基于参数模糊自整定的PID控制器(精)

84 |电气时代 2005年第4期

EA 应用与方案工业控制

k i =k i '+{ei , eci }i k d =k d '+{ei , eci }d

在线运行过程中, 控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算, 完成对PID参数的在线自校正。

用在线整定的PID参数 k p , k i 和 k d 就可以根据下列PID控制算法的离散差分公式计算出控制量 u :

位置式 u k =k p E k +k i E k +k d (E k -E k-1

增量式Δ u k =k p (E k -E k-1+ k i E k +K d (E k -2E k-1+E k-2 根据系统在受控过程中对应不同的|e |和|ec |, 将 PID参数的整定原则归纳如下 :

1当|e |较大时, 取较大的 k P 与较小的 k d , 使系统具有

较好的跟踪性能, 同时为避免出现较大的超调, 应对积分作用加以限制, 通常取k i =0。

2当|e |处于中等大小时, 为使系统响应超调较小, k P

应取较小些。该情况下, k d 的取值对系统响应影响较大, k i 的取值要适当。

3当|e |较小时, 为使系统具有较好的稳定性, k p 与

k i 均应取大些, 同时为避免系统在设定值附近出现振荡, k d 值的选择根据|ec |值较大时, k d 取较小值, 通常 k d 为中等大小。

控制器的设计及仿真试验 (1要求

设被控对象为三阶系统

采样时间为4ms, 分别采用参数模糊自整定PID控制和常规PID控制进行阶跃响应, 在第250个采样时刻控制器输出加1.0的干扰, 比较仿真结果。

(2模糊控制器设计

输入为偏差 e 和偏差变化率 ec , 输出变量为PID的三个参

在

工业生产过程中, 许多被控对象随着负荷变化或干扰因素的影响, 其对象的特性参数或结构发生改变。自

适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数, 实时改变其控制策略, 使控制系统品质指标保持在最佳范围内, 但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度, 这对于复杂系统是非常困难的。因此, 在工业生产过程中, 大量采用的仍然是PID算法, PID参数的整定方法很多, 但大多数都以对象特性为基础。

参数模糊自整定PID控制原理

参数模糊自整定PID控制器结构如图1所示。

其原理是先找出PID的3个参数与偏差 e 和偏差变化率 ec 之间的模糊关系, 在运行中通过实时检测 e 和 ec , 再根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改, 以满足在不同 e 和 ec 时对控制参数的不同要求, 使被控对象具有良好的动、静态性能, 而且计算量小, 易于用单片机实现。

PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。模糊控制器设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验, 建立合适的模糊规则表, 得到针对 k p , k i , k d 三个参数分别整定的模糊控制表。再根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型, 应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表, 查出修正参数代入下式计算

k p =k p '+{ei , eci }p

基于参数模糊自整定的 PID 控制器

□燕山大学电气工程学院周辉齐占庆

为满足在不同偏差e和偏差变化率ec对PID参数自整定的要求, 利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改, 构成了参数模糊自整定PID控制器。

GF (s =

750

s 3+36s 2+250s +750

图1参数模糊自整定PID控制器结构图

电气时代 2005年第 4期 | 85

EA 应用与方案

工业控制图6参数模糊自整定PID控制

图7常规PID控制

1.41.21

0.80.60.40.20

0 0. 5 1

1. 5 2

time/s r i n y o u t

1.41.210.80.60.40.20

r i n y o u t

0 0. 5 1

1. 5 2

time/s

图4 k i 隶属度函数曲线图5 k d 隶属度函数曲线

图2 e , ec 隶属度函数曲线图3

k p 隶属度函数曲线

10.80.60.40.20

-3-2-101

2 3

10.80.60.40.20

-3 -2 -1 0

1 2 3

NB NM NS Z PS PM

PB NB NM NS Z PS PM

PB 10.80.60.40.2

-0.06-0.04-0.0200.020.040.06

NB NM NS Z PS PM

PB 10.80.60.40.20

NB NM NS Z PS PM

PB -3 -2 -1 0

1 2 3

数 k p , k i 和 k d 。分别选取适当论域、模糊子集和隶属度, 其隶属度函数曲线如图2~图5所示。

(3仿真比较

在上述模糊控制器的基础上, 采用Matlab语句形式编写程序, 对参数模糊自整定PID控制和常规PID控制进行仿真比较, 其阶跃响应曲线分别如图6、图7所示。本文以三阶被控对象为例, 分别采用参数模糊自整定 PID控制器和常规PID控制。从两种控制下的仿真曲线的比较可以看出 :参数模糊自整定PID控制器可以使系统输出更加平滑快速, 而且抗阶跃干扰和脉冲干扰的能力都很强。该控制方法很好地改善了系统的动态特性, 提高了稳态精度。

模糊控制是一种仿人工控制, 它需要一定的经验, 所以在系统控制中往往和其他控制方法结合起来使用。由于理论方面的问题, 它还不成熟, 但它是今后发展的主方向, 并且随着理论的成熟, 模糊控制将在工业控制中起到更重要的作用。 EA

(收稿日期 :2005.02.04

(上接第83页

在与单片机通信过程中, Neuron芯片处于主模式, 通过向单片机发送命令字来控制单片机执行不同的任务 :如控制设备的工作, 或向Neuron芯片发送数据等。Neuron芯片接收到数据以后, 首先对数据进行校验, 如果校验字错误, 则丢弃数据 ; 如果校验字正确, 则把数据从数据帧中分离出了, 保存在 R A M 中。

图5电饭煲节点的软件结构框图

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