CN111162698A

CN111162698A - 一种agv用恒压支架pid无刷直流电机模糊控制系统及方法

Info

Publication number: CN111162698A
Application number: CN202010157356.1A
Authority: CN
Inventors: 周军; 谢奥; 高新彪; 皇攀凌; 袁鹏; 赵一凡; 宋凯; 周华章
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明公开了一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统及方法，包括：第一加法器接收设定值与压力反馈电路传来的恒压支架的弹簧长度数据作为外环反馈值并进行计算形成偏差值作为输入量；其中，恒压支架的弹簧长度数据是经弹簧压力数据转换而来；模糊控制器与PID控制器通过串口相连，构成模糊PID控制器，接收输入量并处理后输出；模糊PID控制器和电压反馈电路分别与第二加法器相连，电压反馈电路对逆变器导出的电压测试值作为内环反馈至第二加法器；第二加法器、处理器与脉冲宽度调制器依次通过连接，脉冲宽度调制器将处理后的信号传输给逆变器经过转换再传输给直流电机，对恒压支架的弹簧进行压缩或拉伸。

Description

一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统及方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

永磁无刷直流电机(BLDCM)具有优良的性能，如几何尺寸小、重量轻、结构和控制相对简单、可靠性高等，因而得到了广泛的应用，但由于永磁无刷直流电机在电机转动时会产生转矩脉冲，而其存在会破坏电机控制系统的特性，而恒压支架需要相对稳定且实时的控制，因此需要根据实际情况对PID控制参数进行调整，恒压支架与永磁无刷直流电机结构参见附图1所示。

恒压支架与电机的结构关系及控制关系是：

1机械结构关系：控制电机输出轴通过键与圆盘连接，棘爪通过销连接在圆盘上，棘爪与棘轮啮合，棘轮由销与连杆相连，连杆末端挡板压置在调节弹簧上，弹簧的另一端压置在支架平面上。

2控制关系：由支架及传动装置的机械结构可知，控制电机的旋转运动最终转化成弹簧长度伸缩运动，而弹簧的压力与弹簧长度的伸缩量之间有线性关系，因而，控制电机旋转角度-弹簧长度伸缩量-弹簧压力之间存在量的转化关系，故通过预先安装在支架上的压力传感器感应支架的压力变化，并将压力换算成控制电机的旋转角度，通过MCU发指令控制电机旋转。每次将压力传感器采集的值与控制电机旋转角度值对比，校正指令误差，进而实现实时闭环控制。

发明人在研究中发现，一般进行的控制方法有BP神经网络控制、模糊控制和常规PID控制。

BP神经网络控制虽然具有一定的学习能力，有较强的概括推导能力，但现阶段学习速度还不快，无法达到实时性的需求。

而常规PID需要根据经验与实验对参数进行调整优化，不能做到在线调参，小车不平衡轻则对AGV后续的行驶造成累计偏差，重则可能会出现行驶事故，导致AGV被迫停车，因此系统的动态性能要求较高，如突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足需求。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统，利用模糊控制具有的较强的容错能力，采用双闭环构成永磁无刷电机控制系统，可以实时在线的对参数进行调整，需要实时的调节AGV的平衡，AGV的含义是自动导航小车。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统，包括：

第一加法器、模糊控制器、PID控制器、第二加法器、处理器、脉冲宽度调制器、逆变器、电压反馈电路、压力反馈电路；

所述第一加法器接收设定值与压力反馈电路传来的恒压支架的弹簧长度数据作为外环反馈值并进行计算形成偏差值作为输入量；

其中，恒压支架的弹簧长度数据是经弹簧压力数据转换而来；

所述模糊控制器与PID控制器通过串口相连，构成模糊PID控制器，接收输入量并处理后输出；

所述模糊PID控制器和电压反馈电路分别与第二加法器相连，电压反馈电路对逆变器导出的电压测试值作为内环反馈至第二加法器；

所述第二加法器、处理器与脉冲宽度调制器依次通过连接，脉冲宽度调制器将处理后的信号传输给逆变器经过转换再传输给直流电机，对恒压支架的弹簧进行压缩或拉伸。

本发明的一个或多个实施例还提供了如下技术方案：

一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，包括：

将外环反馈的恒压支架的弹簧压力数据转化为长度数据并作为外环反馈值与设定值之间求和形成偏差值；

利用模糊PID控制对偏差值按照模糊规则表进行模糊推理，再用解模糊算法对已经算出的模糊控制参数进行清晰化处理，然后将清晰的PID控制参数进行PID控制；

将经过模糊PID控制后的输出量与内环反馈的对逆变器导出的电压测试值进行求和后处理并传输给逆变器经过转换再传输给直流电机，对恒压支架的弹簧进行压缩或拉伸。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明的模糊PID无刷直流电机控制系统采用的是双闭环控制，具有较好动态响应特性，系统超调量小，达到稳定的时间小，无稳态误差。

模糊PID控制器可以在系统工作时，对参数进行实时的控制，从而达到智能控制的目标，实用、高效的无刷直流电机控制策略更好的实现了自学习功能，提高系统的稳定性和鲁棒性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例子的应用恒压支架结构示意图；

图2为本发明实施例子提供的永磁无刷直流电机控制系统结构原理图；

图3为本发明实施例子提供的实验验证原理示意图；

图4为本发明实施例子提供的隶属函数示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参见附图2、3所示，本实施例公开了一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统，包括：第一加法器、模糊控制器、PID控制器、第二加法器、MCU、PWM、逆变器、电压反馈电路、压力反馈电路、无刷直流电机系统。

具体的，第一加法器接收MCU中用户的设定值与压力传感器传来的数据并进行计算形成偏差值作为输入量；

模糊控制器与PID控制器通过串口相连，构成模糊PID控制器，接收输入量再输出U；

模糊PID控制器和电压传感器与第二加法器相连，电压传感器形成一个电压反馈；

第二加法器、MCU与PWM依次通过串口连接，PWM将信号传输给逆变器经过转换再传输给直流电机；

压力传感器测得直流电机数据进行数据计算后发送给第一加法器，压力传感器形成一个压力反馈。

电压反馈电路和压力反馈电路构成双闭环控制。其中电压反馈电路的反馈连接端接入第二加法器中，为内环控制；压力反馈电路的反馈连接端接入第一加法器，为外环控制。

在该实施例中，上述PID控制器得出的偏差传输给第二加法器，经过MCU与PWM将输出传递给逆变器后将控制量传递到直流电机对恒压支架的弹簧进行压缩或拉伸，压力传感器感应压力增大时，弹簧压缩；反之拉伸。

由压力传感器构成的外环控制通过对弹簧压力的测量，进行长度计算后导入第一加法器，从而得到偏差。计算长度时根据胡克定律△F＝-k·Δx来进行计算。

由电压传感器构成的内环控制通过对逆变器导出的电压测试(对电机的控制电压)，得到的控制电压传回第二加法器，从而对电压进行进一步控制。

在该实施例子中，控制系统由压力外环和电压内环组成，电压环设计为一个传统的PID调节器，压力环设计为模糊PID压力控制器，通过模糊控制器为PID控制实时调整K_p，K_i，K_d三个参数，实现永磁无刷直流电机旋转动力的自适应；通过控制电机的旋转动力来调整弹簧的伸缩量，从而解决AGV的平衡问题，弹簧伸缩量可以调整支架的压力，两端轮子的即可达到同一水平，agv可保持平衡，通过使用双闭环控制来实现调整平衡的稳定性与实时性。

在该实施例中，模糊PID就是根据模糊表对输出量进行不断调节的，而且还有两个闭环系统作为反馈，也会对三个参数不断地进行调节。

实施例子二

本公开的该实施例子提出了一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，旨在解决支架平衡性所需求的控制实时性、稳定性及较高的精度。基于模糊PID控制器的永磁无刷直流电机控制系统，具体包括：

步骤一，根据恒压支架的平衡特性和控制要求，给定一个PID控制器的Kp、Ki、Kd；

步骤二，把初始控制参数与位置传感器数据传入加法器，使两输入信号实现运算得到位置偏差，再将偏差导入模糊控制器中进行处理；

步骤三，根据隶属函数库，对输入进的位置偏差按照模糊规则表进行模糊推理，再用解模糊算法对已经算出的模糊控制参数进行清晰化处理，然后将清晰的PID控制参数传递给PID控制器；

步骤四，传输到电机前获取电压为逆变器电压，导入加法器进行反馈，与PID输出运算后传入MCU处理(此处的处理为负反馈调节，根据目标电压与实际电压差来对调节电压进行处理)，再等待交流电机系统输出结果，经过压力反馈，最终反馈回加法器；

步骤五，根据反馈的结果，经过压力反馈与电压反馈，计算控制偏差，再对电机进行调整控制。

模糊控制器首先根据隶属函数库，对输入的清晰量按照模糊规则库进行模糊推理，再采用解模糊算法针对推理出的模糊控制量实现清晰化处理，最后输出清晰量即PID的三个参数值进行控制，具体过程如下：

步骤一中，对输入量进行模糊化处理，电机的位置插值e及位置偏差变化率ec为实际输入控制系统的清晰变量，经量化因子模块进行缩放后输入模糊控制器。利用隶属函数库中存放的隶属函数将输入的清晰变量映射为对应论域上的模糊集合从而转为模糊量E、EC；

步骤二中，决策逻辑，利用控制规则库中存放的条件语句及近似推理算法对输入模糊量E₁、E₂(E₁对应e，E₂对应ec)完成近似推理运算，得到模糊量U作为结果输出；

步骤三中，对输出量进行清晰化处理，经过模糊推理得到的输出量U是一个模糊量，但不能直接作用到被控对象，因而要利用清晰化算法库中存放的清晰化算法对模糊量U进行清晰化处理，将其转变为清晰值。再用这个清晰值经过比例因子模块进行缩放成为最终系统的输出清晰值u，来对被控对象进行控制。

在该实施例中，将电机的位置插值e及位置偏差变化率ec＝de/dt作为模糊控制器的输入量；

系统运行过程中，位置偏差e的取值范围决定了输入量的物理论域[-χ，χ]，对应的模糊论域[-n，n]，则可以确定输入量e的量化因子k_e为

确定位置偏差e，位置偏差变化率ec以及控制器输出量u的模糊子集数均为7，模糊集分别定义为：

e＝{过度延长，中度延长，轻微延长，无偏差，轻微缩短，中度缩短，严重缩短}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

ec＝{快速边长，中速边长，慢速边长，偏差不变，慢速变短，中速变短，快速变短}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

u＝{弹簧重度压缩，弹簧中度压缩，弹簧轻度压缩，弹簧不压缩，弹簧轻度拉伸，弹簧中度拉伸，弹簧重度拉伸}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

为提高控制器的灵敏度、稳定性及响应速度，本发明的输入输出变量模糊论域的隶属函数均取三角形，如图4所示。

根据控制经验，由系统的误差与误差变化率及输出量，确定模糊控制表，如表1所示。

表1

进行模糊推理：

(1)If(E is NB)and(EC is NB)，then K_p、K_i、K_d is PB、ZO、PS；

(2)If(E is NB)and(EC is NM)，then K_p、K_i、K_d is PB、PS、PS；

……

经过模糊推理得到的U(t)为模糊集合，使用加权平均法进行清晰化处理，即将输出量中各元素及相应的隶属度进行运算后求平均，取整即得到精确的输出。对于离散论域，重心法表示为：

式中，z_i为论域值所对应的精确控制量；

μ_i为论域值对应的隶属度。

模糊控制器的输出值要经过比例转换才能作为最终输出结果，其物理论域为[-l，l]，对应的模糊论域[-y_u，y_u]，则比例因子k_u为

最终得到PID的三个参数K_p，K_i，K_d传递给PID控制器。

上述PID控制器得出的偏差传输给第二加法器，经过MCU与PWM将输出传递给逆变器后将控制量传递到直流电机对恒压支架的弹簧进行控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统，其特征是，所述模糊控制器为PID控制器提供实时调整K_p，K_i，K_d三个参数，实现永磁无刷直流电机旋转动力的自适应。

3.如权利要求2所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制系统，其特征是，通过控制永磁无刷直流电机的旋转动力来调整弹簧的伸缩量，解决AGV的平衡问题。

4.一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，其特征是，包括：

5.如权利要求4所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，其特征是，模糊PID控制方法中，根据隶属函数库，对输入进的位置偏差按照模糊规则表进行模糊推理。

6.如权利要求4所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，其特征是，对输入量进行模糊化处理，利用隶属函数库中存放的隶属函数将输入的清晰变量映射为对应论域上的模糊集合从而转为模糊量。

7.如权利要求6所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，其特征是，模糊控制器的输入量包括电机的位置插值及位置偏差变化率。

8.如权利要求7所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，其特征是，根据确定位置偏差，位置偏差变化率以及控制器输出量的模糊子集数，定义模糊集。

9.如权利要求7所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，其特征是，输入输出变量模糊论域的隶属函数均取三角形，由系统的误差与误差变化率及输出量，确定模糊控制表。

10.如权利要求7所述的一种AGV用恒压支架PID无刷直流电机模糊控制方法，其特征是，模糊控制器的输出值要经过比例转换后得到PID的三个参数K_p，K_i，K_d并传递给PID控制器。