【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擴(kuò)充，整 定 PID 參數(shù)的步驟如下 ，一般選為對(duì)象的純滯后時(shí)間的 1/10 以下。 b. 用上述采樣周期，僅讓控制器作純比例控制，逐漸增大比例系數(shù) KP 比 直至使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時(shí)的比例系數(shù) rK，再記下此時(shí)的振蕩周期 Q ?????0 20 2 ][ ])([ dte dtteADQ c. 求取采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。 d. 按得到的參數(shù)運(yùn)行，觀察運(yùn)行結(jié)果，用試湊法進(jìn)一步尋求滿(mǎn)意的數(shù)值。 （ 3） 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。它是將模擬控制器響應(yīng)曲線法推廣用來(lái)求數(shù)字 PID 控 制器參數(shù)，這個(gè)方法首先要試驗(yàn)測(cè)定開(kāi)環(huán)系統(tǒng)階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)曲線。 a. 斷開(kāi)控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下工作，人為地改變手動(dòng)信號(hào)，給被 控對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。 b. 記錄下響應(yīng)曲線。 b. 在響應(yīng)曲線最大斜率處作切線，求出等效純 滯后時(shí)間，相等效時(shí)間常 數(shù)，并求出它們的比值。 c. 根據(jù)所求得的值，得出采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí) 間常數(shù)。 d. 投入運(yùn)行，觀察控制效果，適當(dāng)修正參數(shù)，直到滿(mǎn)意。 以上是幾種 PID 參數(shù)的整定方法，比較繁瑣?，F(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)。 第三章模糊控制器設(shè)計(jì)方法 模糊邏輯控制過(guò)程 模糊控制的形成 一般而言模糊控制是建立在人的經(jīng)驗(yàn) 和常識(shí)的基礎(chǔ)上，這就是說(shuō)，操作人員對(duì)被控系統(tǒng)的了解不是通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是通過(guò)操作人員豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和常2021 自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 8 識(shí)。由于人的決策過(guò)程本質(zhì)上就具有模糊性，因此，控制動(dòng)作并非穩(wěn)定一致，且有一定的主觀性。但是，有經(jīng)驗(yàn)的模糊控制設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)對(duì)操作人員的控制的觀察和已操作人員的交談?dòng)懻?，用語(yǔ)言把操作人員的控制策略描述出來(lái)，以構(gòu)成一組用語(yǔ)言表達(dá)成一組定性的條件語(yǔ)句和精確的決策規(guī)則，然后利用模糊集合作為工具使其量化，設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，用形式化的人的經(jīng)驗(yàn)法則模仿人的控制策略，再用驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)復(fù)雜的過(guò)程進(jìn)行控制，形成模糊控制器。 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由一種模糊規(guī)則構(gòu)成的模糊系統(tǒng)可代表一個(gè)輸入、輸出的映射關(guān)系。從理論上說(shuō)，模糊系統(tǒng)可以逼近任意的連續(xù)函數(shù)。要表示從輸入到輸出的函數(shù)關(guān)系，模糊系統(tǒng)除了模糊規(guī)則外，還必須有模糊邏輯推理和解模糊的部分。模糊邏輯推理就是根據(jù)模糊關(guān)系合成的方法，從數(shù)條同時(shí)起作用的模糊規(guī)則中，按并行處理方式產(chǎn)生輸入量的輸出模糊子集，解模糊過(guò)程則是將輸出模糊子集轉(zhuǎn)換為非模糊的數(shù)字量。 X Y ? 模糊邏輯推理 圖 31 模糊控制器的方框圖 模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊邏輯控制器，模糊邏輯器一般 是靠軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)模糊控制的一般步驟如下。 （ 1）通過(guò)傳感器把要監(jiān)測(cè)的物理量變成模擬量，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確地?cái)?shù)字量，精確數(shù)字量輸入經(jīng)過(guò)模糊邏輯控制器，首先把這精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，這一步就是精確量的模糊化。 （ 2）根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)制定出模糊控制規(guī)則，并進(jìn)行模糊邏輯推理，以便得到一個(gè)模糊量的模糊輸出集合，即一個(gè)新的模糊隸屬函數(shù)，這一步為模糊控制規(guī)則的形成和推理，其目的是利用模糊輸入值獲取適當(dāng)?shù)碾`屬函模糊規(guī)則 1 模糊規(guī)則 2 模糊推理 解模糊 ky 模糊規(guī)則 n 模糊化 kx 2021 自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 9 數(shù)，這一步為模糊控制規(guī)則的形成和推理，其目的是利 用模糊輸入值獲取適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)則，為每個(gè)控制規(guī)則確定其適當(dāng)?shù)碾`屬度，并且通過(guò)加權(quán)計(jì)算合并那些規(guī)則的輸出。 （ 3）根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為控制量，這一步成為模糊輸出量的解模糊判決；其目的是把分布范圍概括合并成單點(diǎn)的輸出值，加到執(zhí)行器上實(shí)現(xiàn)控制。一般模糊控制系統(tǒng)的方框圖如下 43 所示 R E U Y 計(jì)算機(jī)控制 圖 32模糊控制系統(tǒng)的方框圖 對(duì)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中怎么設(shè)計(jì)和調(diào)整模糊控制器及其參數(shù)及其參數(shù)是一項(xiàng)很重要的工作。根據(jù)以上對(duì)模糊邏輯控制過(guò)程以及模糊控制系統(tǒng)的描述可知，設(shè)計(jì)模糊控制器主要包括以下以下幾項(xiàng)內(nèi)容： （ 1） 確定模糊控制器的輸入變量，輸出變量和論域。 （ 2） 確定模糊化和解模糊化的方法。 （ 3） 確定模糊控制器的控制規(guī)則及模糊推理方法。 （ 4） 量化因子及比例因子的選擇。 （ 5） 編制模糊算法的應(yīng)用程序。 （ 6） 系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)及參數(shù)的確定。 輸 入變量和輸出變量的確定 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。究竟選擇何種信息作為模糊控制系統(tǒng)變量，必須深入研究手動(dòng)控制過(guò)程中有經(jīng)驗(yàn)的操作人員主要根據(jù)哪些信息被控對(duì)象向預(yù)期目標(biāo)逼近。 人在進(jìn)行手動(dòng)控制過(guò)程中，操作者期望實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，一旦偏離目標(biāo)，出現(xiàn)偏差，操作者便根據(jù)偏差大小進(jìn)行調(diào)整。人的大小誤差的“大”和“小”，這些概念是模糊的。在整個(gè)手動(dòng)控制過(guò)程中，人能獲得的信息一般可以概括為三個(gè)：模糊控制器 D/A 被控對(duì)象 A/D 傳感器 2021 自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 10 誤差、誤差的變化和誤差的變化率。在手動(dòng)控制過(guò)程中。人對(duì)誤差、誤差的變化和誤差變化的 速率這三種信息的敏感程度是完全不同的。由于模糊控制器的規(guī)則往往是根據(jù)手動(dòng)控制的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的，因此模糊控制的輸入變量自然也有三個(gè)：誤差、誤差的變化和誤差的變化率；而輸出變量一般選擇為控制量或控制量的變化，即增量。 通常將模糊控制器的輸入變量個(gè)數(shù)稱(chēng)為模糊控制的維數(shù)，常見(jiàn)的模糊控制器結(jié)構(gòu)有三種形式。從理論上來(lái)講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制效果也越好，但是維數(shù)高的模糊控制器實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)維數(shù)低的要困難的多，人們通常使用的是二維模糊控制器。 論域的確定 模糊控制輸入信號(hào)（誤差、誤差變 化率）的實(shí)際范圍稱(chēng)為這些變化的論域，為了確定論域，首先應(yīng)該確定與整個(gè)設(shè)計(jì)相聯(lián)系的變量所對(duì)應(yīng)的范圍。這個(gè)選擇范圍應(yīng)該經(jīng)過(guò)細(xì)心推敲過(guò)得。例如指定的范圍太小，那正常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)就會(huì)在所定義的論語(yǔ)之外，由此所得的系統(tǒng)就可能受到影響。反之，定義的基本論域太大，就會(huì)對(duì)某些數(shù)據(jù)響應(yīng)遲鈍。這對(duì)某些具有飽和現(xiàn)象的系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題，但是在其他系統(tǒng)中就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。同樣每個(gè)輸出變量的論域范圍也應(yīng)該仔細(xì)推敲。一般而言，如果論域被定義的太大也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在這種情況下，控制器工作過(guò)程中的不使用區(qū)域就比較大。這個(gè)問(wèn)題在解模糊時(shí)就會(huì)更加明顯，因?yàn)?這極不均勻面積很大的隸屬函數(shù)就會(huì)使它在質(zhì)心法中產(chǎn)生較大的偏移，使其他與其交叉的隸屬函數(shù)的影響不適當(dāng)?shù)販p小。 為實(shí)現(xiàn)模糊控制器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，目前在實(shí)際中常用的處理方法是把誤差的變化范圍設(shè)定在【 6， +6】區(qū)間連續(xù)變化量使之離散化，以論域【 6,6】為例，構(gòu)成含有 13個(gè)整數(shù)元素的離散集合： {6， 5， 4， 3， 2， 1,0,1,2,3,4,5,6} 實(shí)際上如果是非對(duì)稱(chēng)型的也可用 [1,13]取代 [6,6]。 如上所述，實(shí)際系統(tǒng)的工作的精確輸入量的變化范圍一般不會(huì) 是在 [6,6]之間，如果其基本論域是在 [a,b]上的話(huà)，可以通過(guò)變換 )2(12 baxaby ???? 將在 [a,b]上變化的變量 x 轉(zhuǎn)換為 [6， +6]上變化的變量 y. 2021 自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 11 論域中的量是精確量。通?？梢远x誤差的基本論域?yàn)?[m,m]誤差變化的基本論域?yàn)?[n,n].模糊控制器的輸出信號(hào)（控制量）的實(shí)際變化范圍是控制量的基本論域，通常定義為 [],他也是精確量。 m,n,l 分別為正整數(shù)。為了確保各 模糊子集能具有較好的覆蓋率，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象，通常要求 7,6,6 ??? lnm 。從理論上來(lái)講，增加論域中的元素個(gè)數(shù)，可以提高控制精度，但也帶來(lái)了計(jì)算量增大，占用內(nèi)存增多等不利因素。 解模糊方法 與模糊化相反，解模糊時(shí)將模糊推理得到的結(jié)論轉(zhuǎn)換為作為控制器輸出的精確值 u的過(guò)程。常用的解模糊方法有如下幾種 (1)普通加權(quán)平均法 設(shè) }/)(,/)(,/)({2211 uuuuuu rruuuU ??模糊集，取 各隸屬度為加權(quán)系數(shù)，則控制量 U由下式?jīng)Q定?????? njjni iuuuuiuuU11)(]([ )( (2)權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法 ?????njjniiikukU11 其中權(quán)系數(shù) ik 的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選定。對(duì)模糊控制來(lái)說(shuō)，要改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，選取和調(diào)整有關(guān)的權(quán)系數(shù)是關(guān)鍵。 (3)μ≥ 加權(quán)平均法 )(。)()(11 ??????? uuuuiPjJpiiiuuuU 加權(quán)平均法比中位數(shù)法具有更好的性能，而中位數(shù)法的動(dòng)態(tài)性能要優(yōu)于加權(quán)平均法，靜態(tài)性能則略遜于加權(quán)平均法。在實(shí)際應(yīng)用中，究竟采用何種方法不能一概而論，應(yīng)視具體情況而定。 模糊控制規(guī)則 2021 自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 12 在經(jīng)驗(yàn)所獲規(guī)則不全面或根本沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的情況下，可采用以下的解析控制規(guī)則公式。 （ 1）簡(jiǎn)單的解析控制規(guī)則 在簡(jiǎn)單的模糊控制的算法中，可將誤差 e、誤差變化率 ec 和控制量 u之間的控制規(guī)則表達(dá)如下的解析公式： 2int eceu ??? 其中 int 表示取整。 （ 2）帶有一個(gè)可調(diào)英子的控制規(guī)則 從模糊控制規(guī)則的表達(dá)式可見(jiàn)，控制作用的大小取決于誤差和誤差的變化，并且對(duì)兩者采取同等重視。為了適應(yīng)不同的被控對(duì)象的性能要求，在式的基礎(chǔ)上引入一個(gè)調(diào)節(jié)因子 α，則可得到一種帶有一個(gè)調(diào)節(jié)因子的控制規(guī)則 ])1(i