广西科技大学（筹） 毕业设计（论文）说明书
课题名称： 基于kalman滤波的直流伺服电机
模糊PID位置控制仿真研究
院 别： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 班 级： 081 学 号： 200800301040 姓 名： 林剑强 指导教师： 高远
2012年 5月 28日
摘 要
直流伺服系统的作用是使输出的机械位移可以准确的跟随着输入的位移。目前控制方法有PWM控制、PID控制方法等等。传统PID控制具有稳定性好、结构简单、可靠性高等优点。对于可建立精确数学模型的确定性系统特别适用。但由于它适应性较差，对于非线性和时变系统容易出现整定不良，超调量较大等现象，很难取得理想的控制效果。模糊PID控制器可以根据输入误差e和误差变化率ec对PID控制器参数进行实时自动调整，超调量小，响应速度较快，具有良好的动态和静态特性。但由于控制对象所处环境往往存在大量的干扰和噪声，导致系统误差较大和不稳定。
为了提高伺服系统的控制性能，针对系统中存在的非线性和结构参数变化范围大的特点，提出了一种基于kalman滤波的参数自整定模糊PID控制器。该控制器将传统的PID控制算法和模糊控制算法相结合，通过对位置误差及位置误差变化的模糊运算，实现对PID参数的在线调节，为了减弱测量噪声和过程噪声对控制的影响，研究并采用Kalman滤波对噪声信号进行滤波处理，以提高控制精度。为验证所提控制方法的有效性，研究采用Matlab仿真。仿真结果表明，与无Kalman滤波的控制情况相比，具有滤波功能的模糊PID控制方法具有更好的动态和稳态性能，能较好提高伺服系统的控制效果和抗干扰能力，减小干扰对系统的影响。
关键词：直流伺服系统；Kalman滤波；参数自整定；模糊 PID控制器；仿真
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Abstract
The role of DC servo system is the mechanical displacement of the output displacement can accurately follow the input .The control method of PWM control,PID control method. Traditional PID control with good stability simplestructure,high reliability,Deterministic system can establish a precise mathematical model is particularly applicable.However,because of its adaptability poor,for the nonlinear and time- varying system is prone to setting bad overshoot phenomenon it is difficult to achieve the desired control effect. Fuzzy PID controller PID controller parameters in real time and automatically adjust the input error e and error change rate, small overshoot and fast response good dynamic and static characteristics. But there are a lot of interference and noise control object in which the environment often lead to system errors and instability.
In order to improve the control performance of the servo system,the system nonlinearity and structural parameters change a large range of features,based on kalman filtering parameters self-tuning fuzzy PID controller.The controller will be the combination of the traditional PID control algorithm and fuzzy control algorithm,the fuzzy operation on the change of position error and position error,the online adjustment of the PID parameters,in order to weaken the influence of measurement noise and process noise control and Kalman filtering the noise signal to be filtered to improve control accuracy. In order to verify the validity of the proposed control method, using the Matlab simulation. Simulation results show that compared with control without Kalman filtering, the filtering function of the fuzzy PID control method has better dynamic and steady state performance can better improve the control effect and anti-jamming capability of the servo system to reduce interference on systems.
Keywords: DC servo system; Kalman filtering; Parameter self-tuning; Fuzzy PID controller; Simulation.
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目 录
1 绪 论 .................................................................................................................................... 4
1.1 课题研究的目的与意义 .............................................................................................. 4 1.2 国内外发展现状 .......................................................................................................... 4 2 卡尔曼滤波器的原理与应用 .............................................................................................. 5
2.1 卡尔曼滤波器的基本原理 .......................................................................................... 5 2.2 卡尔曼滤波器的基本算法 .......................................................................................... 5 2.3 卡尔曼滤波器的功能示意图 ...................................................................................... 7 3 直流伺服电机及其控制系统 .............................................................................................. 8
3.1 直流伺服电机介绍 ...................................................................................................... 8 3.2 直流伺服电机工作原理 .............................................................................................. 8 3.3 直流伺服电机的数学模型 .......................................................................................... 8 4 基于卡尔曼滤波的伺服电机模糊PID控制研究 ........................................................... 10
4.1 参数自整定模糊PID控制器的结构设计 ............................................................... 10
4.1.1 模糊语言变量和隶属度函数的确定 .............................................................. 10 4.1.2 模糊规则的确定 ...............................................................................................11 4.1.3 模糊推理、解模糊及算法实现 ...................................................................... 12 4.2 模糊PID控制器的整定方法 ................................................................................... 14 4.3 卡尔曼滤波器设计 .................................................................................................... 17 4.4 基于卡尔曼滤波的伺服电机模糊PID控制仿真 ................................................... 19 结论与展望 .............................................................................................................................. 21 致谢 .......................................................................................................................................... 22 参考文献 .................................................................................................................................. 23 附录 .......................................................................................................................................... 24
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1 绪 论
1.1 课题研究的目的与意义
为了提高伺服系统的控制性能，针对系统中存在的非线性和结构参数变化范围大的
特点，提出了一种基于kalman滤波的参数自整定模糊PID控制器。该控制器将传统的PID控制算法和模糊控制算法相结合，通过对位置误差及位置误差变化的模糊运算，实现对PID参数的在线调节，为了减弱测量噪声和过程噪声对控制的影响，研究并采用Kalman滤波对噪声信号进行滤波处理，以提高控制精度。为验证所提控制方法的有效性，研究采用Matlab仿真。仿真结果表明，与无Kalman滤波的控制情况相比，具有滤波功能的模糊PID控制方法具有更好的动态和稳态性能，能较好提高伺服系统的控制效果和抗干扰能力，减小干扰对系统的影响。
1.2 国内外发展现状
目前,结合卡尔曼滤波发展模糊PID控制技术,实现其在控制领域的突破,已经成为国内外研究人员所关心的课题,推动模糊PID技术在直流伺服电机产业的战略发展,在国际上已经形成了潮流。近年来，PID控制技术，智能PID控制器等已经很多，PID控制产品已在实际工程中得到了广泛的应用，在电机控制应用上更是占到了重要地位。应用卡尔曼滤波结合模糊PID控制技术在直流伺服电机上已经得到了可能，国内外研究人员正大力开发卡尔曼滤波技术，使卡尔曼滤波技术在电机控制领域中能够得到更加广泛的应用。
在国外，卡尔曼滤波技术实现了很多应用价值，1989年，美国Texas公司推出了用17个卡尔曼滤波组成的位置控制系统，著名的美国“阿波罗”飞船登月工程中，成功的解决了飞船在飞行过程中的轨道估计问题，这是卡尔曼滤波器理论在高科技领域取得的一个重大的成功。到今天为止，它已经成为了控制，位置信号处理与通信等控制领域最基本也最重要的计算方法和工具之一，并且已经成功的应用到机电控制，工业控制，数控技术等工业领域中。
在国内，卡尔曼滤波技术在控制工程应用中已经较为成熟，就目前而言，更多的直流伺服电机控制技术应用到了卡尔曼滤波技术，提高了电机的控制性能，随着工业技术的不断发展，电机拖动的发展，卡尔曼滤波技术越来越多的应用到工业控制领域中。
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