基于模糊PID控制的磁力耦合器調速系統研究

張星亞 朱金龍

摘要：磁力耦合器作為一種新型的連接機構，憑借著其優良的性能正逐漸被廣大廠家企業所認知和接受，因此磁力耦合器調速機構的智能控制研究就顯得極為重要。本文將模糊算法與傳統PID控制相結合，首先建立磁力耦合器的調速系統模型，分別仿真常規PID控制與模糊PID控制在系統中的響應效果，結果顯示模糊PID控制更加穩定，控制精度更加精確，該研究為磁力耦合器調速機構的控制方法提供了參考。

關鍵詞：磁力耦合器調速系統；matlab；PID控制；模糊控制

磁力耦合器通過調節其氣隙大小做到調控輸出端轉速轉矩大小。磁力耦合器作為現在新興的一種調速機構，憑借其優良的性能和出色的可靠性為廣大企業工廠所認知和使用，并應用于多種場所，取得了良好的效果。現如今，智能化自主控制已經成為各個行業的發展趨勢，對于新興設備磁力耦合器調速系統的智能化控制就顯得尤為重要。磁力耦合器調速原理為將電機與負載借由非接觸式磁力傳動連接在一起，通過控制器和執行器來實現氣隙大小的改變，從而調節機構輸出的轉矩與速度。其調速系統由磁力耦合器，控制器，執行器三個部分組成。

1 常規PID控制

常規的調速系統其控制器主要為PID控制，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制；積分控制可消除穩態誤差，但可能增加超調；微分控制可加快大慣性系統響應速度以及減弱超調趨勢。控制規律可以總結為

u（t）=KPe（t）+KI∑tj=0e（j）+KD[e（t）-e（t-1）]

常規PID控制有著良好的穩定性和魯棒性，由于結構簡單，被廣泛應用于機械，冶煉，電力等多個工程控制方面。在如今的現代化工業生產中，仍然有90%以上的工程控制使用常規PID控制。在此基礎上建立磁力耦合器調速控制系統的matlab數學模型。

運行常規PID控制模型，可以得到輸出波形如圖1，從波形圖上可以看出，雖然常規的PID控制的初始上升時間很快，但輸出存在震蕩，輸出振幅明顯信號不穩定且存在超計量輸出。對整個系統的穩定運行和使用壽命上都有不利的影響，對于調速機構來說控制精度不能夠得到保證，在實際運用的過程中并不能很好地滿足工作需要。

2 模糊PID控制

模糊算法是1965年，由美國的Lotfi A.Zadeh教師所創立的，并于1972年，在《A Rationale for Fuzzy Control》雜志上發表論文首次提出了將模糊算法應用于控制工程上。與傳統的控制方法相對比，涵蓋了模糊算法的控制系統，無需對控制的過程與對象進行數學建模，避免了因數學建模不健全或無法建模帶來的控制不準確，行為缺失。在工程中，特別是對于類似于礦山這種較為惡劣的工作環境下，感應系統并不能保證十分穩定，但對其控制系統的穩定性要求特別高。這樣就需要在控制變量上存在一定程度的偏差，借由模糊算法所產生的模糊量能夠即保證執行器的穩定運行，同時也不會使機器頻繁運作，造成不必要的危險和浪費。所以這種基于操作人員經驗進行控制的模糊算法的使用效果要遠遠好于按照經典理論的自動控制系統，基于人類經驗的智能控制方式——模糊控制，其優勢為不需要精確的數學模型；非專業性，是一種基于人類經驗的控制策略；具有極好的穩定性和魯棒性；較好的經濟特性；操作簡單便捷；具有自我整定功能；是一種優秀的控制模式。

接下來編寫其控制規則，在傳統PID控制的操作規則氣隙增大，加速運轉和氣隙減小降速運行的基礎上，增加新的模糊規則使操作流程細化，運行過程更為流暢。主要的物理意義為：（1）在機構運行調速的過程中前后兩個時間段誤差的誤差值小且變化率為正時，調整氣隙的變化速度使其趨緩；

（2）前后兩個時間段誤差的誤差值小且變化率為負時，調整氣隙的變化速度加快；

（3）運轉過程中前后兩個時間段誤差大且變化率為正時，表明運轉過程中可能某個環節出現問題，機構整個停止運行；

（4）運轉過程中前后兩個時間段誤差大且變化率為負時，表明運轉機構正在逐步進入正軌，機構保持現有狀態繼續運行。

將其編寫入matlab中具體模糊規則可以得到模糊PID控制的響應曲線如圖2，從曲線中可以看出信號的的輸出平穩上升沒有振蕩，整個系統以一種穩定平滑的狀態啟動和運行，且沒有超劑量輸出，增強了機構感應部件和執行部件的可靠性，有利于機構軟啟動的進行。機構運行平穩，振幅小且有利于延長機構的使用壽命和減小突發事件發生的概率以及造成的影響。

3 結語

時代在不斷發展，對于控制的要求也在不斷提高。面對復雜機構和一些復雜情景需要人為經驗進行判斷的場合，常規PID控制的控制精度和魯棒性降低，機械性的操作流程并不能滿足運行的需要。在這里將模糊算法與PID控制器相結合，生成模糊PID控制器，在人為經驗基礎下編寫的控制規則使整個控制系統更加穩定，輸出平穩，具有自我調節功能。從實驗仿真數據可以看出，對比常規PID控制器，模糊PID控制器擁有更好的穩定性，運行快速，操作簡單。針對不同工作環境操作需求還可以隨時修改增減模糊規則，具有很強的適應性和重復利用率。該控制方法為磁力耦合器調速系統控制提供了參考。

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作者簡介：張星亞（1993），男，安徽蚌埠人，研究生在讀，研究方向：磁力傳動。