直线电机的PID控制与模糊控制

直线电机的PID控制与模糊控制

江帅辰

江帅辰

云南机场集团昆明长水国际机场

摘要：在对直线电机进行研究的基础上，为了更好地对其应用，操作人员需要先对其进行有效控制，以便使直线电机在控制要求较高的环境下，也能够得到很好的利用。本文主要是对直线电机的应用进行了阐述，并在此基础上论述了直线电机的PID控制和模糊控制这两种控制方法。

关键词：直线电机；PID控制；模糊控制；应用

一般情况下，直线电机使用较为广泛的领域是机床进给和分拣。长水机场行李处理系统中行李分拣系统（TTS）就采用直线电机驱动，在分拣行李的模式或“自动”模式下，分拣机的速度由精密误差控制的PID闭环速度控制系统控制，接受来自导入线的行李并将行李分拣到目的滑槽。直线电机有着极为优秀的功能，且工作效率也更高。而由于直线电机所具备的非线性特点，一般依据数学模型所形成的控制法很难对直线电机的运转进行很好的控制。这就需要操作人员对其的特点进行研究，以便探寻出能够有效对其进行控制的方法。

1.直线电机的应用

传统分拣机所使用的电机是旋转电机，这种电机的特点就是声音比较大，传输速度比较慢，工作效率比较低。而随着科技的进步，分拣机所应用的电机也逐渐由旋转电机转变成了直线电机。与旋转电机相比，直线电机的工作效率更高，声音更小，传输速度更快。但是，直线电机的控制却是一个较难解决的问题，因为传统的控制方法根本无法对其进行有效控制。随着研究人员的深入研究，逐渐寻找到了控制直线电机的有效方法。对直线电机的控制主要通过两种方式来实现，即PID控制和模糊控制。

其中，PID控制属于传统控制方法，这种控制方法的优点是使用的实践比较长，对其的研究比较深入，控制技术相对而言比较成熟，控制的稳定性和精准度也比较高，而且这种控制方法的实现也是需要依据交流伺服电机来完成。模糊控制则属于智能控制方法，这种控制方法的特点就是效率比较高，脱离了控制对象的模型，对直线电机的控制也能够取得很好的效果。而这种控制方法的实施是以知识表达为依据，利用模糊逻辑对控制对象进行推理，从而实现对直线电机的有效控制。模糊PID控制则是综合了模糊控制与PID控制的部分优点的一种控制方法，这种控制方法的应用使得操作人员对其的控制更加稳定、准确，同时直线电机的工作效率也得到了一定程度的提升。

2.直线电机的控制

2.1PID控制法

PID控制法是直线电机控制法中的较为传统的方法，这种控制方法实施的关键点是PID控制器，只有PID控制器达到标准，对直线电机的控制才能更加高效。PID控制器的设计一般包含三个环节，即比例、积分、微分等环节。在PID控制理论中，比例和积分两个环节的结合是属于滞后校正环节，而比例和微分两个环节的结合则属于超前校正环节。PID控制法的计算公式是。其中，U(t)代表控制器的输出；e(t)代表输入信号；Kp代表比例系数；T代表积分时间常数；Ta代表微分时间常数。

在利用PID控制法进行直线电机控制的时候，需要注意三个参数。第一是比例环节的Kp参数，其对控制系统的灵敏度和精准度有着极大的影响。假如Kp值在增大，则对降低稳态误差有很大帮助，也能够提升控制的精准度，但是如果Kp值过大，那么控制系统就会出现不稳定现象。第二是积分环节的T参数，其对系统稳态误差有很大影响。假如T值过小，则振荡的次数就会变的；若T值过大，则系统稳态误差又无法降低，这也就导致控制系统的精准度无法得到提升。第三是Td的值，假如Td值过大或过小，则控制系统都会出现超调现象，且调节的时间也会变得更长，对直线电机的控制极为不利。

此外，假设Kp值为0.05，T值为1000s，Td值为0.01s，则对直线电机的控制速度就会达到一定高度，然后稳定下来，且PID控制器的工作效率也能达到最高，系统的稳定性也更好。但当t达到150s的时候，控制系统的负载值就会发生变化，而且对直线电机的控制速度也会在达到峰值后，逐渐降低，尽管中间不会出现太大的波动，但是PID控制器的工作效率去无法得到保证。但是，假如将Kp值改为2，T值改为10s，Td值改为0.01s，则控制系统的控制速度会随着Kp值和T值的改变而发生变化，即当Kp值变大，T值减小的时候，造成的影响是系统出现振荡的次数就会变多，调整所需要的时间也会更长；而造成的优势控制系统的反应速度也会变得更加迅速。由此可见，PID控制器的输出不会直接反应到直线电机中去。利用PID控制器对直线电机进行控制，则需要预估延迟时间，而且被控制对象也会出现随机负载。比如，使用较为广泛的史密斯预估控制器，这种预估控制器的特点就是能够对控制对象的延迟时间进行预估，但是如今的控制对象都存在随机负载，因此其的延迟时间无法被准确预估，这也就导致史密斯预估控制器无法高效的建立。

2.2模糊控制法

利用模糊控制法对直线电机进行控制，如果加速度和误差在可承受范围内发生改变，则模糊控制器的输入和输出就会呈稳定变化趋势。一般情况下，模糊控制器的模糊子集都存在一个固定量，且模糊控制法的非线性关系也能得到很好的控制。模糊控制器的设计与PID控制器的设计存在本质的区别，且模糊控制器在应用过程中可以脱离控制对象的模型，而PID控制器则必须要依据模型才能工作。

此外，在模糊控制法的应用中，假如控制系统的随机负载由最大值转变到最低值，则系统加速度会发生变化，同时模糊控制器的输出也会随之发生变化，这就使得控制系统的速度会保持不变，当经过一段时间后，模糊控制其的输出就会变得稳定。由此可见，利用模糊控制法对直线电机进行控制，系统的随机负载会得到一定程度的提升，同时系统响应的时间与超调值也会发生改变。

结束语：

综上所述，直线电机的控制方法主要分为两种，即PID控制法和模糊控制法。其中，PID控制法是属于较为传统的控制方法，而模糊控制法则属于先进的智能控制法。其中，模糊控制法的实施好似人类用头脑推理，这种控制方法能够很好地对控制对象进行一些非线性操作；而PID控制法则无法实现这一操作。

参考文献：

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[2].孙华,张涛.永磁同步直线电机的模糊PID控制及仿真试验[J].机床与液压.2011,39(5).

[3].叶云岳,陆凯元.直线电机的PID控制与模糊控制[J].电工技术学报.2001,16(3).