CC BY
1083. Bespalov V.A., Il'ichev E.A., Kirilenko E.P., Kozlitin A.I., Kuleshov A.E., Migunov D.M., Nabiev R.M., Petrukhin G.N., Rychkov G.S., Sakhariv O.A., Trifonov A.I. Peculiarities of forming emission structures for powerful microwave electronics. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2014, no. 4 (108), pp. 27-35. (In Russian).
4. Radzig A. Atomic optical spectra. Handbook of Physical Quantities, eds. I.S. Grigoriev, E.Z. Meilikhov. Boca Raton, FL, CRC Press, 1997, pp. 955-1000.
5. Neoustroev S.A. Ethane as model of energetic state of atoms in cubic carbon crystal. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2016, vol. 21, no. 1, pp. 86-87. (In Russian).
Received 11.03.2021; Revised 30.08.2021; Accepted 11.10.2021.
Information about the author:
Stepan A. Neoustroev - Dr. Sci. (Eng.), Consulting Prof. of the Institute of Perspective Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
УДК 621.313.22:681.5 Б01: 10.24151/1561-5405-2021-26-6-583-588
Разработка системы управления позиционированием сервопривода с применением ПИД-регулятора и контроллера нечеткой логики
Зо Мьо Наин
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Сервоприводы широко используются для обеспечения точного управления положением во многих механических системах и промышленных приложениях. Изучение производительности и эффективности сервопривода - важная задача. В работе исследованы пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД-регулятор) и контроллер нечеткой логики для управления положением сервопривода постоянного тока. Приведена схема моделирования работы сервопривода с применением разных регуляторов. Расчет значений параметров сервопривода осуществлен в программе МАТЬАБ Simulink. Предложена математическая модель сервопривода постоянного тока для системы управления позиционированием. Проведено сравнение характеристик управления ПИД-регулятора, контроллера нечеткой логики и ПИД-регулятора нечеткой логики. Результаты моделирования показывают, что ПИД-регулятор позволяет обеспечить перерегулирование около 1 % с временем установления около 4 с. ПИД-регулятор нечеткой логики по сравнению с другими регуляторами позволяет повысить производительность и эффективность работы системы управления позиционированием сервопривода.
Ключевые слова: сервопривод постоянного тока; ПИД-регулятор; контроллер нечеткой логики; ПИД-регулятор нечеткой логики; время установления; перерегулирование
Для цитирования: Зо Мьо Наин. Разработка системы управления позиционированием сервопривода с применением ПИД-регулятора и контроллера нечеткой логики // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 6. С. 583-588. Б01: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-266-583-588
© Зо Мьо Наин, 2021
Development of Servo Drive Positioning Control System Using PID Controller and Fuzzy Logic Controller
Zaw Myo Naing
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract: Servo drives are one of the most widely utilized devices in various mechanical systems and industrial applications to provide precise position control. The study of servo driver productiveness and performance index is the important task. In this work, PID controller and fuzzy logic controller (FLC) were developed to control the position of a DC servo drive. The MATLAB Simulink program was investigated and implemented to calculate the values of servo drive parameters, and a scheme for simulating the operation of a servo drive using different controllers was presented. A mathematical model of a DC servo drive for a positioning control system has been proposed. The control characteristics of the PID controller, fuzzy logic controller and fuzzy PID controller are compared. The simulation results have shown that the PID controller allows for an overshoot of about 1 % with a settling time of about 4 sec. The use of the fuzzy PID controller reduces the maximum overshoot to 1 % and decreases the settling time to 2 sec. As a result, the fuzzy PID controller allows for better performance and efficiency compared to other controllers.
Keywords: DC servo drive; PID controller; fuzzy logic controller; fuzzy PID controller; settling time; overshoot
For citation: Zaw Myo Naing. Development of servo drive positioning control system using PID controller and fuzzy logic controller. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 6, pp. 583-588. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-6-583-588
Сервопривод является распространенным электроприводом, используемым во многих механических системах и промышленных приложениях [1], таких как автоматические станки для сборки и монтажа, промышленные роботы и образовательная робототехника, антенны спутникового слежения, автоматические навигационные системы в самолетах и на кораблях, медицинские применения, транспортные средства и др. [2].
Цель настоящей работы - исследование системы управления позиционированием сервопривода постоянного тока с использованием разных регуляторов в среде MATLAB Simulink.
При моделировании сервопривода постоянного тока используются следующие уравнения для системы сервопривода, основанные на законе Ньютона в сочетании с законом Кирхгофа [3, 4]:
U (t) - ub (t) = L ^ + Ria (t), (1)
at
dm fíae (t) Ka(t)-J-atr- + B—, (2)
где L - индуктивность якоря; R - сопротивление якоря; ia - ток якоря; J - эквивалентный момент инерции сервопривода; B - коэффициент вязкого трения вала сервопривода.
Обратная электромагнитная сила [5] вызвана угловой скоростью вала сервопривода:
Ub (t) = Kb a(t) = K,^, dt
где Kb - постоянная обратной электромагнитной силе привода.
Используя функцию преобразования Лапласа, уравнения (1) и (2) можно записать как
и(5) = (Ьа + Яуа (5) + К^СО, Юа (5) = + В,ч%5).
Передаточная функция от входного напряжения и^) [5] до угла выхода имеет вид
м=_К_
и(^) Ь2 + (Ж + ВЬ^ + ВЯ + КК '
Передаточная функция положения сервопривода определяется умножением передаточной функции скорости сервопривода на 1/s:
ад=—-К-. (3)
п и(^) $[ Л52 + (Ж + ВЬ)$ + ВЯ + КК ]
Основные параметры и значения, выбранные для моделирования сервопривода постоянного тока, следующие:
Сопротивление якоря сервопривода Я......................................................................2,2 Ом
Индуктивность якоря сервопривода Ь.............................................................2,3 • 103 мГн
Инерция ротора сервопривода .................................................................0,0210-6 кгм2
Коэффициент вязкого трения вала сервопривода Вш............................5010-6 Нм/рад/с
Коэффициент вязкого трения вала нагрузки В1....................................15010-6 Нм/рад/с
Постоянная крутящего момента сервопривода К................................0,0384 •Ю-3 Нм/А
Постоянная обратной электромагнитной силе сервопривода Кь...........100 •Ю-3 В/рад/с
Для исследования поведения сервопривода постоянного тока необходимо подставить значения параметров сервопривода в уравнение (3). Тогда передаточная функция разомкнутого контура сервопривода постоянного тока определяется следующим образом:
9(s) 3,84
u(s) ~ 0,0046s2 + 0,35s +1 .
Проведен сравнительный анализ пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора (ПИД-регулятора), контроллера нечеткой логики (Fuzzy Logic Controller, FLC) и ПИД-регулятора нечеткой логики в системе управления позицией сервопривода постоянного тока в программе MATLAB Simulink. ПИД-регулятор позволяет выполнять автоматическую стабилизацию положения и скорости вращения вала сервопривода и обычно используется для регулирования поведения различных типов динамических объектов, обеспечивая хорошие динамические характеристики при моделировании точных систем положения [6].
Характеристики разработанного ПИД-регулятора нечеткой логики зависят от комбинирования ПИД-регулятора с контроллером нечеткой логики [7]. На рис.1 представлена система нечеткого вывода (Fuzzy Inference System, FIS) с двумя входными и одним выходным параметрами [8], реализованная в наборе инструментов нечеткой логики в программе MATLAB Simulink.
Проведено моделирование системы управления положением сервопривода постоянного тока с применением ПИД-регулятора, контроллера нечеткой логики и ПИД-регулятора нечеткой логики в программе MATLAB Simulink. Результаты моделирования приведены на рис.2 и 3.
Для оценки эффективности различных регуляторов проанализированы максимальное перерегулирование, время нарастания Tr и время установления Ts. В таблице представлены значения данных параметров, рассчитанные по отклику на единичную переходную характеристику. Сравнение параметров системы управления положением сервопривода постоянного тока с применением разных регуляторов показало следующее. ПИД-регулятор позволяет обеспечивать перерегулирование около 1 % с временем установления около 4 с. ПИД-регулятор нечеткой логики обеспечивает максимальное перерегулирование на 1 % с временем установления 2 с.
Рис.1. Система нечеткого вывода с двумя входными и одним выходным параметрами Fig.1. Fuzzy Inference System with two input and one output parameters using the fuzzy logic tool
Рис.2. Схема моделирования системы управления положением сервопривода постоянного тока с применением ПИД-регулятора, контроллера нечеткой логики и ПИД-регулятора
нечеткой логики
Fig.2. Simulation scheme of the DC servo motor position control system using PID controller, fuzzy logic controller, and fuzzy PID controller
1 2
1/
1
О 123456789 10
Время, с
Рис.3. Результаты моделирования работы сервопривода с применением различных регуляторов: 1 - контроллер нечеткой логики; 2 - ПИД-регулятор; 3 - ПИД-регулятор нечеткой логики Fig.3. Simulation results of servo drive using various regulators: 1 - fuzzy logic controller; 2 - PID controller; 3 - fuzzy PID controller
Значения параметров системы управления положением сервопривода постоянного тока
с применением разных регуляторов Values of parameters of the DC servo drive position control system using different regulators
Регулятор Максимальное перерегулирование, % Время нарастания Tr, с Время установления Ts, с
ПИД-регулятор 1,08 0,6 3,78
Контроллер нечеткой логики 1,028 0,74 2,4
ПИД-регулятор нечеткой логики 0,9 1,56 1,98
Таким образом, ПИД-регулятор нечеткой логики по сравнению с другими регуляторами дает возможность повышать производительность и эффективность системы управления позиционированием сервопривода.
Литература
1. Meena D.K., Chahar S. Speed control of DC servo motor using genetic algorithm // 2017 International Conference on Information, Communication, Instrumentation and Control (ICICIC). Indore: IEEE, 2017. P. 1-7. DOI: https://doi.org/ 10.1109/ICOMICON.2017.8279122
2. Saputra H.M., Nurhakim A., Mardanies M. Design of servo motor controller device for antenna stabilization based on PID controller // 2019 International Conference on Computer, Control, Informatics and its Application (IC3INA). Tangerang: IEEE, 2019. P. 162-165. DOI: https://doi.org/10.1109/IC3INA48034.2019.8949577
3. Зо Мьо Наин, Щагин А.В., Е Тет Линн. Автоматизация монтажа трубопроводов на основе композитных труб // Путь науки. 2018. Т. 1. № 10 (56). С. 33-38.
4. Щагин А.В., Йе Наунг, Зо Мин Кхаинг Режимы управления двигателем постоянного тока с замкнутым контуром в высокоточных системах позиционирования // Изв. вузов. Электроника. 2018. Т. 23. № 3. С. 304-307. DOI: https://doi.org/10.214151/1561-5405-2018-23-3-304-308
5. Jasim M.H. Tuning of a PID controller by bacterial foraging algorithm for position control of DC servo motor // Engineering and Technology Journal. 2018. Vol. 36. Part A. No. 3. P. 287-294. DOI: http://dx.doi.org/10.30684/etj.36.3A.7
6. Aqeel-Ur-Rehman, Cai C. Autonomous mobile robot obstacle avoidance using fuzzy-PID controller in robot's varying dynamics // 2020 39th Chinese Control Conference (CCC). Shenyang: IEEE, 2020. Vol. 2. P. 2182-2186. DOI: https://doi.org/10.23919/CCC50068.2020.9188467
7. Jilani A., Murawwat S., Jilani S. O. Controlling speed of DC motor with fuzzy controller in comparison with ANFIS controller // Intelligent Control and Automation. 2015. Vol. 6. No. 1. P. 64-74. DOI: http://dx.doi.org/10.4236/ica.2015. 61008
8. Velasco N.O.M., Rosario J.R.B. del, Bandala A.A. Development of a fuzzy logic controller for a smart RGB lighting system // 2019 IEEE 11th International Conference on Humanoid, Nanotechnology, Information Technology, Communication and Control, Environment and Management (HNICEM). Laoag: IEEE, 2019. P. 1-5. DOI: https://doi.org/ 10.1109/HNICEM48295.2019.9072854
Поступило в редакцию 21.05.2021 г.; после доработки 21.05.2021 г.; принято к публикации 11.10.2021 г.
Зо Мьо Наин - аспирант Института микроприборов и систем управления имени Л.Н. Пре-снухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Meena D.K., Chahar S. Speed control of DC servo motor using genetic algorithm. 2017 International Conference on Information, Communication, Instrumentation and Control (ICICIC). Indore, IEEE, 2017, pp. 1-7. DOI: https://doi.org/ 10.1109/IC0MIC0N.2017.8279122
2. Saputra H.M., Nurhakim A., Mardanies M. Design of servo motor controller device for antenna stabilization based on PID controller. 2019 International Conference on Computer, Control, Informatics and its Application (IC3INA). Tangerang, IEEE, 2019, pp. 162-165. DOI: https://doi.org/10.1109/IC3INA48034.2019.8949577
3. Zaw Myo Naing, Shchagin A.V., Ye Htet Linn. Automation of installation of pipelines on the basis of composite pipes. Put' nauki = The Way of Science, 2018, vol. 1, no. 10 (56), pp. 33-38. (In Russian).
4. Shagin A.V., Ye Naung, Zaw Min Khaing. Control method of DC motor with closed loop system of precision positioning system. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2018, vol. 23, no. 3, pp. 304-307. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2018-23-3-304-308
5. Jasim M.H. Tuning of a PID controller by bacterial foraging algorithm for position control of DC servo motor. Engineering and Technology Journal, 2018, vol. 36, part A, no. 3, pp. 287-294. DOI: http://dx.doi.org/10.30684/etj.36.3A.7
6. Aqeel-Ur-Rehman, Cai C. Autonomous mobile robot obstacle avoidance using fuzzy-PID controller in robot's varying dynamics. 2020 39th Chinese Control Conference (CCC). Shenyang, IEEE, 2020, vol. 2, pp. 2182-2186. DOI: https://doi.org/10.23919/CCC50068.2020.9188467
7. Jilani A., Murawwat S., Jilani S.O. Controlling speed of DC motor with fuzzy controller in comparison with ANFIS controller. Intelligent Control and Automation, 2015, vol. 6, no. 1, pp. 64-74. DOI: http://dx.doi.org/10.4236/ica.2015.61008
8. Velasco N.O.M., Rosario J.R.B. del, Bandala A.A. Development of a fuzzy logic controller for a smart RGB lighting system. 2019 IEEE 11th International Conference on Humanoid, Nanotechnology, Information Technology, Communication and Control, Environment and Management (HNICEM). Laoag, IEEE, 2019, pp. 1-5. DOI: https://doi.org/10.1109/ HNICEM48295.2019.9072854
Received 21.05.2021; Revised 21.05.2021; Accepted 11.10.2021.
Information about the author:
Zaw Myo Naing - PhD student of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Полные тексты статей журнала с 2007 по 2020 гг. доступны на сайтах Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru и журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»: http://ivuz-e.ru
