模糊PID自整定控制算法的實(shí)現(xiàn)及仿真

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1、第9卷第5期Vol.9No.52007年5月技術(shù)前沿May.2007單片機(jī)模糊PID自整定控制算法的實(shí)現(xiàn)及仿真馮桂寧,蔣翔俊(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,湖北武漢430074)摘要:介紹了單片機(jī)模糊自整定PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制思想、控制算法以及在電液伺服系統(tǒng)上的應(yīng)用方法,給出了其基于MATLAB的系統(tǒng)仿真結(jié)果,并對(duì)該模糊自整定PID控制結(jié)果與傳統(tǒng)的PID控制仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞:單片機(jī);模糊自整定PID控制;電液伺服系統(tǒng);MATLAB仿真0引言速度控制等功能。其中智能模糊控制由單片機(jī)完成,并采用規(guī)則自

2、整定PID控制算法進(jìn)行過(guò)程控由于液壓伺服系統(tǒng)的固有特性(如死區(qū)、泄制。整個(gè)系統(tǒng)的核心是模糊控制器,AT89C51單漏、阻尼系數(shù)的時(shí)變性以及負(fù)載干擾的存在),片機(jī)是控制器的主體模塊。電液伺服系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)往往會(huì)呈現(xiàn)典型的不確定性和非線(xiàn)性特性。速度信號(hào)經(jīng)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入單片機(jī),這類(lèi)系統(tǒng)一般很難精確描述控制對(duì)象的傳遞函數(shù)單片機(jī)則根據(jù)輸入的各種命令,并通過(guò)模糊控制或狀態(tài)方程,而常規(guī)的PID控制又難以取得良好算法計(jì)算控制量,然后將輸出信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換的控制效果。另外,單一的模糊控制雖不需要精送給液壓伺服系統(tǒng),從而

3、控制系統(tǒng)的速度。該模確的數(shù)學(xué)模型,但是卻極易在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生小糊控制器的硬件框圖如圖1所示。振幅振蕩,從而使整個(gè)控制系統(tǒng)不能擁有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。本文針對(duì)這兩種控制的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合模糊控制技術(shù),探討了液壓伺服系統(tǒng)的模糊自整定PID圖1模糊控制器硬件框圖控制方法,同時(shí)利用MATLAB軟件提供的模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤(pán)管理Simulink和Fuzzy工具箱對(duì)液壓伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模及控制模塊和顯示模塊的調(diào)用等。溫度信號(hào)的采糊自整定PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并與常規(guī)PID控集、標(biāo)度變換、控制算法以及速度顯示等功能的制進(jìn)行

4、了比較。此外,本文還嘗試將控制系統(tǒng)通實(shí)現(xiàn)可由各子程序完成。軟件的主要流程是:利過(guò)單片機(jī)的數(shù)字化處理,并在電液伺服實(shí)驗(yàn)臺(tái)上用AT89C51單片機(jī)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊以進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試證明:該方法能使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到速度的反饋信號(hào),然后根據(jù)偏差和偏差的變簡(jiǎn)單化,操作靈活化,并可增強(qiáng)可靠性和適應(yīng)化率計(jì)算輸入量,再由模糊PID自整定控制算法性,提高控制精度和魯棒性,特別容易實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)得出輸出控制量。啟動(dòng)、停止可通過(guò)鍵盤(pán)并利用性化控制。外部中斷產(chǎn)生,有按鍵輸入則調(diào)用中斷服務(wù)程序。該程序的流程圖如圖2所示。1模糊PID自整定

5、控制器的設(shè)計(jì)2模糊控制器算法研究本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、速度顯示和采用模糊PID自整定控制的目的是使控制器收稿日期:2006-12-11能夠根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Kiwww.ecda.cn2007.5電子元器件應(yīng)用59第9卷第5期Vol.9No.52007年5月ElectronicComponent&DeviceApplicationsMay.2007圖4e、ec隸屬函數(shù)應(yīng)的語(yǔ)言變量E、EC表示成模糊量。E、EC的基本論域?yàn)閇-6,+6],將其離散成13個(gè)等級(jí)即[-6,-5,-4,-3,-2,-

6、1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6]。考慮到控制的精度要求,本設(shè)計(jì)將[-6,+6]分為負(fù)大[NB]、負(fù)中[NM]、負(fù)小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等7個(gè)語(yǔ)言變量,然后由e、ec隸屬函數(shù)根據(jù)最大值法得出相應(yīng)的模糊變量。2.2模糊控制規(guī)則表的建立圖2模糊控制器程序控制流程和微分系數(shù)Kd,以達(dá)到調(diào)節(jié)作用的實(shí)時(shí)最優(yōu)。該(1)Kp控制規(guī)則設(shè)計(jì)在PID控制器中,Kp值的選取決定于系統(tǒng)的電液伺服系統(tǒng)的Fuzzy自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如響應(yīng)速度。增大Kp能提高響應(yīng)速度,減小穩(wěn)態(tài)誤圖3所示

7、。差;但是,Kp值過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào),甚至使為了簡(jiǎn)化運(yùn)算和滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求,即該調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調(diào),提高穩(wěn)定性,系統(tǒng)的基本控制仍為PID控制,但使PID調(diào)節(jié)參數(shù)但Kp過(guò)小會(huì)減慢響應(yīng)速度,延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。因由模糊自整定控制器根據(jù)偏差e和偏差變化率ec進(jìn)此,調(diào)節(jié)初期應(yīng)適當(dāng)取較大的Kp值以提高響應(yīng)速行自動(dòng)調(diào)整,同時(shí)把模糊自整定控制器的模糊部度,而在調(diào)節(jié)中期,Kp則取較小值,以使系統(tǒng)具分按Kp、Ki和Kd分成3部分,分別由相應(yīng)的子推理有較小的超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度;而在調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。過(guò)程后期再將Kp值調(diào)到較

8、大值來(lái)減小靜差,提高2.1輸入值的模糊化控制精度。Kp的控制規(guī)則如表1所列。模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的論域中(2)Ki控制規(guī)則設(shè)計(jì)進(jìn)行討論和計(jì)算的,因而首先要將輸入變量變換在系統(tǒng)控制中,積分控制主要是用來(lái)消除系到相應(yīng)的論域,并將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語(yǔ)言統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由于某些原因(如飽和非線(xiàn)性值,也就是要對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化。結(jié)合本液壓等),積分過(guò)