基于模糊PID控制的地铁屏蔽门控制系统

2018-05-11刘力郡汪小黎

电子设计工程 2018年7期

刘力郡，汪小黎

（1.西安铁路职业技术学院陕西西安710026；2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054；3.商洛学院数学与计算机应用学院，陕西商洛726000）

地铁屏蔽门系统是一种专门用于地铁站台的防护性系统，作为乘客上下列车的重要通道，在列车未到站前，屏蔽门处于关闭状态，列车到站后，屏蔽门与列车车门同步打开。屏蔽门能在降低能耗、减少营运成本、保证乘客候车安全及提高地铁服务水平和环境质量等方面起到很大的作用，因此，其运行的状态将直接影响着乘客的安全及列车运行质量[1]。

地铁屏蔽门控制系统，是以信号处理器为核心，由其产生电机控制信号，使电机带动门体，完成屏蔽门的开关动作，电机反馈其转子位置、转速、电枢绕组电流等信号至信号处理器，形成闭环控制[2]。

该系统中电机采用永磁无刷直流电机，其结构简单、运行可靠、维护方便、使用寿命长，随着电子技术、自动控制技术及电力电子器件的发展，无刷直流电机也得到了更好的应用。但使用传统PID控制，因直流电机在被控过程中存在时变不确定性和非线性的特点，难以满足高精度、高性能的控制要求。因此，本文采用具有控制灵活、适应性强、控制精度高的模糊PID控制策略，利用Matlab软件进行仿真，使无刷直流电机控制系统达到最佳控制效果。

1 无刷直流电机的数学模型

无刷直流电机数学模型的建立，以两相导通三相六状态为例，假定以下理想状态，以便分析：1）三相绕组完全对称，电枢绕组在定子内表面均匀且连续分布；2）气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布对称；3）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；4）磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗[3]。则有：

根据无刷直流电机的特性，建立其三相电压平衡方程为：

式中：ua、ub、uc为三相定子电压；ia、ib、ic为三相定子电流；ea、eb、ec为三相定子反电动势；R、L、M为三相定子绕组电阻、电感、互感。电磁转矩方程为：

ω为转子的机械角速度（rad/s）。

运动方程为：

式中，TL为负载转矩，J为转动惯量，B为阻尼系数。

2 调速系统模型的建立

地铁屏蔽门开关控制系统中无刷直流电机控制采用以速度环作为外环，电流环作为内环的双闭环串级控制。双闭环控制可实现一定范围的调速和定速控制，受外界干扰时，速度外环可实现电机无静差稳态调整[4]。图1为双闭环控制系统框图。

图1 双闭环控制系统框图

3 模糊PID控制器的设计

3.1 模糊PID控制系统模型

在此双闭环控制系统中，速度环承担了增强系统对因负载变化而产生的扰动的抗干扰能力，可抑制转速波动的功能，为该系统的主要控制环[5]。因而，针对转速反馈采用模糊PID控制，其控制器的结构如图2所示。

图2 模糊PID控制结构

采用模糊控制与传统PID相结合的模糊PID控制方法，为了达到对PID控制器参数能够实现实时控制的目的，把霍尔传感器采样得到的速度反馈值与给定速度值形成的偏差e与偏差的变化率ec作为输入变量，找到PID 3个参数KP、KI、KD与之的模糊关系，将语言控制规则设定为模糊控制规则表的形式，对3个参数进行修正，以满足其要求，进而使模糊PID控制器能够实现最优控制[6]。

3.2 建立隶属度函数

模糊控制器中以转速偏差e和偏差变化率ec作为输入，其模糊子集选用7级划分，为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大，同时将输入与输出均映射至论域为[-3,3][7]。输入隶属函数选用高斯型，输出隶属函数选用三角形[8]，其隶属函数如图3、图4所示。

图3 输入隶属函数

图4 输出隶属函数

3.3 模糊规则表整定原则

依据前人经验总结及PID中KP、KI、KD对系统输出特性的影响，本文的模糊PID参数自整定的基本原则为：

1）当系统偏差E较大时，应取较大的KP，较小的KD，以达到尽快缩小偏差的目的。

2）当系统偏差E适中时，KP、KI、KD均不可太大，KP应取较小，KI去中等值，以防止系统超调量过大。

3）当系统偏差E较小时，适当增大KP和KI，适当选取KD保持中等大小，以避免系统在设定值附近震荡，使系统具有良好的稳定性能[9-10]。

根据以上原则，充分考虑这3个参数的取值，得到输出变量ΔKP，ΔKI，ΔKD整定的控制规则表。

图5 转速模糊PID控制仿真模型

3.4 去模糊化

因为模糊控制器输出的控制量是一个集合，而实际控制中只有一个确定的控制量由控制对象接F受，所以需要进行去模糊化处理[11]。本文采用具有更平滑输出的加权平均法，将控制量在输出模糊集中的隶属度作为权数，以加权平均的方法决定执行量准确值。

应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数带入式（6）计算：

4 系统建模与仿真实验

利用Matlab建立无刷直流电机转速模糊PID控制仿真模型，如图5所示，并进行仿真。选用额定转速为n=1 000 r/min，定子相绕组电阻R=4.89 Ω，定子相绕组电感L=1.3 mH，互感M=-0.1 mH，转动惯量J-1.157×10-5kg·m2，阻尼系数B=0.000 3 Nm·s/rad，极对数P=10，额定48 V直流电源供电的无刷直流电机[15-16]。

图6为传统PID控制电机转速，图7为模糊PID控制电机转速，通过分析这两种控制方法得出来的控制结果，可以看出，模糊PID控制器具有响应速度较快，控制精度较高，稳定性能较好的优点，明显其超调量较小且很少存在振荡，其鲁棒性能较传统PID控制器而言更好。