劉揚(yáng)，洪聯(lián)系

（集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院，福建廈門361021）

基于模糊PID算法的地鐵屏蔽門門機(jī)系統(tǒng)的研究與仿真

劉揚(yáng)，洪聯(lián)系

（集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院，福建廈門361021）

針對(duì)地鐵屏蔽門控制系統(tǒng)高可靠性的要求，將模糊PID算法應(yīng)用于門機(jī)控制系統(tǒng)，使電機(jī)快速平穩(wěn)地跟蹤速度給定值，以形成較為理想的S曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，門機(jī)系統(tǒng)在模糊控制器的調(diào)節(jié)下具有自適應(yīng)性，有很強(qiáng)的抗干擾能力，達(dá)到了較好的控制效果.

地鐵屏蔽門；模糊PID；S曲線；自適應(yīng)控制

地鐵屏蔽門是圍繞地鐵站臺(tái)邊緣設(shè)置的局部開(kāi)關(guān)可控的連續(xù)屏蔽墻，將隧道行車區(qū)間與站臺(tái)分隔開(kāi)，形成一個(gè)舒適、安全的候車環(huán)境.門機(jī)系統(tǒng)是屏蔽門開(kāi)關(guān)的執(zhí)行裝置，本文采用直流無(wú)刷電機(jī)作為門機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它具有體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.但由于直流無(wú)刷電機(jī)時(shí)變性、非線性、強(qiáng)耦合等特性使傳統(tǒng)控制方式難以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.為滿足現(xiàn)代化地鐵運(yùn)營(yíng)安全、可靠、高效、舒適的需求，要求門機(jī)系統(tǒng)在控制屏蔽門開(kāi)/關(guān)動(dòng)作時(shí)快速起、停、加速，減速，且到位準(zhǔn)確，運(yùn)行平穩(wěn).本文將傳統(tǒng)的PID控制與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種直流無(wú)刷電機(jī)模糊PID控制器，它能夠有效地處理控制系統(tǒng)的非線性和不確定性，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整.

1 電機(jī)加減速過(guò)程中的S曲線

電機(jī)加減速過(guò)程中良好的運(yùn)行特性可使屏蔽門運(yùn)行平穩(wěn)、減小電機(jī)所受的負(fù)載沖擊、增加系統(tǒng)的壽命和可靠性.而S曲線是廣泛應(yīng)用的加速曲線，它的速度變化平滑，在接點(diǎn)處的位置、速度和加速度皆具有連續(xù)性.因此，為了獲得平穩(wěn)的加/減速特性，最大限度地減小電機(jī)加/減速時(shí)對(duì)整個(gè)屏蔽門系統(tǒng)的機(jī)械沖擊，需要在電機(jī)加/減速時(shí)采用S曲線.

S曲線把加/減速過(guò)程分為三段，在加速過(guò)程中，第一段是勻加加速（加速度的變化率為一大于零的常數(shù)），第二段是勻加速（加速度為常數(shù)），第三段是勻減加速（加速的變化率為一小于零的常數(shù)）；同理，在減速過(guò)程中，第一段是勻加減速，第二段是勻減速，第三段是勻減減速.加速過(guò)程的S曲線見(jiàn)圖1.

依照?qǐng)D1，現(xiàn)把加速過(guò)程中的連續(xù)時(shí)間分為三段：t0

（1）勻加加速階段（t0

圖1 加速過(guò)程曲線Fig.1The curve of acceleration process

當(dāng)t=t1時(shí)，有

（2）勻加速階段（t1

已知a（t）為常數(shù)，即a（t）=Bt1，則

當(dāng)t=t2時(shí)，有

（3）勻減加速階段（t2

（B為常數(shù)且大于零），則

當(dāng)t=t3時(shí)

將以上得到的各段速度表達(dá)式離散化，即把S曲線平均分成30個(gè)時(shí)間段，勻加加速和勻減加速各占12個(gè)時(shí)間段，勻加速占6個(gè)時(shí)間段，即勻加加速段（0

表1 各離散點(diǎn)速度值Tab.1Velocity value of each discrete point

對(duì)電機(jī)速度的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的.令整個(gè)加/減速所需時(shí)間為t，則：

這里第一加/減速時(shí)間是指門機(jī)正常運(yùn)行的情況.因?yàn)閷平均分成30段，則：

（由定時(shí)器中斷確定這一時(shí)間）（13）

對(duì)于每一步，令

n1-加/減速前電機(jī)轉(zhuǎn)速

n2-加/減速后電機(jī)轉(zhuǎn)速

θ-當(dāng)前轉(zhuǎn)速與初始轉(zhuǎn)速的偏移量

那么通過(guò)查表在得到每一步的2v后，可計(jì)算出當(dāng)前所需轉(zhuǎn)速n，即

再由定時(shí)器控制，輸出寬度按要求變化的PWM波，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到當(dāng)前段要求的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)使電機(jī)平穩(wěn)加/減速的控制目的[1].

2 門機(jī)系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制算法

本門機(jī)系統(tǒng)中，在屏蔽門正常運(yùn)行過(guò)程中的加/減速時(shí)間、各狀態(tài)點(diǎn)的速度值、過(guò)載電流以及過(guò)載時(shí)間等參數(shù)都是固定不變的，只有在電機(jī)加/減速時(shí)的S曲線會(huì)因屏蔽門系統(tǒng)參數(shù)的不同而發(fā)生變化，因此需要用一定的控制規(guī)律來(lái)改善系統(tǒng)性能，這里在屏蔽門正常運(yùn)行情況下，我們將模糊PID控制應(yīng)用在S曲線的產(chǎn)生過(guò)程中，即通過(guò)查表獲得每一步的速度值，使電機(jī)快速平穩(wěn)地跟蹤該速度給定，最終形成較為理想的S曲線.

模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng).模糊控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題就是確定模糊控制器的輸入和輸出變量、設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則、進(jìn)行模糊化和去模糊化以及選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并且確定模糊控制器的參數(shù).如圖2所示為模糊控制器的結(jié)構(gòu)原理[2]：

圖2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)原理Fig.2The structure principle of fuzzy controller

屏蔽門門機(jī)控制系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為門機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，它是由電動(dòng)機(jī)本體、功率管主回路及轉(zhuǎn)子位置傳感器等部分組成的閉環(huán)系統(tǒng).無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換相器替代直流電機(jī)的機(jī)械換向器，實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變，采用位置傳感器控制繞組電流的切換，既具有直流電機(jī)的良好調(diào)速特性，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn).

以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)可用如下?tīng)顟B(tài)方程描述[3]：

其中：UA、UB、UC為三相定子繞組相電壓.IA、IB、IC為三相定子繞組相電流.EA、EB、EC為三相定子繞組反電動(dòng)勢(shì).Un為中性點(diǎn)電壓.Rs為三相定子繞組的電阻.LS為三相定子繞組的自感.M為三相定子繞組之間的互感.

對(duì)于星形的接法，有IA+IB+IC=0，則有MIA+MIB+ MIC=0，所以式（15）可變形為：

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為：

其中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩（單位N.m）；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（單位N.m）；B為阻尼系數(shù)（單位N.m.s/rad）；J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（單位kg.m2）；dω/dt為轉(zhuǎn)子機(jī)械角加速度（單位rad/s2）.

本系統(tǒng)將電機(jī)加/減速過(guò)程中走過(guò)的S曲線平均分成30個(gè)時(shí)間段（即30步），每步的速度值可以通過(guò)查表1得到.將每一步的速度值作為輸入給定，希望應(yīng)用模糊PID控制算法使電機(jī)轉(zhuǎn)速快速穩(wěn)定地跟蹤輸入給定，最終形成較為理想的S曲線.

在模糊控制器的設(shè)計(jì)中，采用二維模糊控制器，以速度誤差和速度誤差的變化量作為控制器的輸入，以電機(jī)的輸入電壓作為控制器的輸出；輸入和輸出變量均服從正態(tài)分布，即

（σ、μ為常數(shù)，且σ>0），其隸屬度函數(shù)見(jiàn)圖3.

現(xiàn)把輸入和輸出都量化到[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4]這樣一個(gè)區(qū)間，對(duì)應(yīng)的模糊子集為NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。琙O（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大），可以根據(jù)隸屬度函數(shù)求得各模糊子集對(duì)應(yīng)的隸屬度.那么模糊規(guī)則可歸納見(jiàn)表2.

圖3 隸屬度函數(shù)曲線Fig.3The curve of membership function

表2 模糊控制規(guī)則Tab.2Fuzzy control rule

那么可以建立如圖4所示的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

（1）外環(huán)為速度環(huán)，用模糊控制器調(diào)節(jié)，它是一個(gè)多輸入單輸出的控制器，輸入為速度誤差e和速度誤差的變化量ec，輸出為UPD，它將傳統(tǒng)的積分控制器并聯(lián)到模糊PD控制器中，構(gòu)成混合結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5.量化因子Ke和Kec及比例因子KU對(duì)模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性均有影響：一般情況下，Ke和Kec越大，系統(tǒng)的控制精度越高，但系統(tǒng)超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間增加，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差；而增大比例因子KU可以提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，減小KU可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.所以在e和ec較大時(shí)，Ke和Kec取較小值，KU取較大值，相反，在e和ec較小時(shí)，Ke和Kec取較大值，KU取較小值，這樣可以減小超調(diào)量，并使系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)精度范圍.

（2）內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器，速度環(huán)的輸出IS是電流參考給定的絕對(duì)值，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，就可以求得該時(shí)刻各相實(shí)際電流參考的給定值IAr、IBr、ICr.

圖4 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4The structure diagram of motor speed control system

圖5 無(wú)刷直流電機(jī)模糊控制器Fig.5Fuzzy controller of brushless DC motor

（3）電壓逆變器根據(jù)電流滯環(huán)控制器輸出的斬波信號(hào)和由轉(zhuǎn)子位置信號(hào)確定的導(dǎo)通信號(hào)來(lái)控制逆變器各功率管按一定順序工作，從而得到可調(diào)的三相電壓輸出來(lái)控制電機(jī)[4-9].

2.2 仿真分析

根據(jù)以上對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制器的分析，得到了模糊控制器輸入、輸出的量化區(qū)間及其隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則等，在Mɑtlɑb下的Simulink中建立該系統(tǒng)的仿真模型.采用經(jīng)典的速度、電流雙閉環(huán)控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，見(jiàn)圖6.

在前面的分析中已經(jīng)知道，為了獲得平穩(wěn)的加/減速特性，最大限度地減小電機(jī)加/減速時(shí)對(duì)整個(gè)屏蔽門系統(tǒng)的機(jī)械沖擊，需要在電機(jī)加/減速時(shí)采用S曲線.于是將S曲線平均分為30個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的速度值算出并以一維數(shù)組的形式存放在存儲(chǔ)區(qū)中，通過(guò)查表獲得調(diào)速系統(tǒng)的輸入速度給定，用模糊控制算法使電機(jī)能夠快速、穩(wěn)定地跟蹤該給定值，最終形成較為理想的S曲線.為了驗(yàn)證這一想法，建立了仿真模型（見(jiàn)圖6），并給出一組速度值，在該模型下仿真出加速S曲線和減速S曲線，見(jiàn)圖7.

圖6 模糊PID控制器框圖Fig.6The block diagram of fuzzy PID controller

圖7S曲線仿真結(jié)果Fig.7The result of simulation curve

3 結(jié)語(yǔ)

本文將模糊PID控制應(yīng)用于地鐵屏蔽門門機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)分析可知，模糊PID控制下的系統(tǒng)響應(yīng)快速、平穩(wěn)，調(diào)節(jié)時(shí)間比普通PID短，且超調(diào)量?。欢译姍C(jī)轉(zhuǎn)速在模糊控制的調(diào)節(jié)下具有自適應(yīng)性，有很強(qiáng)的抗干擾能力，在實(shí)際的過(guò)程控制中有著重要的意義.

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責(zé)任編輯：畢和平

Study and Simulation of Platform Screen Door(PSD)’s Door Control Unit(DCU)Based on Fuzzy PID Algorithms

LIU Yang，HONG Lianxi
（Chengyi College，Jimei University，Xiamen 361021，China）

Aimed ɑt the demɑnd for high reliɑbility in Plɑtform Screen Door（PSD）,the fuzzy PID ɑlgorithm is ɑpplied to the control system of the Door Control Unit（DCU）,which could mɑke the motor trɑck the given speed vɑlue smoothly ɑnd quickly,ɑnd to form S curve perfectly.The results of the test show thɑt the DCU system possesses ɑdɑptɑbility ɑnd strong ɑn?ti-interference ɑbility under the control of fuzzy controller,ɑnd ɑchieves good control effect.

PSD；fuzzy PID；S curve；ɑdɑptive control

TP 273

A

1674-4942（2014）03-0254-05

2014-06-07