音圈電機伺服系統模糊pid控制
劉日龍，殷德奎
（中國科學院上海技術物理研究所，上海200083）
摘要：以音圈電機工作原理分析為基礎，給出其動態數學模型。采用模糊推理方法對pid參數進行修正，設計了一種參數自整定模糊pid控制器，并應用于音圈電機驅動擺掃反射鏡系統。通過對伺服系統進行仿真分析，驗證了所設計的模糊pid控制器是司行的，且顯示出其較好的自適應性和魯棒性。
關鍵詞：模糊pid控制；音圈電機；動態性能；仿真
中圖分類號：tm383.4 文獻標識碼：a 文章編號：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制系統的重要組成部分。為了驅動反射鏡使其完成擺掃運動，需要合理設計相應的伺服控制系統，控制反射鏡在有效行程內作高精度的勻速運動。音圈電機的動子履量輕且機械慣性小，具有良好的動靜態性能和控制特性，與閉環控制系統相結合，可實現高精度的速度伺服控制=音圈電機在光學測量系統、空間遙感儀器等方面都有著廣泛的應用。然而，由于反射鏡負載通過轉軸直接和電機動子相連，負載變化、外部擾動等不確定因素將直接影響伺服系統的控制性能，使系統表現出明顯的非線性。傳統pid控制器作為一種線性控制器，對這種非線性變化引起的速度波動，難以滿足系統的勻速性要求； 以模糊邏輯為基礎的模糊控制，自適應性強，對非線性等復雜系統具有良好的控制效果。但模糊控制器只能取有限的等級，限制了控制精度的進一步提高。文獻[3]提出了用基于增強學習的模糊控制方法對音圈電機進行伺服控制。本文將模糊控制和pid控制結合起來構建參數自整定模糊pid控制器，應用于音圈電機驅動擺掃反射鏡系統，取得了較好的控制效果。
1音圈電機動態模型的數學描述
音圈電機是一種特殊形式的直接驅動電動機，其工作原理與電動式揚聲器類似，即通電線圈在磁場內就會產生力，力的大小與作用在線圈中的電流成正比。依據音圈電機的電壓平衡方程和力矩平衡方程可得
若忽略動摩擦和阻尼的影響，從上式中消去中間變量i（t），可得到以u（t）為輸入量，w（t）為輸出量的伺服系統微分方程：
從而有：
經過拉普拉斯變換，可得從音圈電機電壓輸入到反射鏡角速度輸出的傳遞函數：
已知相關參數值k=1.19，te=4 42 ms，tm=0 087 s代人式(5)，計算可得：
音圈電機的動態模型組成框圖如圖l所示。
2模糊pid控制策略
經典pid控制器是根據給定值和輸出值構成的控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合方式構成控制量，對被控對象進行控制。參數自整定模糊pid控制是將模糊控制和pid控制相結合，偏差e和偏差變化率e．作為輸入，pid參數的修正量△kp、△ki、△kd，作為輸出，找出pid參數與偏差e和偏差變化率ec，之間的模糊關系，利用模糊推理合成設計模糊矩陣表，查詢矩陣表對pid參數進行在線整定。圖2為模糊pid控制原理圖：
音圈電機伺服驅動系統穩態運行時，要求系統具有一定的穩態跟蹤精度，產生的穩態速度誤差越小越好。綜合考慮實時性和參數優化的要隸，保證系統穩態精度和動態跟蹤性能，采用參數自整 |
