李叶松  程善美  邓忠华  秦忆(华中理工大学武汉430074)

  【摘  要】伺服系统模糊自调整控制器将模式分类、模糊推理、特征量辨识等技术结合起来，对于负载转动惯量的变化以及机械振动等，经过10余次的调整，可以将伺服系统速度控制器的增益自动调节到比较满意。实验证明，该技术方案是有效的。

1引  言

    功率电子技术和微电子技术的发展，促进了伺服系统在工业中的应用。然而在实际应用过程中，存在着机械工况发生变化时要相应调整控制器参数这一问题。为了使系统能够和机械负载比较好地配合，就需要人为地进行调整，这要求具有专门的知识。因此，从应用的角度出发，实现伺服系统的参数自动调整功能是实际应用的迫切需要，也是伺服系统向智能化发展的趋势。

    目前自动调整技术主要分为两类，一是基于模型的调整技术，二是基于知识的调整技术。基于模型的自调整技术需要外加特殊的测试信号，然后根据系统的模型结构辨识发生变化的参数。这种方法对信号的精度有一定的要求，而且相应的计算量也较大，一般要求有运算速度较快的微处理器。基于知识的自调整技术，是根据预先确定好的实际经验规则和实时抽取的系统特征量确定控制器的参数，这种方法不需要外加特殊的测试信号，而只需系统输入输出信号，因此对信号的要求不高，但对规则知识要求比较高，通常需要大量的精确的实际调整规则知识，因此对调整后参数的可信度需要反复验证。

    本文从实际应用的角度出发，提出了一种简单可行的参数模糊自调整方案，该技术具有计算量小、容易实现的特点，对于变化的负载，经过10余次调整后，可以将控制器的增益调整到比较满意，较好地配合了变化情况，采用一般的微处理器即可实现这一控制方案，实验结果证实该方案是可行的。

2系统结构及自动调整原理

    图1示出了模糊自调整控制器的结构框图，其中控制器由两部分组成，控制器和自调整机构。控制器部分为速度调节器，采用PI方式。后者是模糊自调整控制器，它包括速度指令发生器、观测器和模糊推理器，速度指令发生器是为了防止速度响应产生过大的冲击而设置的指令缓冲机构，观测器通过采样实时的响应波形，从中抽取特征值如超调量、阻尼因子等，并对这些变量进行规格化处理。模糊化处理将输入到模糊推理器的特征变量转换成用语言符号表示的合适的语言值，根据模糊化后的特征量确定响应特性的模式，再利用事先预置的模糊规则，确定伺服系统中速度控制器增益的调整信息。模糊推理器的输出结果为PI参数的调整因子，如果调整因子的值大于1，新的控制器参数将要增加，如果小于1，则新的控制器参数将要减小。

    模糊调整控制的时续如图2所示，它分为两个阶段，实时观测阶段和推理计算阶段。

    图3示出了实时观测阶段所采样的响应波形，E是给定指令ωr和反馈ωf之间的偏差，在模糊自调整中所利用的特征量定义如下：

Tr为速度指令升降速时间，△ωmax为速度稳定运行时的****波动值。

    上式中，δ是超调量；D是阻尼因子，T是规格化的振荡周期，它代表了响应的快慢，σ是速度波动率，它反映了系统响应的稳态特性。为了准确地观测到上述的特征量，需要使观测周期比实际的伺服控制响应周期要长。

    在推理计算阶段，当从采样观测的数据中抽取的特征值输入到模糊推理器后，需要对这些变量进行模糊量化，用于表示上述模糊变量隶属度函数的模糊集合包括S、M、B，对于这四个特征变量其隶属度函数都是一致的。模糊推理器的输出结果是速度PI调节器比例增益和积分增益的增量值△Cp和△ci，这两个变量具有相同的隶属度函数和同样的语言符号NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。根据模糊规则确定两个增量是一个模糊决策问题。决策方法主要有三种：

    1．高度法。2．中位值判决。3．加权平均判决。

为了减少计算量，采用高度法确定控制器参数的增量值，则调整后的速度控制器参数可表达如下：

3模糊推理及调整规则

    为了得到准确而真实地反映控制系统的特性的实时观测波形，应尽量保证使伺服驱动控制系统无负载转矩输入，并且电动机和负载惯量为刚性连接。

    在上述条件下，根据实际观测的响应波形，可以将响应简单地定义为四类模式，即欠****；****；过****；振荡。用语言变量描述这四类模式为：

    1．欠****模式：速度波动率较大，系统响应稳定。该模式下，控制环增益较小，系统响应频率较低。

    2．****模式：速度波动率较小，超调量和阻尼因子都比较小．系统响应稳定。该模式下的控制器参数为比较满意的结果。

    3．过****模式：速度波动率较小，超调量较大，阻尼因子较大，系统响应稳定。该模式下，控制环增益较大，系统响应频率较高。

    4．振荡模式：系统响应不稳定，超调量大，振荡周期小。该模式下，控制环增益过大，系统响应频率很高。

    基于上述模式的分析，可得出以下的模糊调整规则：

    1．如果伺服驱动系统发生机械振荡，即处于振荡模式时，则同时降低比例增益和积分增益，积分增益的下降速率快于比例增益的下降速率。

    2．如果伺服驱动系统运行稳定，阻尼因子D和振荡周期T都不大，速度波动率为中或大，即处于****模式下，则同时增大比例增益和积分增益。

    3．如果伺服驱动系统运行稳定，阻尼因子较大，而速度波动率为小时，则处于过****模式．此时同时减小比例增益和积分增益，两者下降的速率一致。

    根据上述的调整规则，何时能够将控制响应调整到满意，从大量的实验结果可以分析出，在伺服系统控制响应由欠****模式过渡到过****模式或由过****模式过渡到欠****模式时，比例增益可以认为已经调整到比较满意了，而进一步需要调整的是积分增益，此时，精调积分增益的模糊规则为：

    如果D为大T为小，则减小积分增益，否则增加积分增益，直至接近伺服系统所要求的性能指标。

    表1、表2为基于上述规则的模糊推理表。

    当D=B时，采用如表1所示的模糊关系表；当=M或S时，采用如表2所示的模糊关系表。

4实验结果

    图4表示交流永磁同步电机伺服系统的硬件结构，系统中模糊自调整的计算和速度控制计算由80C196KCl6位单片机完成，系统电流控制采用三角载波比较方式，该部分由模拟器件实现，三角载波频率为8kHz，逆变器采用IGBT器件构成；伺服系统软件部分中速度环采样频率为1ms，自调整控制的流程图如图5所示，实验用的电机为兰州电机厂生产的永磁同步伺服电机，其额定转速为2 000r／min，额定转矩为3Nm，转子转动惯量为0．000 51kg·m²，光电编码器的分辨率为2 500脉冲／r。

图6给出了电机运行初始条件为无负载高增益情况时，自调整前后的实验观测滤形，图6a表示调整之前的速度响应波形，从中可以看出由于控制器增益较高，伺服驱动系统处于不稳定状态，图6b表示模糊自动调整完成之后的速度响应波形(8次调整)，从中可以看出伺服驱动系统的响应是比较满意的。图7给出了电机带一负载惯量运行初始条件为低增益情况时，自调整前后的实验观测波形，图7a表示调整之前的述度响应波形，从中可以看出由于控制器增益较低，伺服驱动系统响应过程较慢，速度波动较大，响应特性不理想；图7b表示经过12次调整之后的速度响应波形，它表明经过调整，可以得到比较满意的控制响应。

5语语

本文应用模糊推理原理，设计了交流永磁同步电机伺服系统自调整控制器，该控制器作为伺服系统的一个辅助功能，能够自动调整速度环PI控制器的两个参数，初步实验结果表明，在伺服系统对象发生变化的情况下，经过10余次调整后，可以将控制器增益调整到系统响应比较满意。

从实验中，已经发现采用模糊推理的自调整方法对模型不具有依赖性，但对伺服电机与负载机械的连接特性以及伺服系统自身的静摩擦力矩非常敏感，因为这些因素对系统的特征量影响非常大，从而对自调整控制的结果产生强烈的影响。

    参  考  文  献

1  陈燕庆．工程智能控制．西北工业大学出版社，1992．

2李士勇．模糊控制和智能控制理论与应用．哈尔滨工业大学出版社，1991．