CN111181467A - 一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法及系统 - Google Patents

一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法及系统，属于伺服电机转速调节技术领域，解决了在外部负载条件发生变化或者收到传动机构传动间隙影响时，伺服电机的转速波动较大的问题。一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法，包括以下步骤：采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节。减小了伺服电机的转速波动。

Description

一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法及系统
技术领域
本发明涉及伺服电机转速调节技术领域，尤其是涉及一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法及系统。
背景技术
高速精冲机是进行零部件加工制造与精密成形的高效设备，主要应用于航空航天、汽车、发电设备、信息、家电等高科技领域，其高效高精度的加工具有独特的优势。当前广泛应用的低频次液压式精冲机局限性日益显露，高速精冲机的生产研发需求日益高涨，机械伺服驱动的高速精冲机伺服驱动控制技术是伺服式高速精冲机的核心技术之一，其中，伺服电机的控制一直是精冲机技术发展过程中的重点和难点，而伺服电机本身是一种强耦合、多变量、非线性的复合控制系统，采用传统PID控制时，在外部负载条件发生变化或者收到传动机构传动间隙影响时，伺服电机的转速波动较大、转速超调量较大，控制效果有待提升。
发明内容
本发明的目的在于至少克服上述一种技术不足，提出一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法及系统。
一方面，本发明提供了一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法，包括以下步骤：
采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节。
进一步地，将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度，具体包括，
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度以论域区间为(-6，6)、数量为7、函数类型为三角形的隶属度函数进行模糊化，获得糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度。
进一步地，根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，具体包括：
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为正中或正大，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负小、零或正小，并且转速偏差变化加速度为正时，则增大PID控制单元的比例环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为负小、零或正小，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为零时，则增大PID控制单元微分环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量及模糊化后的转速偏差变化率的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为负时，则同时增大PID控制单元比例环节增益及微分环节增益。
另一方面，本发明提供了一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统，包括PID控制单元、数据采集单元、三维模糊控制器、参数调节模块及伺服驱动器；
所述PID控制单元，用于控制伺服驱动器，使伺服驱动器驱动伺服电机转速；
所述数据采集单元，用于采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
所述三维模糊控制器，用于将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
所述参数调节模块，用于根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节。
进一步地，所述三维模糊控制器，将三维模糊控制器将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度，具体包括，
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度以论域区间为(-6，6)、数量为7、函数类型为三角形的隶属度函数进行模糊化，获得糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度。
进一步地，所述参数调节模块，根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，具体包括，
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为正中或正大，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负小、零或正小，并且转速偏差变化加速度为正时，则增大PID控制单元的比例环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为负小、零或正小，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为零时，则增大PID控制单元微分环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量及模糊化后的转速偏差变化率的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为负时，则同时增大PID控制单元比例环节增益及微分环节增益。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节；减小了在外部负载条件发生变化或者收到传动机构传动间隙影响时，伺服电机的转速波动。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1所述的E、EC和输出控制量U的对应关系示意图；
图3是本发明实施例2所述的基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统的仿真连接示意图；
图4是本发明实施例2所述的三维模糊控制器输入输出参数图；
图5是本发明实施例2所述的基于三维模糊控制器的伺服电机转速调节系统在simulink环境下仿真结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供了一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法，包括以下步骤：
采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节。
优选的，将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度，具体包括，
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度以论域区间为(-6，6)、数量为7、函数类型为三角形的隶属度函数进行模糊化，获得糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度。
具体实施时，模糊规则推理表，如表1-3所示，其中，表1为转速偏差变化加速度ECC＝0时的模糊规则推理表，表2为转速偏差变化加速度ECC>0时的模糊规则推理表，表3为转速偏差变化加速度ECC<0时的模糊规则推理表，
表1
Figure BDA0002367913560000041
表2
Figure BDA0002367913560000051
表3
Figure BDA0002367913560000052
表1-3中，所述E表示转速偏差，所述EC表示转速偏差变化率，所述ECC表示转速偏差变化加速度；NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；如图2为E、EC和输出控制量U的对应关系示意图；
优选的，根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，具体包括：
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为正中或正大，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负小、零或正小，并且转速偏差变化加速度为正时，则增大PID控制单元的比例环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为负小、零或正小，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为零时，则增大PID控制单元微分环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量及模糊化后的转速偏差变化率的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为负时，则同时增大PID控制单元比例环节增益及微分环节增益。
实施例2
本发明实施例提供了一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统，包括PID控制单元、数据采集单元、三维模糊控制器、参数调节模块及伺服驱动器；
所述PID控制单元，用于控制伺服驱动器，使伺服驱动器驱动伺服电机转速；
所述数据采集单元，用于采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
所述三维模糊控制器，用于将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
所述参数调节模块，用于根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节。
一个具体实施例中，所述基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统还包括上位机和伺服驱动器，所述上位机与PID控制单元(PID控制器)连接，上位机产生的电机控制信号传至PID控制元件，使其进行调节伺服电机转速；伺服驱动器与PID控制单元连接；
所述伺服驱动器与伺服电机相连，伺服电机接收伺服驱动器信号并按照指令转动，同时对外输出扭矩，带动负载运动，同时伺服电机内部编码器实时将伺服电机转速及转角信号反馈给PID控制器，形成闭环回路，进行转速与转角调节。
优选的，所述三维模糊控制器，将三维模糊控制器将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度，具体包括，
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度以论域区间为(-6，6)、数量为7、函数类型为三角形的隶属度函数进行模糊化，获得糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度。
优选的，所述参数调节模块，根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，具体包括，
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为正中或正大，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负小、零或正小，并且转速偏差变化加速度为正时，则增大PID控制单元的比例环节增益；
此时对应电机转速偏差较大，而转速偏差变化率不大且转速偏差加速度为正；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为负小、零或正小，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为零时，则增大PID控制单元微分环节增益；
此时对应当电机转速偏差不大，而转速偏差变化率较大且转速偏差变化加速度为0；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量及模糊化后的转速偏差变化率的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为负时，则同时增大PID控制单元比例环节增益及微分环节增益；
此时对应电机转速误差及转速误差变化率都较大且偏差变化加速度为负。
具体实施时，以3个参数作为输入，一个参数作为输出，其中，输入为电机转速偏差e、转速偏差变化率ec及偏差变化加速度ecc，输出为控制量U；
一个具体实施例中，所述基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统的仿真连接示意图，如图3所示；所述三维模糊控制器中隶属度函数数量为7，函数类型为三角形，论域区间为(-6,6)，三维模糊控制器输入输出参数图，如图4所示；
三维模糊控制器利用需求转速与实际转速构成的转速偏差e、转速偏差变化率ec和转速偏差变化加速度ecc作为输入，通过隶属度函数将输入模糊化为转速偏差变量E、偏差变化率EC及偏差变化加速度ECC，然后利用模糊规则进行模糊化推理，得出控制量U后利用重心法解模糊后输出，用于调节电机转速，防止超调产生，提升电机转动之鲁棒性。
一个具体实施例中，所述基于三维模糊控制器的伺服电机转速调节系统在simulink环境下仿真结果示意图，如图5所示，其中，曲线1表示在传统PID控制作用下，伺服电机在阶跃输入下的转速调节情况，曲线2表示在三维模糊控制器和PID控制元件共同作用下伺服电机在阶跃输入下的转速调节情况，曲线3表示阶跃输入信号。
需要说明的是，实施例1和实施例2未重复描述之处可互相借鉴。
本发明公开了一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法及系统，通过采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节；减小了在外部负载条件发生变化或者收到传动机构传动间隙影响时，伺服电机的转速波动以及伺服电机的转速超调量；
本发明技术方案使得伺服电机在调速过程中受到负载或者传动机构传动间隙影响时，能够在三维模糊控制器和PID控制单元作用下消除影响，减小转速波动效应，因为在进行模糊控制时，有三个输入变量即转速偏差e、转速偏差变化率ec和转速偏差变化加速度ecc，使得模糊推理规则和模糊控制更细腻，从而增强伺服电机运转的鲁棒性，降低控制控制电机的成本成本，提升伺服电机的加工精度。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节。
2.根据权利要求1所述的基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法，其特征在于，将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度，具体包括，
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度以论域区间为(-6，6)、数量为7、函数类型为三角形的隶属度函数进行模糊化，获得糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度。
3.根据权利要求1所述的基于三维模糊控制的伺服电机转速调节方法，其特征在于，根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，具体包括：
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为正中或正大，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负小、零或正小，并且转速偏差变化加速度为正时，则增大PID控制单元的比例环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为负小、零或正小，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为零时，则增大PID控制单元微分环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量及模糊化后的转速偏差变化率的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为负时，则同时增大PID控制单元比例环节增益及微分环节增益。
4.一种基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统，其特征在于，包括PID控制单元、数据采集单元、三维模糊控制器、参数调节模块及伺服驱动器；
所述PID控制单元，用于控制伺服驱动器，使伺服驱动器驱动伺服电机转速；
所述数据采集单元，用于采集伺服电机的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
所述三维模糊控制器，用于将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度；
所述参数调节模块，用于根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，以实现伺服电机转速的调节。
5.根据权利要求4所述的基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统，其特征在于，所述三维模糊控制器，将三维模糊控制器将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度进行模糊化，得到模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度，具体包括，
将所述转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度以论域区间为(-6，6)、数量为7、函数类型为三角形的隶属度函数进行模糊化，获得糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度。
6.根据权利要求4所述的基于三维模糊控制的伺服电机转速调节系统，其特征在于，所述参数调节模块，根据所述模糊化后的转速偏差、转速偏差变化率及转速偏差变化加速度调节PID控制单元的对应参数，具体包括，
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为正中或正大，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负小、零或正小，并且转速偏差变化加速度为正时，则增大PID控制单元的比例环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量为负小、零或正小，模糊化后的转速偏差变化率对应的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为零时，则增大PID控制单元微分环节增益；
当模糊化后的转速偏差对应的语言值变量及模糊化后的转速偏差变化率的语言值变量为负大、负中、正中或正大，并且转速偏差变化加速度为负时，则同时增大PID控制单元比例环节增益及微分环节增益。
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CN111800059A (zh) * 2020-08-17 2020-10-20 珠海格力电器股份有限公司 电机控制方法和装置

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