音圈電機(jī)伺服系統(tǒng)模糊pid控制
劉日龍，殷德奎
（中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083）
摘要：以音圈電機(jī)工作原理分析為基礎(chǔ)，給出其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。采用模糊推理方法對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)了一種參數(shù)自整定模糊pid控制器，并應(yīng)用于音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺掃反射鏡系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的模糊pid控制器是司行的，且顯示出其較好的自適應(yīng)性和魯棒性。
關(guān)鍵詞：模糊pid控制；音圈電機(jī)；動(dòng)態(tài)性能；仿真
中圖分類(lèi)號(hào)：tm383.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004-7018(2010)07-0063-02
0引 言
擺掃反射鏡是新型傅里葉變換光譜儀干涉調(diào)制系統(tǒng)的重要組成部分。為了驅(qū)動(dòng)反射鏡使其完成擺掃運(yùn)動(dòng)，需要合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，控制反射鏡在有效行程內(nèi)作高精度的勻速運(yùn)動(dòng)。音圈電機(jī)的動(dòng)子履量輕且機(jī)械慣性小，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能和控制特性，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高精度的速度伺服控制=音圈電機(jī)在光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、空間遙感儀器等方面都有著廣泛的應(yīng)用。然而，由于反射鏡負(fù)載通過(guò)轉(zhuǎn)軸直接和電機(jī)動(dòng)子相連，負(fù)載變化、外部擾動(dòng)等不確定因素將直接影響伺服系統(tǒng)的控制性能，使系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的非線性。傳統(tǒng)pid控制器作為一種線性控制器，對(duì)這種非線性變化引起的速度波動(dòng)，難以滿足系統(tǒng)的勻速性要求； 以模糊邏輯為基礎(chǔ)的模糊控制，自適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)非線性等復(fù)雜系統(tǒng)具有良好的控制效果。但模糊控制器只能取有限的等級(jí)，限制了控制精度的進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[3]提出了用基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的模糊控制方法對(duì)音圈電機(jī)進(jìn)行伺服控制。本文將模糊控制和pid控制結(jié)合起來(lái)構(gòu)建參數(shù)自整定模糊pid控制器，應(yīng)用于音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺掃反射鏡系統(tǒng)，取得了較好的控制效果。
1音圈電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)描述
音圈電機(jī)是一種特殊形式的直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其工作原理與電動(dòng)式揚(yáng)聲器類(lèi)似，即通電線圈在磁場(chǎng)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生力，力的大小與作用在線圈中的電流成正比。依據(jù)音圈電機(jī)的電壓平衡方程和力矩平衡方程可得
若忽略動(dòng)摩擦和阻尼的影響，從上式中消去中間變量i（t），可得到以u(píng)（t）為輸入量，w（t）為輸出量的伺服系統(tǒng)微分方程：
從而有：
經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換，可得從音圈電機(jī)電壓輸入到反射鏡角速度輸出的傳遞函數(shù)：
已知相關(guān)參數(shù)值k=1.19，te=4 42 ms，tm=0 087 s代人式(5)，計(jì)算可得：
音圈電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型組成框圖如圖l所示。
2模糊pid控制策略
經(jīng)典pid控制器是根據(jù)給定值和輸出值構(gòu)成的控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合方式構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。參數(shù)自整定模糊pid控制是將模糊控制和pid控制相結(jié)合，偏差e和偏差變化率e．作為輸入，pid參數(shù)的修正量△kp、△ki、△kd，作為輸出，找出pid參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec，之間的模糊關(guān)系，利用模糊推理合成設(shè)計(jì)模糊矩陣表，查詢矩陣表對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行在線整定。圖2為模糊pid控制原理圖：
音圈電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，要求系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)速度誤差越小越好。綜合考慮實(shí)時(shí)性和參數(shù)優(yōu)化的要隸，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，采用參數(shù)自整 |
