴・本文采用二维模糊控制系统，模糊推理输入模糊语言变量为偏差E和偏差变化率EC模糊域为［-33］,输出为PID的三个变化增量、、，将输入模糊语言变量E.EC和输出模糊语言变量的语言值选为都选为7个，即｛负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)｝。设控量偏差和偏差变化率以及、、的基本论域［-0.50.5］则可以确定量化因子和模糊因子KF，」MM-,gPM映gg.陷/N*rwNB-PhVAAN?加NM-'PAP混P*P&・N脆冲EC"AF"P*P*睥、2龄性小PM、P轮'*MM.Pfi/gPM：PM…PA<•罗g'PMuPS*'表1KP模糊规则Ag盼P舞F1：-/：「V4E3PB-跆Z-1NM.Nb{■-PB#P?PB-PMhPW距]l£NS卢PM+'PBhPEkPS-PMrP*P如PM-PAWF0*PM"PS-PWP"PB-NB.PB-PB<PS*J日'3P3rMH*PBi»PB.PMr整巳P&典/PB「PB/W表2KI模糊规则

NSuP&-'F函PBqPB.PBnPB-PH.'PM：PB>您。PM，、PMh'P?ZP*PM，PANB户盼P#PS-AP眼EC.队昼舲NW'：字P*PNPP&Z.PS->PS-NM-IB1'函，花zPM.PM-PM•NS-而'NBh'P0.成P塞P印酬表3KD模糊规则模糊推理和解模糊也很重要，解模糊是根据模糊推理的结果，绘出控制量的过程，常用的方法有最大隶属度法中位数法加权平均法,最大隶属度具有梯形中断性不利于系统的稳定，而加权平均法有益于系统稳定，所以本文采用加权推理..图2步进电机模糊PID控制SIMULINK仿真模型模糊控制器具有良好的动态特性，但是静态特性不能获得满意，而PID控制具有较高的稳态静态精度,。把PID控制引入模糊控制器中，大范围误差范围内采用模糊控制，在小范围误差换成PID控制，两者的转换由预先设置的程序控制根据误差范围自动实现。4仿真结果分析图3阳D控制位首蜓应曲建 图4模糊PIDfc首响应曲经尸<break--> 在给定位置输入同样为i0rad的情况下，图4最终也达到了要求，但是中间出了较大的抖动，而采用了模糊PID控制后，从图5可以看出系统响应更加迅速，并且超调量很小，过程的稳定性也大大的提高。说明采用模糊PID控制达到了控制系统的基本要求，比起单纯的PID控制确实具有优越性。5结束语通过步进电机建模得到，步进电机是复杂的高度非线性系统，而本文的模糊PID控制系统，比普通的PID控制有了很大的提高，但是由于步进电机最大启动转速的存在，造成易于失步和震荡，为了尽可能保持稳定性和的启动和停止时间，可以采用模糊自整定技术，通过改变KP的值，可以将步进电机直接启动速度和停转速度设置为一个小于的值，这样系统的响应速度可以进一步提高。参考文献1史敬灼.步进电动机伺服控制技术［M］北京:科学出版社,2006.2李庆春一种PID模糊控制器（fuzzyPI+fuzzyID型）控制与决策2009年7月第24卷第7期3刘卫国，宋受俊三相反应式步进电动机建模及常用控制方法仿真微电机200