音圈电机伺服系统模糊pid控制
刘日龙，殷德奎
（中国科学院上海技术物理研究所，上海200083）
摘要：以音圈电机工作原理分析为基础，给出其动态数学模型。采用模糊推理方法对pid参数进行修正，设计了一种参数自整定模糊pid控制器，并应用于音圈电机驱动摆扫反射镜系统。通过对伺服系统进行仿真分析，验证了所设计的模糊pid控制器是司行的，且显示出其较好的自适应性和鲁棒性。
关键词：模糊pid控制；音圈电机；动态性能；仿真
中图分类号：tm383.4 文献标识码：a 文章编号：1004-7018(2010)07-0063-02
0引 言
摆扫反射镜是新型傅里叶变换光谱仪干涉调制系统的重要组成部分。为了驱动反射镜使其完成摆扫运动，需要合理设计相应的伺服控制系统，控制反射镜在有效行程内作高精度的匀速运动。音圈电机的动子履量轻且机械惯性小，具有良好的动静态性能和控制特性，与闭环控制系统相结合，可实现高精度的速度伺服控制=音圈电机在光学测量系统、空间遥感仪器等方面都有着广泛的应用。然而，由于反射镜负载通过转轴直接和电机动子相连，负载变化、外部扰动等不确定因素将直接影响伺服系统的控制性能，使系统表现出明显的非线性。传统pid控制器作为一种线性控制器，对这种非线性变化引起的速度波动，难以满足系统的匀速性要求； 以模糊逻辑为基础的模糊控制，自适应性强，对非线性等复杂系统具有良好的控制效果。但模糊控制器只能取有限的等级，限制了控制精度的进一步提高。文献[3]提出了用基于增强学习的模糊控制方法对音圈电机进行伺服控制。本文将模糊控制和pid控制结合起来构建参数自整定模糊pid控制器，应用于音圈电机驱动摆扫反射镜系统，取得了较好的控制效果。
1音圈电机动态模型的数学描述
音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电动机，其工作原理与电动式扬声器类似，即通电线圈在磁场内就会产生力，力的大小与作用在线圈中的电流成正比。依据音圈电机的电压平衡方程和力矩平衡方程可得
若忽略动摩擦和阻尼的影响，从上式中消去中间变量i（t），可得到以u（t）为输入量，w（t）为输出量的伺服系统微分方程：
从而有：
经过拉普拉斯变换，可得从音圈电机电压输入到反射镜角速度输出的传递函数：
已知相关参数值k=1.19，te=4 42 ms，tm=0 087 s代人式(5)，计算可得：
音圈电机的动态模型组成框图如图l所示。
2模糊pid控制策略
经典pid控制器是根据给定值和输出值构成的控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合方式构成控制量，对被控对象进行控制。参数自整定模糊pid控制是将模糊控制和pid控制相结合，偏差e和偏差变化率e．作为输入，pid参数的修正量△kp、△ki、△kd，作为输出，找出pid参数与偏差e和偏差变化率ec，之间的模糊关系，利用模糊推理合成设计模糊矩阵表，查询矩阵表对pid参数进行在线整定。图2为模糊pid控制原理图：
音圈电机伺服驱动系统稳态运行时，要求系统具有一定的稳态跟踪精度，产生的稳态速度误差越小越好。综合考虑实时性和参数优化的要隶，保证系统稳态精度和动态跟踪性能，采用参数自整 |
