模糊控制在汽車伺服控制系統中有哪些應用

傳統PID（比例、積分和微分）控制原理簡單，使用方便，適應性強，可以廣泛應用于各種工業過程控制領域。但是PID控制器也存在參數調節需要一定過程，最優參數選取比較麻煩的缺點，對一些系統參數會變化的過程，PID控制就無法有效地對系統進行在線控制。不能滿足在系統參數發生變化時PID參數隨之發生相應改變的要求，嚴重的影響了控制效果。

模糊控制技術，已經成為智能控制技術的一個重要分支，它是一種高級算法策略和新穎的技術。自從1974年英國的馬丹尼(E.H.Mandani)工程師首先根據模糊集合理論組成的模糊控制器用于蒸汽發動機的控制以后，在其發展歷程的30多年中，模糊控制技術得到了廣泛而快速的發展。

現在，模糊控制已廣泛地應用于冶金與化工過程控制、工業自動化、家用電器智能化、儀器儀表自動化、計算機及電子技術應用等領域。尤其在交通路口控制、機器人、機械手控制、航天飛行控制、汽車控制、電梯控制、核反應堆及家用電器控制等方面，表現其很強的應用價值。

并且目前已有了專用的模糊芯片和模糊計算機的產品，可供選用。我國對模糊控制器開始研究是在1979年，并且已經在模糊控制器的定義、性能、算法、魯棒性、電路實現方法、穩定性、規則自調整等方面取得了大量的成果。著名科學家錢學森指出，模糊數學理論及其應用，關系到我國二十一世紀的國力和命運。

所謂模糊PID控制器,即利用模糊邏輯算法并根據一定的模糊規則對PID控制的比例、積分、微分系數進行實時優化,以達到較為理想的控制效果。

模糊PID控制共包括參數模糊化、模糊規則推理、參數解模糊、PID控制器等幾個重要組成部分。計算機根據所設定的輸入和反饋信號，計算實際位置和理論位置的偏差e以及當前的偏差變化ec，并根據模糊規則進行模糊推理，最后對模糊參數進行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數。

衛星信號接收最大的難點是天線如何自動跟蹤衛星信號，尤其是艦船位置（經、緯度）和方向（方位角）。

為接收衛星信號，在艦船移動接收平臺上裝載可由電機控制旋轉的衛星接收天線系統，將測量出的衛星電視接收天線方向的變化數據轉換成驅動指令，經伺服驅動系統控制天線轉動，使接收天線中心軸在載體移動過程中始終對準衛星，并且采取適當方法對長時間行駛產生的累積誤差進行修正。

故針對艦船航行過程中，因受各種作用力對船只的影響，衛星天線接收器的基座發生偏移，導致天線接收器不再指向衛星信號的傳輸方向，信號接收變弱甚至中斷，通過從輪船衛星天線陀螺傳感器和電子羅盤得到的數據，對改變的接收器指向坐標進行推算驗證，得到天線指向的初始坐標的坐標值轉換公式。利用電機伺服驅動系統控制天線左右或上下轉動，重新調整使其指向衛星，接收信號。

/ 車載天線伺服系統的組成 /

車載天線系統由兩部分組成：戶外設備和戶內設備。戶外設備主要是天線伺服跟蹤系統（包括平臺、平臺伺服跟蹤系統、慣性傳感器、GPS、衛星天線等）;戶內設備主要是控制器（包括各傳感器接口、數據采集、控制器、衛星接收機等）和主控計算機，兩者之間采用電纜連接，具有穩定跟蹤和接收衛星信號的兩大功能。

本系統采用德州儀器推出的TMS320LF2407A，與傳統的單片機相比有巨大的優勢。只需外加較少的硬件即可實現電機控制系統。本系統采用增量式光電碼盤反饋轉子的速度和磁極位置及初始位置。車載天線伺服系統模糊PID控制框圖如圖1所示。

圖1 車載天線伺服系統模糊PID控制框圖

車載天線伺服系統數學模型的確定

若電機的負載為常數且只輸出電機轉動的角速度，則得到直流伺服電機的傳遞函數如式（1）。

圖2 直流伺服電機驅動子系統結構框圖

/ 模糊PID控制器的設計 /

PID參數的模糊自整定是找出PID三個參數Kp、Ki、Kd與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷的監測e和ec，根據模糊控制原理對三個參數進行在線的整定。

PID參數的設定是靠經驗及工藝的熟悉,參考測量值與設定值曲線,從而調整Kp、Ki和Kd的大小。模糊控制規則是用于修正PID參數的，模糊控制規則根據過程的階躍響應情況來考慮求取。

規則如下所示：

（1）預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作;

（2）僅加入比例控制環節,直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩,記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期﹔

（3）根據下面的具體規則修改PID控制器參數，直至滿意為止。

根據上面所述的模糊控制規則，采用如下的PID參數的調節規則，如表1、表2、表3所示。

表1Kp規則調節表

表2KI規則調節表

表3KD規則調節表

PID三個參數的模糊規則庫建立好以后，就可以根據模糊控制理論進行參數的自調整。將系統誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊上的論域：

e,ec=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝

在模糊控制規律中，e和ec的語言變量值取“負大”（NB），“負中”（NM），“負小”（NS），“零”（ZO），“正小”（PS），“正中”（PM），“正大”（PB）共7個值。它們的隸屬度函數都是三角形，并且，每個值所取的范圍寬度相等。

為了驗證PID模糊控制器的控制效果，用Matlab/Simulink軟件進行仿真，根據系統的數學模型。

圖3 仿真曲線圖

運行仿真程序塑料工業網，得到如圖3所示的仿真結果。從圖中可以知道，在階躍響應下，與傳統PID相比，該系統的上升時間和調節時間大大縮小，超調量明顯減小，大大提高了系統的動態性能。

/ 結論 /

本論文將模糊控制與SIMULINK相結合，對車載伺服系統設計了一個比較合理的模糊PID控制器并且進行MATLAB仿真。

由于車載天線處于一個實時變化的環境，導致系統參數可能會根據環境變化。傳統的固定控制參數的控制策略沒有辦法滿足這樣的需求，而模糊自適應控制卻恰好彌補這一缺陷。

同時模糊自適應控制還很好地解決了伺服系統本身自帶的由于慣量引起的誤差。軟硬件結合真正滿足了系統的快，準，穩。