【正文】 了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或是不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中也有PI和PD控制。這一方面是，由于PID控制器具有簡單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性；另一方面是，因?yàn)镻ID控制器允許工程技術(shù)人員以一種簡單而直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 PID控制的存在問題在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：例如，如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù)。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。其控制算法從傳統(tǒng)的模擬PID控制算法發(fā)展到當(dāng)今的數(shù)字PID控制在工程中的改進(jìn)算法。 模糊PID控制器 模糊控制模糊控制是以模糊集合論、模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)模糊控制原理。為克服常規(guī)PID控制器的不足，經(jīng)過長期的研究，提出了許多PID自適應(yīng)調(diào)整方案，其中采用模糊技術(shù)與PID結(jié)合構(gòu)成模糊PID是一種常用的控制方法。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題。模糊控制器是模糊控制理論的一個(gè)重要分支，也是一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的核心。使得我們?cè)诳刂祁I(lǐng)域中又向前邁進(jìn)了一大步。所以如何合理地應(yīng)用模糊控制器的非線性，設(shè)計(jì)合適的模糊PID控制器，這是亟需解決的問題，這關(guān)系到模糊PID控制器能否被廣泛地接受和應(yīng)用。一方面由模糊控制器構(gòu)造PID功能時(shí)形式多樣，另外模糊控制器本身有許多不確定性，所以如何才能使控制工程技術(shù)人員方便地根據(jù)控制要求，選擇相應(yīng)的控制器結(jié)構(gòu)是模糊控制器被廣泛應(yīng)用的前提。PID三參數(shù)具有明確的物理意義，對(duì)它們之間的相互關(guān)系及在響應(yīng)各階段的要求也已研究比較透徹，找到模糊PID控制器各參數(shù)和PID參數(shù)間的等效關(guān)系，根據(jù)控制要求調(diào)整模糊PID控制器參數(shù)，這也是今后研究的一個(gè)方向。雖然有些控制器結(jié)構(gòu)提出后，也做了穩(wěn)定性研究，但往往是針對(duì)特定的對(duì)象，沒有通用性。 單片機(jī) 單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，其作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。如果將8位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可分為：單片機(jī)的控索階段（19761978），單片機(jī)的完善階段（19781982），8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段（19821990），微控制器的全面發(fā)展階段（1990今）等四個(gè)階段。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。 （2）控制功能強(qiáng) 為了滿足對(duì)對(duì)象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 （4）易擴(kuò)展 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件。 （5）優(yōu)異的性能價(jià)格比 單片機(jī)的性能極高。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。 單片機(jī)的應(yīng)用由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。（2）單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用：機(jī)電一體化是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度。單片機(jī)將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。如打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、繪圖機(jī)、考勤機(jī)、電話以及通用計(jì)算機(jī)中的鍵盤譯碼、磁盤驅(qū)動(dòng)等。 （6）單片機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用：現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對(duì)講機(jī)等。 （8）單片機(jī)在汽車電子產(chǎn)品中的應(yīng)用：現(xiàn)代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運(yùn)行監(jiān)視器（黑匣子）等都離不開單片機(jī)。（10）單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用：單片機(jī)廣泛地用于各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺(tái)功能各異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。基于上述PID控制算法與單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)出此基于單片機(jī)的模糊PID控制器單片機(jī)在這里就相當(dāng)于大腦，PID控制算法就是單片機(jī)的靈魂。 可行性分析PID控制發(fā)展至今已經(jīng)有智能PID控制、模糊PID控制、自適應(yīng)PID控制、參數(shù)自整定PID控制等，PID控制器的精髓在于其控制算法。PID控制器作為控制系統(tǒng)的控制器已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，但是無論怎樣單一的PID控制有其自身的不足，這就要求我們對(duì)其進(jìn)行完善。單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其具有計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和模糊PID控制算法的結(jié)合，有一些領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了基于單片機(jī)的模糊PID控制器，例如：在水壓，鍋爐，溫度等領(lǐng)域，這些模糊PID控制器作為控制回路的靈魂。我們把模糊控制、PID的控制算法和當(dāng)今最新的、性能較好的單片機(jī)結(jié)合在一起，更好的發(fā)揮他們的作用。第三章 模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器的結(jié)構(gòu) 一維模糊控制器的輸入語言變量為被控量和給定值的偏差，動(dòng)態(tài)控制性能不佳，控制效果不能令人滿意。二維模糊控制器輸入語言變量為被控量與給定值的偏差和偏差變化率，能夠較全面嚴(yán)格地反映被控過程的動(dòng)態(tài)特性，因此控制效果比一維模糊控制器好。三維模糊控制器輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量、偏差變化率和偏差變化率的變化率。因此，本設(shè)計(jì)中采用二維模糊控制器，結(jié)構(gòu)如圖31所示。模糊化模糊算法模糊判決模糊控制器圖32　　模糊控制系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)圖模糊化接口推理機(jī)清晰化接口知識(shí)庫模糊控制器數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫控制量u偏差圖33　　模糊控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖模糊控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖33所示。（1）模糊化接口完成從偏差e及偏差的變化率ec的精確值到模糊量的量化、模糊化過程。量化模糊化 （31）模糊化的原理：人習(xí)慣于把事物分成三個(gè)等級(jí)，例如：大、中、小和快、中、慢等，一般選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)。偏差、偏差變化率及控制量的實(shí)際變化范圍叫做這些變量的基本論域，模糊化后，與基本論域?qū)?yīng)的是模糊論域。數(shù)據(jù)庫存放所有輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值。規(guī)則庫用來存放全部模糊控制規(guī)則，在推理時(shí)為推理機(jī)提供控制規(guī)則。通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如if、then、else、also、and、or等。當(dāng)誤差為負(fù)而誤差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身已有減小誤差的趨勢(shì)，為盡快消除誤差且又不引起超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。當(dāng)誤差為負(fù)小時(shí)，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，若誤差變化為負(fù)，選取控制量為正中。當(dāng)誤差為正時(shí)，控制思想與此基本相同，僅符號(hào)相反。模糊推理 （32）模糊推理也叫模糊決策，有多種實(shí)現(xiàn)方法，如基于模糊關(guān)系矩陣的Mamdani推理合成法，Mamdani直接推理法，拉森推理法，Baldwin推理法，模糊推理直接法，精確值直接推理法，強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法等。查表法模糊決策：推理合成法中的模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行模糊決策，在每次求實(shí)時(shí)輸出時(shí)必須進(jìn)行合成運(yùn)算，模糊決策所得的模糊子集還必須經(jīng)過模糊判決才能獲取控制量量化值，這將耗費(fèi)大量的計(jì)算、判斷時(shí)間，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)將是不允許的，而查詢表法可以較好地解決這些問題。在實(shí)時(shí)控制時(shí)，模糊控制器首先將采樣得到的輸入量(偏差、偏差變化)量化到輸入量語言變量模糊論域中，再根據(jù)量化的結(jié)果去查查詢表，得出控制量的量化值。（4）清晰化接口把由模糊推理所得到的模糊輸出量，轉(zhuǎn)變?yōu)榫_控制量。模糊判決反量化 （33） 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟（1）模糊判決（基于控制U隸屬函數(shù)賦值表）經(jīng)過模糊推理得到的控制輸出，是一個(gè)模糊隸屬函數(shù)或模糊子集。常用的方法有：最大隸屬度法；加權(quán)平均法；重心法；中位數(shù)法。（2）精確量的模糊化 語言值選?。篘B，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL。但太多可能使控制變得復(fù)雜，編程困難，占用存儲(chǔ)量大；分檔太少，規(guī)則變少，效果較差。增加論域中元素的個(gè)數(shù)，可提高控制精度，但增大了計(jì)算量，且模糊控制效果的改善不顯著。（3）量化因子的確定量化因子Ke及Kec的大小對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響很大。因?yàn)閺睦碚撋现v，Ke增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，因此導(dǎo)致上升時(shí)間變短，但由于出現(xiàn)超調(diào)，使得系統(tǒng)的過渡過程變長。Kec選擇越大系統(tǒng)超調(diào)越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。③量化因子Ke和Kec的大小意味著對(duì)輸入變量誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，二者之間也相互影響，在選擇量化因子時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)。輸出比例因子Ku的大小也影響模糊控制系統(tǒng)的性能。輸出比例因子Ku作為模糊控制器的總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，通過調(diào)整Ku可以改變對(duì)被控對(duì)象輸入的大小。表31 量化因子、比例因子對(duì)系統(tǒng)性能的影響評(píng)價(jià)性能Ki值系統(tǒng)超調(diào)過渡過程時(shí)間Ke選大增大較長選小無長Kec選大無長選小很大長Ku選大負(fù)超調(diào)大于正超調(diào)長選小無較長量化因子和比例因子的確定有個(gè)一般的公式：Ke=n/e(max)，Kec=m/ec(max)，Ku=u(max)/l。e(max)，ec(max)，u(max)分別為誤差，誤差變化率，控制輸出的論域。所以根據(jù)公式計(jì)算后再采用湊試法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先確定Ku，這個(gè)直接關(guān)系著輸出是發(fā)散的還是收斂的。最后確定Kec。一般可選用三角形、梯形隸屬函數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)表達(dá)和運(yùn)算較簡單，所占內(nèi)存空間小，在輸入值變化時(shí)，比正態(tài)分布或鐘形分布具有更大的靈敏性，當(dāng)存在偏差時(shí)，能很快反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的調(diào)整量輸出。但當(dāng)系統(tǒng)的誤差較大時(shí)，多采用高斯型。在偏差較小或接近于0的區(qū)域，采用高分辨率的隸屬函數(shù)的模糊子集；而偏差較大時(shí)采用低分辨率的隸屬函數(shù)的模糊子集，可獲得較好的魯棒性。因此在確定某一語言變量模糊子集的個(gè)數(shù)時(shí)，應(yīng)使論域中任何一個(gè)元素對(duì)這些模糊子集的隸屬度最大值不能太小，否則會(huì)在這些點(diǎn)附近出現(xiàn)不靈敏區(qū)而造成失控，使系統(tǒng)性能變壞。（6）控制規(guī)則的確定模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，控制規(guī)則是人們對(duì)受控過程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，控制器的性能很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確定及其可調(diào)整性。由于被控過程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素的影響，造成模糊控制規(guī)則或者粗糙或者不夠完善，都會(huì)不同程度地影響控制效果。（7）模糊邏輯控制算法設(shè)計(jì)模糊邏輯控制算法一般可分成：查表法、公式法（解析式法）、推理算法等。 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)模糊控制本質(zhì)（機(jī)理）分為單一型和復(fù)合型。本設(shè)計(jì)中要設(shè)計(jì)的模糊PID控制器就屬于復(fù)合性模糊控制器。模糊控制PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖34所示。輸入各個(gè)語言值的定義分別由高斯形隸屬函數(shù)曲線來描述。②當(dāng)|E|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)較小，Kp應(yīng)取小些。③當(dāng)|E|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，Kp與Ki均應(yīng)取大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取Kd值。當(dāng)|Ec|較大時(shí)，Kd取較小值；當(dāng)|Ec|較小時(shí)，Kd取較大值。根據(jù)PID的整定原則，得出Kp、Ki、Kd的模糊控制表如表3334所示。增大Kp能提高響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但Kp過小會(huì)減慢響應(yīng)速度，延長調(diào)節(jié)時(shí)間。Kp的控制規(guī)則如表32所示。由于某些原因(如飽和非線性等)，積分過程有可能在調(diào)節(jié)過程的初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過程的較大超調(diào)。依據(jù)以上分析，制定的Ki控制規(guī)則表如表33所列。系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)系數(shù)能反映信號(hào)變化的趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，消除振蕩．最終改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。Kd值過大，調(diào)節(jié)過程制動(dòng)就會(huì)超前，致使調(diào)節(jié)時(shí)間過長；Kd值過小，調(diào)節(jié)過程制動(dòng)就會(huì)落后，從而導(dǎo)致超調(diào)增加。依據(jù)以上分析，制定的Kd控制規(guī)則表如表34所列?？筛鶕?jù)被控對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整PID的三個(gè)控制參數(shù)的取值。各個(gè)語言值的定義分別由三角形隸屬函數(shù)曲線來描述。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢?；? （36）公式中，其中、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。比例來控制當(dāng)前，誤差值和一個(gè)負(fù)常數(shù)P（表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加。這種控制器輸出的變化與輸入