船用控制手柄PID控制技術(shù)

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 連雪海

寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 馬 勰

浙大寧波理工學(xué)院 胡可威

中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司 徐 峰

浙大寧波理工學(xué)院 宋蘇諭 梁譯文 馬修水

船用控制手柄是一種用于遠(yuǎn)程操縱的控制設(shè)備，是船舶信息化中重要的一環(huán)，廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)、港口機(jī)械、液壓控制等領(lǐng)域。船用控制手柄根據(jù)結(jié)構(gòu)及其功能不同，可分為普通型控制手柄、船用隨動(dòng)型控制手柄（包括駕駛室控制手柄和機(jī)艙接受指示手柄）、船用全回轉(zhuǎn)控制手柄。電機(jī)伺服控制技術(shù)是船用控制手柄的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于空心杯電機(jī)電樞無(wú)鐵心的特殊結(jié)構(gòu)，使其具有節(jié)能及鐵心電機(jī)無(wú)法達(dá)到的控制和拖動(dòng)特性。在船用手柄開(kāi)發(fā)中，主要使用的是空心杯永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)，如何實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)控制最優(yōu)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，且無(wú)靜差，控制優(yōu)化是關(guān)鍵。本文基于PID控制器介紹永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的控制技術(shù)。

1 PID控制器

PID控制器主要由比例（P）、積分（I）和微分（D）模塊組成，通過(guò)調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp，積分時(shí)間Ti，微分時(shí)間Td三個(gè)參數(shù)，充分利用比例、微分、積分控制各自特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性及穩(wěn)定性，滿足高效控制的需要，設(shè)計(jì)高性價(jià)比的控制系統(tǒng)。PID控制器工作原理如圖1所示。

圖1 PID控制器工作原理

PID控制不需要推導(dǎo)和求解電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型即可進(jìn)行有效控制，且魯棒性較好，是目前實(shí)際應(yīng)用中普遍采用的控制方法。

在PID控制系統(tǒng)中，不能單獨(dú)使用微分和積分控制，一般PI、PD模塊組合控制。在工程應(yīng)用中，比例系數(shù)、積分時(shí)間以及微分時(shí)間的合理設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)十分重要。一般通過(guò)階躍輸入、輸關(guān)系確定和調(diào)節(jié)比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù)；通過(guò)在階躍輸入下用示波器觀察比例輸出和積分輸出相等時(shí)確定和調(diào)節(jié)積分環(huán)節(jié)的積分時(shí)間。最后調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)的微分時(shí)間，主要是在等速斜坡輸入下比例輸出和微分輸出相等時(shí)確定和調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)的微分時(shí)間。三個(gè)參數(shù)中比例系數(shù)的改變將影響控制系統(tǒng)的輸出，積分時(shí)間影響控制系統(tǒng)的超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，積分時(shí)間過(guò)小將會(huì)造成系統(tǒng)嚴(yán)重超調(diào)，影響控制精度及過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，過(guò)大控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程緩慢；微分環(huán)節(jié)主要是用來(lái)消除穩(wěn)態(tài)誤差和減少過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。調(diào)試過(guò)程中，需反復(fù)調(diào)節(jié)，只有三個(gè)參數(shù)達(dá)到一定的精度時(shí)，能夠有效地提高控制系統(tǒng)的性能。

永磁同步電機(jī)是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID的控制器不能充分利用電機(jī)的性能，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者用智能控制算法設(shè)計(jì)非線性控制器，使得傳統(tǒng)PID參數(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)變化自整定，具有較強(qiáng)的魯棒性。主流的智能PID算法有專家PID控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制、基于遺傳算法整定的PID控制等。將這些智能控制算法與非線性綜合控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以使控制系統(tǒng)魯棒性更好。

2 模糊PID控制器

模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是在行為方面模仿人的模糊推理和決策的一種智能控制方法。模糊PID控制的特點(diǎn)如下：

（1）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)化了對(duì)被控對(duì)象細(xì)節(jié)的研究，只需要提供設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)，解決了控制對(duì)象復(fù)雜，建模難及模型不準(zhǔn)確等問(wèn)題。

（2）控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適用于處理非線性、時(shí)變及滯后等復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題。

（3）控制推理采用“不精確推理”，模仿人的思維過(guò)程，基于先前的經(jīng)驗(yàn)，借助于機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，因而能夠解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制。

模糊PID控制過(guò)程分為模糊化、模糊邏輯推理和解模糊判斷三個(gè)步驟，在實(shí)施過(guò)程中，分別由模糊PID控制器的模糊器、模糊推理機(jī)和解模糊器完成。模糊系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于模糊控制器的優(yōu)劣，與模糊控制器的結(jié)構(gòu)、模糊規(guī)則、推理算法以及模糊決策方法等因素有關(guān)。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，數(shù)據(jù)庫(kù)與推理庫(kù)構(gòu)成知識(shí)庫(kù)。

3 自適應(yīng)PID控制器

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)PID控制能在對(duì)被控對(duì)象的模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)了解比較少的情況下，即被控對(duì)象動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)未知或者模型參數(shù)隨時(shí)間變化的情況下，能夠根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)測(cè)量值對(duì)控制器的控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)能夠按照期望控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制系統(tǒng)性能。

自適應(yīng)PID控制分為模型參考自適應(yīng)控制和自校正自適應(yīng)控制兩類。模型參考自適應(yīng)控制先人為構(gòu)建理想的控制系統(tǒng)模型作為參考模型，通過(guò)計(jì)算參考模型輸出值，再實(shí)測(cè)實(shí)際被控對(duì)象的輸出，將理論計(jì)算輸出值與實(shí)測(cè)值比較，得到實(shí)際差值，設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變系統(tǒng)中可調(diào)控制器，使差值控制在誤差允許的范圍內(nèi)。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是要選取合適的參考模型，但是，合適的模型選取是非常困難的，且模型很難實(shí)現(xiàn)，因此，模型參考自適應(yīng)控制方法沒(méi)有廣泛應(yīng)用。

在線自校正自適應(yīng)控制是先進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，再調(diào)整自適應(yīng)控制算法的方法。首先通過(guò)在線辨識(shí)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，再根據(jù)控制參數(shù)與控制器結(jié)構(gòu)，在線實(shí)時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)，使被控對(duì)象運(yùn)行在誤差允許的范圍內(nèi)，并具有一定的穩(wěn)定裕度，達(dá)到自適應(yīng)控制目的。

自適應(yīng)PID控制雖然具備傳統(tǒng)PID控制方法不具備的優(yōu)點(diǎn)，但是，目前自適應(yīng)控制存在應(yīng)用不廣、理論研究薄弱、被控對(duì)象適用范圍窄、數(shù)學(xué)計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，制約了自適應(yīng)PID控制的推廣和應(yīng)用，需要進(jìn)一步深化研究。

4 自抗擾控制器

自抗擾控制器基于PID控制器研究思路，韓京清等針對(duì)PID控制固有的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，提出了自抗擾控制技術(shù)，其控制器設(shè)計(jì)不僅不依賴系統(tǒng)的精確模型，而且基于自適應(yīng)控制算法和模型，通過(guò)協(xié)同控制系數(shù)的調(diào)整，在穩(wěn)定性和魯棒性等方面，控制性能均有顯著的提高。

為了提高控制器的性能，自抗擾控制技術(shù)采用兩種措施提高控制器的控制性能。一是通過(guò)跟蹤微分器跟蹤系統(tǒng)的參考輸入，設(shè)計(jì)過(guò)渡過(guò)程參數(shù)，通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)系統(tǒng)的廣義狀態(tài)和廣義輸出，通過(guò)系統(tǒng)的廣義誤差進(jìn)行控制；二是通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)系統(tǒng)擾動(dòng)，通過(guò)對(duì)擾動(dòng)項(xiàng)設(shè)計(jì)前饋控制，減小擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

自抗擾控制器一般由跟蹤微分器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)、非線性狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)控制器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

自抗擾控制通過(guò)實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，設(shè)計(jì)前饋控制器對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，將系統(tǒng)整定為積分串聯(lián)型控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的有效控制。由于控制系統(tǒng)不依賴物理模型的精確性，魯棒性強(qiáng)，在電機(jī)伺服控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時(shí)，大量的研究和實(shí)驗(yàn)證明自抗擾控制對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)具有良好的控制效果。

5 滑模變結(jié)構(gòu)控制器

滑模變結(jié)構(gòu)控制是由前蘇聯(lián)學(xué)者Utkin和Emelyanov提出，是一種控制結(jié)構(gòu)可變的控制方法。該控制方法與其他控制方法不同在于其控制的不連續(xù)性。滑模變結(jié)構(gòu)控制，當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)當(dāng)前被控對(duì)象檢測(cè)的參數(shù)，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)可變的控制器作用于被控對(duì)象，迫使被控對(duì)象的控制狀態(tài)按照期望的控制目標(biāo)控制，達(dá)到預(yù)期的控制性能。

滑模變結(jié)構(gòu)理論形成了一整套綜合系統(tǒng)的獨(dú)立理論，包括滑膜變結(jié)構(gòu)模態(tài)的設(shè)計(jì)方法，控制器各種綜合方法，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定的條件等。滑模變結(jié)構(gòu)控制是解決非線性系統(tǒng)控制很好的方法。

小結(jié)：本文以船用控制手柄用空心杯永磁同步電機(jī)控制為例，分析了PID控制器、模糊PID控制器、自適應(yīng)PID控制器、自抗擾控制器、滑模變結(jié)構(gòu)控制器等特點(diǎn)及應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理地選擇具體的控制方式，提高控制系統(tǒng)的性能。