【文章內(nèi)容簡介】 曲線見圖 33， PID 參數(shù) KP、 KI、 KD 的隸屬函數(shù)曲線見圖 34。然后，確定 KP、 KI、 KD 的調(diào)節(jié)規(guī)則，最后進(jìn)行模糊推理和模糊運(yùn)算。 圖 33 偏差 |E|、 |E|的隸屬函 數(shù) 1 0 1 2 3 Z S M B | |,| |CEE （Ⅲ） （Ⅱ） （Ⅰ） y t 0 交流伺服電機(jī)智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 34 PID 參數(shù) KP、 KI、 KD 的隸屬函數(shù) Fuzzy PID 控制的系統(tǒng)仿真 PID 控制是經(jīng)典控制中用于過程控制最有效的策略之一， PID 控制中的中積分作用可以減少穩(wěn)態(tài)誤差 ,微分作用可以提高響應(yīng)速度。但另一方面積分作用容易導(dǎo)致積分飽和 ,使系統(tǒng)超調(diào)量增大 ,微分作用對(duì)高頻干擾特別敏感 ,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。 PID 控制本質(zhì)上屬于線性控制，因此對(duì)于具有很強(qiáng)非線性的對(duì)象來說，控制效果具有先天的不足。對(duì)于這種情況，就應(yīng)該采用具有非線性特性的控制 方法，以適應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)。 (1)模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器的原理框圖如圖 所示： 圖 模糊 PID 控制器結(jié)構(gòu) 從圖 可以看出，模糊推理過程為雙輸入三輸出系統(tǒng)。兩個(gè)輸入分別為系統(tǒng)誤差 E 以及誤差的變化率 EC，而輸出則為 PID 調(diào)節(jié)器的三個(gè)控制參數(shù) Kp、 KI 和 KD。 為了正確的控制輸出量，在本文中為 Kp、 KI 和 KD，根據(jù)這三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)過程的掌握，采用理論分析加實(shí)驗(yàn)“試湊”得到模糊 PID 控制規(guī)則： 在偏差較大時(shí)，為盡快消除偏差，提高響應(yīng)速度， KP 取大值， KI 取零；在偏差較1 0 1mZ1 2mZ2 3mZ3 Z S M B ( , , )mZ m P I D? ( , , )mK m P I D? de/dt 模糊 推理 PID 調(diào) 節(jié) 器 in e ﹣ + ec Kp KI KD out stop 受控 對(duì)象 15 小時(shí)，為繼續(xù)消除偏差，并防止超調(diào)過大，產(chǎn)生振蕩， KP 值要減小， KI 取小值；在偏差很小時(shí)，為消除靜差，克服大超調(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定， K P 值繼續(xù)減小， KI 值不變或稍取大一點(diǎn)。 最后經(jīng)精確化計(jì)算得到精確的控制值去控制被控制對(duì)象。描述輸入變量 E 和 EC以及輸出變量 Kp、 KI 和 KD 的語言集的模糊子集及其論域定義如下： E、 E C 和 K P 的模糊子集為： {N B（負(fù)大）， N M（負(fù)中）， N S（負(fù)小）， Z O（零）， P S（正?。?P M（正中）， P B（正大） }； KI 和 KD 只取正值，其模糊子集為： {Z O， P S， P M， P B}； (2)仿真試驗(yàn) 采用階越輸入作為激勵(lì)和最終輸出的目標(biāo)值，通過 PID 控制器和模糊 PID 控制器對(duì)相同輸入的響應(yīng)特性曲線來進(jìn)行二者之間的比較。通過運(yùn)行在 Matlab 中建立的模型，可以得到如圖 的響應(yīng)特性曲線。 圖 PID 響應(yīng)曲線 交流伺服電機(jī)智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 模糊 PID 響應(yīng)曲線 圖 為 PID 控制對(duì)階越輸入的響應(yīng)特性曲線，圖 為模糊 PID 控制對(duì)節(jié)約輸入的響應(yīng)特性曲線。從圖中可以看出，相對(duì)于 PID 控制來 說，模糊 PID 控制有著更快的反應(yīng)速度，并且沒有超調(diào)。這表明對(duì)于電液比例控制系統(tǒng)，采用模糊 PID 控制 [7]可以取得 更好的性能，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)電液比例控制系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確控制 。 1） PID 控制對(duì)階越輸入的響應(yīng)特性曲線； 2）模糊 PID 控制對(duì)節(jié)約輸入的響應(yīng)特性曲線。 模糊 PID 控制相對(duì)于數(shù)字 PID 控制有以下的優(yōu)點(diǎn)： a） KP、 KI 和 KD 三個(gè)參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)偏差 E 和偏差的變化率 EC 動(dòng)態(tài)變化，更符合控制當(dāng)中的規(guī)律和特性； b）控制精度高，反應(yīng)時(shí)間短，說明模糊 PID 的控制指標(biāo)優(yōu)于數(shù)字 PID。 基于參數(shù)自適應(yīng) 模糊 PID 控制器 根據(jù)載荷或截割電機(jī)電流的變化情況，常靠司機(jī)通過搬動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)手動(dòng)節(jié)流調(diào)速。這必然存在盲目、隨意性，而截割電機(jī)的超載和欠載會(huì)在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，不利于提高工作效率和可靠性。 (1)掘進(jìn)機(jī)恒功率控制通常是指當(dāng)掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，如果掘進(jìn)機(jī)上的電動(dòng)機(jī)功率超過其額定功率時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的速度控制，使電機(jī)負(fù)載減小，將電動(dòng)機(jī)的功率維持在額定功率以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)電機(jī)的控制系統(tǒng)如圖 所示。 17 圖 掘進(jìn)機(jī)電機(jī)恒功率控制系統(tǒng) (2)參 數(shù)自適應(yīng)模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)： 1）控制器的結(jié)構(gòu)組成：模糊自適應(yīng) PID 控制器以誤差 e(k)和誤差變化率 ec(k)作為 輸入，采用模糊推理方法對(duì) PID 參數(shù) kp、 ki、 kd 進(jìn)行在線整定，滿足不同時(shí)刻的 e(k)和 ec(k)對(duì) PID 參數(shù)自整定的要求。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 模糊 PID 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2） PID 控制參數(shù)自整定原則：通常， PID 控制器的控制算式為： ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) /P i du t K e t K e t d t K d e t d t? ? ?? 針對(duì)不同的 e 和 ec 人們總 結(jié)了一套 kp、 ki、 kd 的整定原則 : a)當(dāng) |e|較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的 kp 與較小的 kd，同時(shí)， 為避免系統(tǒng)相應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取 ki=0； b)當(dāng) |e|和 |ec|中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)， kp 應(yīng)取得小些。在這種情況 下， kd 的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得小一些， ki 的取值要適當(dāng)； c)當(dāng) |e|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能， kp 與 ki 均應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免 系統(tǒng)在設(shè)定值出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng) |ec|較大時(shí)， kd 應(yīng)取得小些，反之亦然。 (3) 系統(tǒng)構(gòu)成及主要硬件設(shè)計(jì) : 恒功率調(diào)速系統(tǒng)（見圖 ）從結(jié)構(gòu)上主要分為控 PID 調(diào)節(jié)器 數(shù)字液壓缸 截割電機(jī)電流檢測 de/dt 模糊化 模糊推理 EC ec e R 控制器 數(shù)字液壓缸 變頻裝置 牽引速度 截割電機(jī) 截割頭 負(fù)載傳感器 電流反饋 u0 u1 截割阻力力 截割功率基準(zhǔn) 交流伺服電機(jī)智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 制部分和執(zhí)行部分?？刂撇糠钟蓡纹瑱C(jī)、時(shí)鐘電路、通信 接口、鍵盤與顯示電路、光電耦合、電流檢測和報(bào)警電路組成，執(zhí)行部分為數(shù)字液壓缸。 圖 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 模糊 PID 控制器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 在直流調(diào)速系統(tǒng) [11]的控制器設(shè)計(jì)方法中，目前大多采用 PID 或 PI 控制技術(shù)。 PID 或PI 控制器的設(shè)計(jì)需要已知被控對(duì)象的精確模型，而且直流電機(jī)的非 線性和結(jié)構(gòu)參數(shù)易變化等特點(diǎn)使 PID 或 PI 參數(shù)整定比較麻煩。 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模糊控制以模糊集合論作為其數(shù)學(xué)基礎(chǔ) ,通過模糊邏輯和近似推理方法讓計(jì)算機(jī)把操作人員在實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)形式化、模糊化 ,并根據(jù)所得的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理 ,給出模糊決策 ,將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量 ,作為送到被控對(duì)象 ( 或過程 )的控制量。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模糊控制器 PID控制器 電流調(diào)節(jié)器 整流 裝置 直流 電機(jī) n ? dI － dedt ? u e 通信接口 時(shí)鐘電路 8255 參數(shù)顯示 鍵盤設(shè)定 單 片 機(jī) 液壓缸驅(qū)動(dòng)器 數(shù)字液壓缸 光電 媒介 逆變器 截割電 機(jī) 采樣保持 保 護(hù) 報(bào)警 信號(hào) 電源 原液器 電流檢測 19 直流調(diào)速系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) （ 1）直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)：電流環(huán) 設(shè)計(jì)中仍采用工程整定方法 ,電流環(huán)的主要性能是跟隨型 ,故電流環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成 I 型系統(tǒng) ,即把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成 PI 控制器。其傳遞函數(shù)為 : ? ?1iiACRiKTW TS?? （式 ） 式中 :Ki 為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ,τ i 為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 （ 2）直流調(diào)速系統(tǒng) [8]轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)： 1) 模糊控制器設(shè)計(jì) : 模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的智能控制 ,模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心 ,一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣 ,主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法、以及模糊決策的方法等因素。模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 模糊控制器的結(jié)構(gòu) 在模糊控制偏差 E 和控制量 U 均取為負(fù)大 (NB),負(fù)中 (NM),負(fù)小 (NS),零 (ZE),正小 (PS) ,正中 (PM),正大 (PB)。為了使響應(yīng)快速 ,偏差變化 EC 取負(fù) (N),零 (2E),正 (P)。偏差 E 和控制量 U 的模糊論域均為 [10,10],偏差變量域 EC 為 [1,1]。 E 和 U 的隸屬度函數(shù)為梯形和三角形 函數(shù) ,如圖 所示。 E 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫 推理機(jī) 模糊化 接口 解模糊 接口 知識(shí)庫 輸出 輸入 交流伺服電機(jī)智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 圖 E 和 U 的隸屬度函數(shù) 據(jù)直流電機(jī)起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的特點(diǎn)來確定模糊規(guī)則。 圖 控制規(guī)律 設(shè)轉(zhuǎn)速的變化如圖 所示 ,在 A 區(qū) ,轉(zhuǎn)速上升階段 ,偏差 E 及偏差變量 EC 為e=nNn0,ec=e2e10。被控量正向小于給定量 ,誤差由大變小。控制量則根據(jù)誤差變化量的范圍采用正大至正小 。在 B 區(qū) ,轉(zhuǎn)速超調(diào)階段 ,偏差 E 及偏差變量 EC 的大小為e=nNn0,ec=e2e10。偏差 E 由小到大 ,偏差變 量 EC 由大到小 ,為了抑制超調(diào) ,控制量 U 應(yīng)取負(fù)大到負(fù)中 。在 C 區(qū) ,轉(zhuǎn)速退飽和 ,此時(shí) e=nNn0,ec=e2e10。此時(shí)控制量 U 應(yīng)該根據(jù)偏差變量 EC 取負(fù)大到負(fù)小 ,當(dāng)轉(zhuǎn)速趨近給定值時(shí) ,控制量 U 取正小值 。同理可分析 D 區(qū)和 E區(qū) ,可得控制規(guī)則 ,如表 所示。 nN n A B C D E t 21 表 控制規(guī)則表 模糊推理采用 Mamdani’ s 規(guī)則 ,采用重心法進(jìn)行解模糊。 模糊 PID 控制器的性能分析 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件。因此，分析 系統(tǒng)的穩(wěn)定性并給出保證系統(tǒng)穩(wěn)定的措施，是設(shè)計(jì)一個(gè) 良好控制系統(tǒng)的首要前提。與經(jīng)典控制理論相比，模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論還不夠完善，而且模糊控制系統(tǒng)的表現(xiàn)形式也各不相同，同樣為理論分析增加了研究的難度。本文將針對(duì)機(jī)載光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題做初步探討。 (1)模糊控制穩(wěn)定性分析方法比較 模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法可以分為兩大類，一類是早期的沿用經(jīng)典控制理論的穩(wěn)定性分析方法，如李亞普諾夫方法、相平面法、描述函數(shù)法等；另一類是利用模糊集理論來分析模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如關(guān)系矩陣法、胞映射法 。 而根據(jù)定義，凡采用模糊控制器的系統(tǒng)稱為模糊控制系統(tǒng)。在模糊控制系 統(tǒng)中，控制對(duì)象也用模糊模型表示，則稱系統(tǒng)為純粹的模糊系統(tǒng)。對(duì)于混合模糊控制系統(tǒng) ,提供了兩種方法。其一，將混合模糊控制系統(tǒng)的控制對(duì)象變?yōu)槟：Ｐ捅硎?，從而問題轉(zhuǎn)化為對(duì)純粹模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可采用介紹的方法。其二，將控制器的模型變?yōu)榇_定性的模型，從而混合模糊控制系統(tǒng)變?yōu)槌Ｒ?guī)的控制系統(tǒng) ,進(jìn)而采用常規(guī)的方法來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 (2)利用描述函數(shù)法分析模糊 PID 控制器的穩(wěn)定 模糊控制器經(jīng)離線計(jì)算得到一張可在線查詢的控制表后，它可等效為一個(gè)多級(jí)繼電特性的非線性控制系統(tǒng)。若能求出該非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)， 而且控制對(duì)象又是線性的，那么通過繪制系統(tǒng)的奈魁斯特曲線就可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 本章小結(jié) 本章將模糊控制理論引入傳統(tǒng) PID 控制器中，利用模糊控制不依賴對(duì)象精確模型，能夠克服系統(tǒng)非線性、時(shí)變性的特性、加強(qiáng)了傳統(tǒng) PID 控制器的功能。同時(shí)本章也給出了模糊控制器中本身的一些缺點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究探討。 交流伺服電機(jī)智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制 (1)PID 控制 在一個(gè)典型控制系統(tǒng)中，對(duì)于任何一個(gè)時(shí)間控制系統(tǒng)而言，其控制對(duì)象和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是 固定的。為了滿足閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的性 能要求，只有通設(shè)計(jì)控制器 D(z)來實(shí)現(xiàn) (如圖 41)。 (2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖 43。其中： X X2?? Xn 為網(wǎng)絡(luò)的輸入； Y Y2??