混合參數(shù)自調(diào)整模糊pid控制器設(shè)計

混合參數(shù)自調(diào)整模糊pid控制器設(shè)計

0混合參數(shù)自調(diào)整模糊pid控制器結(jié)構(gòu)能源在促進社會發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。隨著人類環(huán)境保護意識的提高，人們在獲取和使用能源的同時應(yīng)考慮能源消耗對環(huán)境的影響。水電是一種清潔的能源，在能源供應(yīng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，國內(nèi)外科學(xué)家對產(chǎn)生水源發(fā)電的控制一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。模糊控制是公認的三大智能控制方法之一,是在1965年由ZadehL.A.教授首次提出的模糊集合論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.對于復(fù)雜的控制問題,模糊控制能夠很好地利用控制專家的經(jīng)驗信息,模擬人類的思維和語言表達形式,從而實現(xiàn)對工業(yè)對象的控制,已經(jīng)在各種對象的控制中得到了成功的應(yīng)用.但是以誤差和誤差變化為輸入的普通模糊控制器本質(zhì)上是PD型或者PI型非線性控制器,從而對系統(tǒng)的動態(tài)性能或者穩(wěn)態(tài)性能產(chǎn)生影響.本文從提高模糊控制性能的角度出發(fā),提出了一種混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器結(jié)構(gòu),將直接控制型模糊控制器、增益調(diào)整型模糊控制器和常規(guī)PID控制器相結(jié)合,共同組成了自調(diào)整模糊PID控制器,來提高控制器的控制性能和整個系統(tǒng)的魯棒性.本文將混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器應(yīng)用于水輪機組的控制,在模型發(fā)生變換的情況下,本文提出的控制器仍然能夠獲得比較好的控制效果.1混合參數(shù)的自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計1.1模糊控制器fc1混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖中e,ec分別為誤差和誤差變化率.FC1表示直接控制量型模糊控制器,用以產(chǎn)生控制分量u2;PI控制器則是用來產(chǎn)生控制分量u1;增益調(diào)整型模糊控制器FC2的作用是在控制過程中根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)在線地改變控制器的參數(shù)Kp,Ki,Ku,以加強整個系統(tǒng)的自適應(yīng)能力,提高模糊控制系統(tǒng)的性能.1.2pi控制器的設(shè)計PI控制器采用常規(guī)PID控制器中的比例和積分作用,采用如下的表達式:1.3模糊控制器的設(shè)計FC1的輸入變量采用誤差e和誤差變化率ec,而輸出為整個控制量u的分量u2.針對不同的被控對象或過程,控制器的輸入和輸出變量的論域大小范圍不是固定的,因此為了使得控制器的設(shè)計更具一般性,采用標(biāo)準(zhǔn)化處理.輸入變量誤差e、誤差變化率ec的論域化歸到[-3,3],通過輸入量化因子來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的過程.在控制器的設(shè)計中,各個模糊變量的語言值均采用”正大(PB)”、”正小(PS)”、”零(Z)”、”負小(NS)”、”負大(NB)”5種,相應(yīng)的隸屬度函數(shù)選用三角形和梯形函數(shù),函數(shù)曲線如圖2、圖3所示.以誤差和誤差變化率為模糊控制器的輸入,符合工業(yè)過程中人們的控制習(xí)慣,因而容易建立比較通用的控制規(guī)則,一般采用類似如下的控制規(guī)則:從而可以建立如表1所示的控制規(guī)則.在模糊控制器FC1設(shè)計中,選用常用的最大最小法(min-max-inference)模糊算子,即“And”采用“Min”運算,“OR”采用“Max”運算;解模糊化方法采用常用的面積中心法(COA).模糊控制器的輸出比例因子Ku是模糊控制器解模糊化結(jié)果與被控對象之間的接口,產(chǎn)生的結(jié)果直接作用于被控對象.因此合理的選擇Ku將在很大程度上影響控制效果.在參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器的設(shè)計中,對參數(shù)Ku進行在線調(diào)整,調(diào)整規(guī)則在FC2設(shè)計中介紹.1.4fc2恒興模糊控制器的設(shè)計1.4.1fc2輸出模糊變量模糊控制器FC2采用的是兩輸入三輸出形式,用來對PI控制器參數(shù)Kp,Ki和模糊控制器FC1的輸出比例因子Ku進行在線調(diào)整,從而防止出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象,提高整個控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力.FC2的輸入變量采用誤差絕對值|e||e|和誤差變化的絕對值|ec||ec|,輸出的模糊變量為參數(shù)Kp,Ki和Ku與FC1設(shè)計相仿,對模糊變量的論域也采用標(biāo)準(zhǔn)化處理,誤差絕對值|e||e|和誤差變化率的絕對值|ec||ec|的論域化歸為;參數(shù)Kp,Ki和Ku的論域范圍標(biāo)準(zhǔn)化為,隸屬度函數(shù)采用高斯形,相應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖4、圖5所示.1.4.2參數(shù)調(diào)整原則要歸納出FC2模糊控制器對參數(shù)進行調(diào)整的規(guī)則,首先得分析FC2對于參數(shù)調(diào)整的原則.(1)通過kp來防止起事條件下系統(tǒng)的響應(yīng)PI控制器在整個控制系統(tǒng)中主要是為了減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差以及提高系統(tǒng)的響應(yīng)過程.對PI控制器主要涉及到兩個參數(shù)Kp,Ki的調(diào)整,當(dāng)|e||e|較大時,此時為了加快系統(tǒng)的響應(yīng),應(yīng)當(dāng)取較大的Kp,為了防止出現(xiàn)振蕩應(yīng)當(dāng)取Ki=0;當(dāng)|e||e|中等大小時,為了防止出現(xiàn)超調(diào),應(yīng)當(dāng)減小Kp,Ki取適中;當(dāng)|e||e|較小時,為了提高穩(wěn)態(tài)角度,可以適當(dāng)增大Ki.通過這樣分析,可以得到表2、表3的調(diào)整規(guī)則表.(2)控制量u的確定模糊控制器的輸出比例因子Ku對模糊控制的效果影響較大,動態(tài)的調(diào)整Ku的大小等效于動態(tài)的改變了控制規(guī)則,使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性提高.當(dāng)|e||e|和|ec||ec|較大時,控制系統(tǒng)主要是減小誤差,為了加快響應(yīng)過程,應(yīng)取較大的控制量u,所以Ku較大.當(dāng)|e||e|和|ec||ec|較小時,系統(tǒng)接近穩(wěn)定值,這時應(yīng)減小u達到穩(wěn)態(tài)誤差的要求,Ku應(yīng)較小;當(dāng)|e||e|和|ec||ec|中等大小時,Ku也應(yīng)取中等大小的值.通過分析可以得到如表4的調(diào)整規(guī)則.2實驗和結(jié)果2.1壓力引系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為了驗證本文提出的混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器的控制效果,將該控制器應(yīng)用到水輪發(fā)電機組的控制上,圖6所示水輪機組的控制系統(tǒng)圖,Mt為水力矩,Qt為流量,H為水頭,n為轉(zhuǎn)速.水輪發(fā)電機組的模型表示為{Μt=Μt(Η,n,α)Qt=Qt(Η,n,α)(2){Mt=Mt(H,n,α)Qt=Qt(H,n,α)(2)考慮壓力引水系統(tǒng)、發(fā)電機、負載以及電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性,將系統(tǒng)進行線性化處理,得到如圖7所示的線性化系統(tǒng)方框圖,將圖7化簡得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為(mg0=0).G(s)=x(s)u(s)=1Τys+1.ey-(eqyeh-eqhey)ΤwseqhΤws+1.1Ταs+eg(3)(mg0=0).G(s)=x(s)u(s)=1Tys+1.ey?(eqyeh?eqhey)TwseqhTws+1.1Tαs+eg(3)(2)式中,Tα是機械負載時間常數(shù),Tw是壓力引水系統(tǒng)的時間常數(shù),其余的均為系統(tǒng)參數(shù).這里其數(shù)值分別為eqh=0.359,ey=1.190,eqy=0.930,eh=0.835,Tw=1.27,Ta=9.06,Ty=0.02,ex=-761,eg=0.50.代入(3)式可得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:G21(s)=-0.3518s+0.94370.0655s3+3.4286s2+7.6607s+1(4)G21(s)=?0.3518s+0.94370.0655s3+3.4286s2+7.6607s+1(4)2.2不同工況下控制器響應(yīng)情況對比將本文提出的參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器應(yīng)用于水輪發(fā)電機組模型G21的控制,被控對象G21的階躍響應(yīng)如圖8中曲線a所示,可以看出在混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器的作用之下,系統(tǒng)能夠快速響應(yīng),并且超調(diào)量很小.進一步考慮在被控對象發(fā)生改變時控制器的魯棒性.在工況發(fā)生改變時,得到下列不同的水輪機組模型:G25(s)=-0.5653s+0.68220.0587s3+3.0617s2+6.5511s+1(5)G25(s)=?0.5653s+0.68220.0587s3+3.0617s2+6.5511s+1(5)G31(s)=-0.4961s+0.38140.0597s3+3.1003s2+5.8539s+1(6)保持G21(s)控制時的控制器參數(shù),將被控對象分別變?yōu)镚25(s)和G31(s),得到相應(yīng)的控制曲線如圖8中曲線b、c所示.從上述控制曲線可以看出,雖然對象模型發(fā)生了改變,但是在混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制器的作用之下,能夠很好的適應(yīng)對象參數(shù)的變化,整個控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、超調(diào)量小,具有較強的魯棒性.3控制效果水輪機組由于具有不確定性和時變性,因而其動態(tài)特性具有多模型特征.本文提出一種混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制策略,在水輪機組模型發(fā)生明顯變換的情況