單片機模糊PID自整定控制算法的實現及仿真

-.z單片機模糊PID自整定控制算法的實現及仿真2008-10-2302:270引言由于液壓伺服系統(tǒng)的固有特性(如死區(qū)、泄漏、阻尼系數的時變性以及負載干擾的存在)，系統(tǒng)往往會呈現典型的不確定性和非線性特性。這類系統(tǒng)一般很難準確描述控制對象的傳遞函數或狀態(tài)方程，而常規(guī)的PID控制又難以取得良好的控制效果。另外，單一的模糊控制雖不需要準確的數學模型，但是卻極易在平衡點附近產生小振幅振蕩，從而使整個控制系統(tǒng)不能擁有良好的動態(tài)品質。本文針對這兩種控制的優(yōu)缺點并結合模糊控制技術，探討了液壓伺服系統(tǒng)的模糊自整定PID控制方法，同時利用MATLAB軟件提供的Simulink和Fuzzy工具箱對液壓伺服調節(jié)系統(tǒng)的模糊自整定PID控制系統(tǒng)進展仿真，并與常規(guī)PID控制進展了比擬。此外，本文還嘗試將控制系統(tǒng)通過單片機的數字化處理，并在電液伺服實驗臺上進展了測試，測試證明：該方法能使系統(tǒng)的構造簡單化，操作靈活化，并可增強可靠性和適應性，提高控制精度和魯棒性，特別容易實現非線性化控制。1模糊PID自整定控制器的設計本控制系統(tǒng)主要完成數據采集、速度顯示和速度控制等功能。其中智能模糊控制由單片機完成，并采用規(guī)則自整定PID控制算法進展過程控制。整個系統(tǒng)的核心是模糊控制器，AT89C51單片機是控制器的主體模塊。電液伺服系統(tǒng)輸出的速度信號經傳感器和A／D轉換之后進入單片機，單片機則根據輸入的各種命令，并通過模糊控制算法計算控制量，然后將輸出信號通過D／A轉換送給液壓伺服系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)的速度。該模糊控制器的硬件框圖如圖1所示。模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤管理及控制模塊和顯示模塊的調用等。溫度信號的采集、標度變換、控制算法以及速度顯示等功能的實現可由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用AT89C51單片機調A／D轉換、標度轉換模塊以得到速度的反應信號，然后根據偏差和偏差的變化率計算輸入量，再由模糊PID自整定控制算法得出輸出控制量。啟動、停頓可通過鍵盤并利用外部中斷產生，有按鍵輸入則調用中斷效勞程序。該程序的流程圖如圖2所示。2模糊控制器算法研究采用模糊PID自整定控制的目的是使控制器能夠根據實際情況調整比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd，以到達調節(jié)作用的實時最優(yōu)。該電液伺服系統(tǒng)的Fuzzy自整定PID控制系統(tǒng)構造如圖3所示。為了簡化運算和滿足實時性要求，即該調節(jié)系統(tǒng)的根本控制仍為PID控制，但使PID調節(jié)參數由模糊自整定控制器根據偏差e和偏差變化率ec進展自動調整，同時把模糊自整定控制器的模糊局部按Kp、Ki和Kd分成3局部，分別由相應的子推理器來實現。2.1輸入值的模糊化模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的論域中進展討論和計算的，因而首先要將輸入變量變換到相應的論域，并將輸人數據轉換成適宜的語言值，也就是要對輸入量進展模糊化。結合本液壓伺服系統(tǒng)的特性，這里選擇模糊變量的模糊集隸屬函數為正態(tài)分布，具體分布如圖4所示。根據該規(guī)則可把實際誤差e、誤差變化率ec(de／dt)對應的語言變量E、EC表示成模糊量。E、EC的根本論域為[-6，+6]，將其離散成13個等級即[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]?？紤]到控制的精度要求，本設計將[-6，+6]分為負大[NB]、負中[NM]、負小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等7個語言變量，然后由e、ec隸屬函數根據最大值法得出相應的模糊變量。2.2模糊控制規(guī)則表的建立(1)Kp控制規(guī)則設計在PID控制器中，Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應速度。增大Kp能提高響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過大會產生較大的超調，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調，提高穩(wěn)定性，但Kp過小會減慢響應速度，延長調節(jié)時間。因此，調節(jié)初期應適當取較大的Kp值以提高響應速度，而在調節(jié)中期，Kp則取較小值，以使系統(tǒng)具有較小的超調并保證一定的響應速度；而在調節(jié)過程后期再將Kp值調到較大值來減小靜差，提高控制精度。Kp的控制規(guī)則如表1所列。(2)Ki控制規(guī)則設計在系統(tǒng)控制中，積分控制主要是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由于*些原因(如飽和非線性等)，積分過程有可能在調節(jié)過程的初期產生積分飽和，從而引起調節(jié)過程的較大超調。因此，在調節(jié)過程的初期，為防止積分飽和，其積分作用應當弱一些，甚至可以取零；而在調節(jié)中期，為了防止影響穩(wěn)定性，其積分作用應該比擬適中；最后在過程的后期，則應增強積分作用，以減小調節(jié)靜差。依據以上分析，制定的Ki控制規(guī)則表如表2所列。(3)Kd控制規(guī)則設計微分環(huán)節(jié)的調整主要是針對大慣性過程引入的，微分環(huán)節(jié)系數的作用在于改變系統(tǒng)的動態(tài)特性。系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)系數能反映信號變化的趨勢，并能在偏差信號變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快響應速度，減少調整時間，消除振蕩．最終改變系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，Kd值的選取對調節(jié)動態(tài)特性影響很大。Kd值過大，調節(jié)過程制動就會超前，致使調節(jié)時間過長；Kd值過小，調節(jié)過程制動就會落后，從而導致超調增加。根據實際過程經歷，在調節(jié)初期，應加大微分作用，這樣可得到較小甚至防止超調；而在中期，由于調節(jié)特性對Kd值的變化比擬敏感，因此，Kd值應適當小一些并應保持固定不變；然后在調節(jié)后期，Kd值應減小，以減小被控過程的制動作用，進而補償在調節(jié)過程初期由于Kd值較大所造成的調節(jié)過程的時間延長。依據以上分析，制定的Kd控制規(guī)則表如表3所列。2.3逆模糊化處理及輸出量的計算對經過模糊控制規(guī)則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進展逆模糊化處理(重心法在此就不做詳細介紹)的公式如下：式中，u(k)為k采樣周期時的輸出，e(k)為k采樣周期時的偏差，T為采樣周期，通過輸出u(k)乘以相應的比例因子Ku就可得出準確的輸出量u。其公式如下：3實驗結果分析常規(guī)PID控制時通過調節(jié)PID三個參數，就可以得到系統(tǒng)比擬理想的響應圖，控制效果的優(yōu)良與參數的調整有很大的關系，也能提高快速性。但三個參數的調整非常繁瑣。而且，如果系統(tǒng)環(huán)境不斷變化，則參數又必須進展重新調整，往往達不到最優(yōu)。而采用模糊PID控制后，通過模糊控制器對PID進展非線性的參數整定，可使系統(tǒng)無論是快速性方面還是穩(wěn)定性方面都到達比擬好的效果。筆者將上述PID控制及模糊PID控制分別進展了仿真試驗，實驗分別在單獨模糊PID控制情況下和模糊PID控制兩種情況下進展。并在在線運行過程中通過邏輯規(guī)則的結果處理、查表和運算完成了對PID參數的在線自矯正。系統(tǒng)的偏差絕對值以及偏差的變化絕對值的取值*圍可根據實際經歷分別確定為[-0.1cm／s，0.1cm／s】和[-0.06cm／s2，0.06cm／s2]，以而確定相對控制效果較好時Kp、Ki、Kd的取值*圍為Kp[-0.3，0.3]、Ki[-0.06，0.06]、Kd[-3，3]。傳統(tǒng)PID和模糊PID實驗所得的曲線分別如圖5及圖6所示。從圖中可以發(fā)現，采用模糊控制策略整定PID參數相對于普通PID控制策略，其系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性得到了較大的改善，響應時間大大減少，超調量也得到了一定的改善。4完畢語實驗證明：該單片機模糊PID自整定控制器對于電液伺服控制系統(tǒng)具有較好的效果。實踐中可以根據工程控制的具體情況及對超調量、穩(wěn)定性、響應速度的不同要求，來調整模糊PID控制器三個參數的取值*圍，從而得到不同的控制精度和控制