同步电机速度控制系统的计算机仿真实验综述

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摘 要：为了更好地研究模糊PID控制在电机速度控制中的应用，利用MATLAB仿真软件建立了一个仿真模型。并通过分别执行P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制，得到了四种控制下的电机运行状态。通过对仿真结果的比较，可以看出：在PID控制器中，比例部分的作用是使系统输出趋向设定值；积分部分的作用是改善系统稳态时的性能，降低稳态误差；而微分部分的作用则体现在超调量的减小上。模糊控制又能使系统的性能总体上得到改善。

关键词：计算机仿真；模糊PID；综述

中图分类号：TP113

为了更好地研究模糊PID控制在电机速度控制中的应用，利用MATLAB仿真软件建立了一个仿真模型。并通过分别执行P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制，对四种控制下的电机运行状态进行仿真。希望通过对四种仿真结果比较和分析进一步掌握不同控制模式在电机速度控制中的应用和计算机仿真的建立与研究方法。

1 相关控制理论的简述

比例、积分、微分控制器基本控制过程就是根据实际运行时出现的误差，并和标准值之间进行比例、微分、积分运算，最后用计算得到的结果控制系统状态。模糊控制是建立在模糊数学基础上的一种过程控制方式，与传统的控制方式的不同之处在于不需要为控制对象建立精确的数学模型。

在传统的PID控制中当系统的误差较大和较小时或者误差的变化率较大或较小时其实对于比例、积分和微分三个参数的要求是略有不同的。比例的系数在系统变化的初期可以大一点，因为可以加快系统的响应速度，但是在后期时就不适宜太大，如果太大就会增加超调量。积分的系数相反，在初期时不适宜设置太大，而在接近稳态的时候可以适当地增大一点。微分的系数由于反映了系统误差的变化情况，所以对于较好的系统其大小也需要适当的调节。为了很好地解决这一问题我们可以将三个参数的大小采用模糊控制的方式进行调节从而得到了模糊自整定PID控制器。

2 在MATLAB中建立模型

在设计的仿真模型中，随机选取了MATLAB的SIMULINK库中的第4种交流永磁同步电机作为模型中的控制对象。先期的PID的基本参数是通过试凑法做的，最终选取的比例系数为5，积分系数为30，微分系数为0.0006。对三个参数进行整定的方法是在基础数值的基础上按照一定的比例进行调节，调节量的大小根据设置的模糊规则进行推理。

3 系统仿真结果

在对系统进行仿真时共对四种控制方式分别进行仿真，即P控制、PI控制、PID控制和模糊PID控制。以便比较不同控制效果。根据实际运行情况，最终选取0～0.9s作为仿真的记录时间。为了能更好地反映系统的性能，在系统运行的初始时设置的负载转矩为0.1N・m，在0.4s的时候将系统的负载专业改变为10N・m。电机的设定转速为300转/分。

3.1 首先对P控制下的系统进行仿真（图略）

通过仿真结果可以得到：主要的缺点在于起始阶段系统出现了比较大的超调最大为每分钟318转，稳定前有多次振荡。负载转矩后，电机的转速一直没能达到设定的每分钟300转，仅为每分钟296转。

3.2 对PI控制进行仿真（图略）

在PI控制的下，最大超调量达到了每分钟320转。不过在增加负载转矩后电机的转速最终稳定在设定转速每分钟300转上下。

3.3 PID控制下的系统仿真结果

通过仿真结果可以看到，在PID控制下电机转速的超调量明显降低，降为约每分钟312.6转，而且没有了振荡现象。不过在负载转矩增加后仅仅是最低转速变为每分钟291转略微好点。

3.4 模糊参数自整定PID仿真结果

将模糊PID的仿真结果和之前的仿真结果比较可以得到：在初始阶段，电机转速的超调量较低不少，将为约每分钟304转明显改善，第1次到达稳态时的时间提高到0.05s左右。增加负载转矩后最低的转速为每分钟292.2转，比之前有所提高，第2次到达稳态的时间有所提前，在0.6s左右。而电机到达最终的稳态后，4个系统中电机的转速都有一定的波动，按顺序分别为每分钟1.2转、1.2转、1转和0.5转。可见模糊PID在这方面的控制效果也是最好的。

4 总结

通过仿真模型的建立，熟悉了借助计算机仿真软件建立工程模型研究实际问题的方法。通过对4个仿真结果的比较，进一步了解了控制器中各个控制参数的作用：P参数的作用是使系统总体上到达设定状态，I参数的作用是消除系统在到达稳态时的误差，D参数的作用主要表现在有效减小系统的超调量。而在引入模糊控制之后通过对3个参数的实时整定，使得系统的性能进一步得到提高。

参考文献：

[1]耿瑞.基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J].信息技术，2007，1：43-46.

[2]王述彦.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术，2011，1，30（1）：165-172.

[3]唐闻新.基于模糊控制的永磁同步电机速度控制系统设计[D].合肥工业大学，2011.

作者简介：唐闻新，男，安徽合肥人，实验师，硕士学位。

作者单位：安徽中医药大学，合肥 230031

基金项目：安徽中医药大学校级质量工程项目（Zlgc201203）。