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1 前言 步進電機本質上是數字離散電機，直接接受數字量，將電脈沖信號轉變成位移信號，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度。步進電機內部各控制變量高度非線性且相互耦合，而傳統PID控制是以精確數學模型為基礎的，無法有效應對系統的不確定信息，用不變的PID參數不可能達到較好的控制結果。模糊控制不需要對象的精確數學模型，對系統變化不敏感，魯棒性好，抗干擾性強。但是由于它的模糊性，穩態精度不好。對于這種情況，可以把模糊控制和PID控制結合起來。 2 混合式步進電機數學模型 本文采用兩相步進電機，在忽略互感、漏磁、磁滯、渦流、飽和等影響的情況下，我們采用可以對于一相用一等值有效RL電路繞組進行分析。 選用4拍步進方式，設以A相為基準，則B相滯后A相90電角度，則有以下電流方程： 根據力學定律可以寫出電動機的機械運動方程： 其中 電機轉矩， 為負載轉矩， 為轉動慣量， 為粘滯摩擦系數， 為轉子角速度，假設負載轉矩為零，則有以下微分方程： 則式（1 ）、（2）式、（3）、（4）組成了兩相步進電機的數學模型，從中可以看到步進電機是一個高度非線性被控對象，這就要求控制方法非常復雜，而模糊控制正好適用這一特性。 3 步進電機模糊PID設計 在工業控制中，PID控制是應用最廣泛的模擬控制方法，用計算機對其采樣進行離散化，可以實現數字PID公式 本文采用二維模糊控制系統，模糊推理輸入模糊語言變量為偏差E和偏差變化率EC模糊域為[-3 3],輸出為PID的三個變化增量 、 、 ,將輸入模糊語言變量E .EC和輸出模糊語言變量 的語言值選為都選為7個，即{負大（NB），負中(NM)，負小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。 設控量偏差和偏差變化率以及 、 、 的基本論域[-0.5 0.5]則可以確定量化因子和模糊因子 表1 KP模糊規則 表2 KI模糊規則 表3 KD模糊規則 模糊推理和解模糊也很重要，解模糊是根據模糊推理的結果，繪出控制量的過程，常用的方法有最大隸屬度法 中位數法 加權平均法,最大隸屬度具有梯形中斷性不利于系統的穩定,而加權平均法有益于系統穩定,所以本文采用加權推理.. 圖2 步進電機模糊PID控制SIMULINK仿真模型 模糊控制器具有良好的動態特性,但是靜態特性不能獲得滿意,而PID控制具有較高的穩態靜態精度,。把PID控制引入模糊控制器中，大范圍誤差范圍內采用模糊控制，在小范圍誤差換成PID控制，兩者的轉換由預先設置的程序控制根據誤差范圍自動實現。 4 仿真結果分析 在給定位置輸入同樣為10rad的情況下，圖4最終也達到了要求，但是中間出了較大的抖動，而采用了模糊PID控制后，從圖5可以看出系統響應更加迅速，并且超調量很小，過程的穩定性也大大的提高。說明采用模糊PID控制達到了控制系統的基本要求，比起單純的PID控制確實具有優越性。 5 結束語 通過步進電機建模得到，步進電機是復雜的高度非線性系統，而本文的模糊PID控制系統，比普通的PID控制有了很大的提高，但是由于步進電機最大啟動轉速 的存在，造成易于失步和震蕩，為了盡可能保持穩定性和的啟動和停止時間，可以采用模糊自整定技術，通過改變KP的值，可以將步進電機直接啟動速度和停轉速度設置為一個小于 的值，這樣系統的響應速度可以進一步提高。 |
