自适应模糊PID控制的太阳光跟踪伺服系统

摘要：针对太阳光跟踪伺服系统中应用的传统PID控制过程中的一些问题，本文通过对自适应模糊PID控制系统的分析，设计了双轴跟踪伺服系统自适应模糊PID控制器，并在Simulink环境中建立方位角跟踪传动机构仿真模型且完成仿真。仿真结果表明，太阳光跟踪伺服系统自适应模糊PID控制器较传统PID控制器具有较强的稳定性、适应性与鲁棒性，这在太阳光跟踪伺服系统控制领域具有重要的实用价值与应用空间。
关键词：自适应模糊PID控制器；PID控制器；太阳光跟踪伺服系统；Simulink仿真

太阳能以其不竭性和环保优势已成为当今国内外最具有发展前景的新能源之一。光伏(PV)发电技术在国外已得到深入研究和推广，我国在技术上也已基本成熟，并进入推广应用阶段。高效采集太阳能作为太阳能光伏发电的关键技术之一，目前较多利用的是太阳能光感跟踪方法。按照跟踪自由度的多少，太阳能跟踪伺服系统可分为两类：单轴和双轴。因双轴跟踪精度优于单轴，现已被普遍采用。
文中以基于步进电机的双轴跟踪伺服系统为研究对象，在文献中提出的传统PID控制器基础上，结合模糊控制理论，设计出自适应模糊PID控制器，并在Simulink环境中建立方位角跟踪传动机构仿真模型且完成仿真。

1 自适应模糊PID控制策略分析
在工业生产过程中，由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量及评价指标不易定量表示，传统PID方法受到局限。运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊规则及有关信息作为知识存入计算机知识库，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理即可自动实现对PID参数的最佳调整，以此实现自适应模糊PID控制。
PID控制器由比例系数(KP)、积分系数(KI)和微分系数(KD)组成，其实质就是根据输入的偏差值按比例、积分、微分函数关系进行运算，运算结果用于控制输出，包括测量、比较和执行3个部分。PID是一种有效而简单的控制器，能够在保证基本不影响系统稳定精度的前提下提高系统的相对稳定性，很好地改善系统的动态性能。基本控制规律可描述为：

模糊控制实质上是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。它是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。模糊控制器的基本结构包括知识库、模糊推理、输入量模糊化、输出量精确化四部分。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
结合PID与模糊控制两种算法的特征与优势，自适应模糊PID典型控制系统主要包括参数可调PID和模糊控制系统两部分组成，其系统结构如图1所示。

PID控制部分实现对系统的控制，自适应模糊控制部分以误差和误差变化率作为输入。它根据不同时刻的输入，利用模糊控制规则在线对PID参数KP、KI和KD进行修改，以满足控制器参数的不同要求，使被控对象具有良好的动态与静态性能，从而提高对被控对象的控制效果。