中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司 连雪海

宁波财经学院 马 勰

浙大宁波理工学院 胡可威

中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司 徐 峰

浙大宁波理工学院 宋苏谕 梁译文 马修水

船用控制手柄是一种用于远程操纵的控制设备，是船舶信息化中重要的一环，广泛应用于船舶推进系统、港口机械、液压控制等领域。船用控制手柄根据结构及其功能不同，可分为普通型控制手柄、船用随动型控制手柄（包括驾驶室控制手柄和机舱接受指示手柄）、船用全回转控制手柄。电机伺服控制技术是船用控制手柄的关键技术之一。由于空心杯电机电枢无铁心的特殊结构，使其具有节能及铁心电机无法达到的控制和拖动特性。在船用手柄开发中，主要使用的是空心杯永磁同步电机，永磁同步电机，如何实现永磁同步电机控制最优，过渡过程时间短，且无静差，控制优化是关键。本文基于PID控制器介绍永磁同步电机伺服控制系统的控制技术。

1 PID控制器

PID控制器主要由比例（P）、积分（I）和微分（D）模块组成，通过调节比例系数Kp，积分时间Ti，微分时间Td三个参数，充分利用比例、微分、积分控制各自特点和优势，实现控制系统具有良好的动、静态特性及稳定性，满足高效控制的需要，设计高性价比的控制系统。PID控制器工作原理如图1所示。

图1 PID控制器工作原理

PID控制不需要推导和求解电机及传动系统精确的数学模型即可进行有效控制，且鲁棒性较好，是目前实际应用中普遍采用的控制方法。

在PID控制系统中，不能单独使用微分和积分控制，一般PI、PD模块组合控制。在工程应用中，比例系数、积分时间以及微分时间的合理设计和调节十分重要。一般通过阶跃输入、输关系确定和调节比例环节的比例系数；通过在阶跃输入下用示波器观察比例输出和积分输出相等时确定和调节积分环节的积分时间。最后调节微分环节的微分时间，主要是在等速斜坡输入下比例输出和微分输出相等时确定和调节微分环节的微分时间。三个参数中比例系数的改变将影响控制系统的输出，积分时间影响控制系统的超调量和过渡过程时间，积分时间过小将会造成系统严重超调，影响控制精度及过渡过程时间，过大控制系统过渡过程缓慢；微分环节主要是用来消除稳态误差和减少过渡过程时间。调试过程中，需反复调节，只有三个参数达到一定的精度时，能够有效地提高控制系统的性能。

永磁同步电机是一个非线性时变系统，传统PID的控制器不能充分利用电机的性能，因此国内外学者用智能控制算法设计非线性控制器，使得传统PID参数能够根据系统变化自整定，具有较强的鲁棒性。主流的智能PID算法有专家PID控制、模糊PID控制、神经网络PID控制、基于遗传算法整定的PID控制等。将这些智能控制算法与非线性综合控制系统相结合，可以使控制系统鲁棒性更好。

2 模糊PID控制器

模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是在行为方面模仿人的模糊推理和决策的一种智能控制方法。模糊PID控制的特点如下：

（1）控制系统的设计不要求建立被控对象的精确数学模型，简化了对被控对象细节的研究，只需要提供设计和现场操作人员的经验知识及操作数据，解决了控制对象复杂，建模难及模型不准确等问题。

（2）控制系统的鲁棒性强，适用于处理非线性、时变及滞后等复杂系统控制问题。

（3）控制推理采用“不精确推理”，模仿人的思维过程，基于先前的经验，借助于机器学习等先进技术，因而能够解决复杂系统的控制。

模糊PID控制过程分为模糊化、模糊逻辑推理和解模糊判断三个步骤，在实施过程中，分别由模糊PID控制器的模糊器、模糊推理机和解模糊器完成。模糊系统性能的优劣主要取决于模糊控制器的优劣，与模糊控制器的结构、模糊规则、推理算法以及模糊决策方法等因素有关。模糊PID控制器结构如图2所示。图2中，数据库与推理库构成知识库。

3 自适应PID控制器

图2 模糊PID控制器结构

自适应PID控制能在对被控对象的模型和扰动的先验知识了解比较少的情况下，即被控对象动态模型的参数未知或者模型参数随时间变化的情况下，能够根据当前状态参数测量值对控制器的控制参数进行实时调整，以实现控制系统能够按照期望控制目标，实现预期的控制系统性能。

自适应PID控制分为模型参考自适应控制和自校正自适应控制两类。模型参考自适应控制先人为构建理想的控制系统模型作为参考模型，通过计算参考模型输出值，再实测实际被控对象的输出，将理论计算输出值与实测值比较，得到实际差值，设计自适应调节机构，改变系统中可调控制器，使差值控制在误差允许的范围内。模型参考自适应控制系统的关键是要选取合适的参考模型，但是，合适的模型选取是非常困难的，且模型很难实现，因此，模型参考自适应控制方法没有广泛应用。

在线自校正自适应控制是先进行参数辨识，再调整自适应控制算法的方法。首先通过在线辨识控制系统的控制参数，再根据控制参数与控制器结构，在线实时调整控制器参数，使被控对象运行在误差允许的范围内，并具有一定的稳定裕度，达到自适应控制目的。

自适应PID控制虽然具备传统PID控制方法不具备的优点，但是，目前自适应控制存在应用不广、理论研究薄弱、被控对象适用范围窄、数学计算复杂等问题，制约了自适应PID控制的推广和应用，需要进一步深化研究。

4 自抗扰控制器

自抗扰控制器基于PID控制器研究思路，韩京清等针对PID控制固有的缺陷进行改进，提出了自抗扰控制技术，其控制器设计不仅不依赖系统的精确模型，而且基于自适应控制算法和模型，通过协同控制系数的调整，在稳定性和鲁棒性等方面，控制性能均有显著的提高。

为了提高控制器的性能，自抗扰控制技术采用两种措施提高控制器的控制性能。一是通过跟踪微分器跟踪系统的参考输入，设计过渡过程参数，通过扩张状态观测器观测系统的广义状态和广义输出，通过系统的广义误差进行控制；二是通过扩张状态观测器观测系统扰动，通过对扰动项设计前馈控制，减小扰动对控制系统的影响。

自抗扰控制器一般由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈(NLSEF)控制器组成，其结构如图3所示。

图3 自抗扰控制器结构图

自抗扰控制通过实时估计系统的内部扰动和外部扰动，设计前馈控制器对控制信号进行补偿，将系统整定为积分串联型控制系统，从而实现对控制系统的有效控制。由于控制系统不依赖物理模型的精确性，鲁棒性强，在电机伺服控制领域广泛应用。同时，大量的研究和实验证明自抗扰控制对于时滞系统具有良好的控制效果。

5 滑模变结构控制器

滑模变结构控制是由前苏联学者Utkin和Emelyanov提出，是一种控制结构可变的控制方法。该控制方法与其他控制方法不同在于其控制的不连续性。滑模变结构控制，当被控对象参数发生变化时，根据当前被控对象检测的参数，设计一种结构可变的控制器作用于被控对象，迫使被控对象的控制状态按照期望的控制目标控制，达到预期的控制性能。

滑模变结构理论形成了一整套综合系统的独立理论，包括滑膜变结构模态的设计方法，控制器各种综合方法，系统的稳定性分析，系统到达稳定的条件等。滑模变结构控制是解决非线性系统控制很好的方法。

小结：本文以船用控制手柄用空心杯永磁同步电机控制为例，分析了PID控制器、模糊PID控制器、自适应PID控制器、自抗扰控制器、滑模变结构控制器等特点及应用，在应用过程中，需要根据现场实际情况，合理地选择具体的控制方式，提高控制系统的性能。