基于模糊位置控制器的研究＊PID

李旭偉

(海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室,浙江杭州310012)

基于模糊位置控制器的研究＊PID

李旭偉

(海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室,浙江杭州310012)

介紹了電液位置伺服控制系統(tǒng)的組成和工作原理.傳統(tǒng)PID控制器在受到外界干擾時(shí),容易導(dǎo)致過(guò)大的超調(diào)甚至引起震蕩,從而使得系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變差.針對(duì)此問(wèn)題,設(shè)計(jì)了結(jié)合PID控制和模糊控制優(yōu)點(diǎn)的模糊PID控制器.在MA TLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的PID控制器相比,該方法改善了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能,同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性.

模糊PID控制;仿真;Simulink

0 引言

PID控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱,當(dāng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型已知時(shí),PID控制就顯得特別有用.在實(shí)際應(yīng)用中,大多數(shù)工業(yè)過(guò)程都不同程度地存在非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性,采用傳統(tǒng)的PID控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的精確控制.本文將模糊控制與PID控制相結(jié)合,構(gòu)成模糊PID控制法,使其既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精度高的特點(diǎn)[1].

1 位置控制器的設(shè)計(jì)

1.1 電液位置伺服控制系統(tǒng)的組成

電液位置伺服系統(tǒng)組成如圖1所示,主要由控制器、放大器、伺服閥、液壓缸和位置傳感器組成.

圖1中R為給定值,Y為液壓缸輸出位移,經(jīng)過(guò)位置傳感變送器與給定值R作比較,產(chǎn)生誤差信號(hào).控制器內(nèi)預(yù)置的控制算法對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后控制伺服閥,伺服閥將放大器送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧y的閥芯位移,通過(guò)伺服閥的流量變化來(lái)控制液壓缸活塞的伸縮位移,驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向消除偏差的方向運(yùn)動(dòng).

1.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊PID控制算法以誤差E和Ec為輸入,利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改,以滿足不同時(shí)刻的E和Ec對(duì)PID參數(shù)的要求,輸出為Kp,Ki,Kd.其結(jié)構(gòu)如圖2所示[2,3].

該控制系統(tǒng)是一個(gè)兩輸入三輸出的形式,輸入變量為E和Ec,輸出變量為Kp,Ki和Kd,其調(diào)整原則為:

(1)當(dāng)誤差|E|較大時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能,不論誤差的變化趨勢(shì)如何,都應(yīng)該取較大的Kp和較小的Kd,同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對(duì)積分作用加以限制,取較小的Ki值.

(2)當(dāng)誤差|E|處于中等大小時(shí),為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào),Kp應(yīng)取得小些,同時(shí)為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度,Ki和Kd的大小要適中,其中Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大.

(3)當(dāng)誤差|E|較小時(shí),為保證系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能,Kp和Ki應(yīng)取得大些,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,當(dāng)|Ec|較小時(shí),Kd可取大些;當(dāng)|Ec|較大時(shí),Kd應(yīng)取小些.

1.3 隸屬度函數(shù)及模糊化

輸入變量E,Ec,Kp,Ki和Kd語(yǔ)言值的模糊子集取為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大},并簡(jiǎn)記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,1,2,3}.隸屬函數(shù)采用三角形函數(shù),其函數(shù)曲線如圖3所示.

根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),得到PID三個(gè)控制參數(shù)的模糊控制規(guī)則表,見(jiàn)表1～表3.

表1 Kp的模糊控制規(guī)則表

表2 Ki的模糊控制規(guī)則表

表3 Kd的模糊控制規(guī)則表

線運(yùn)行過(guò)程中,控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理和運(yùn)算,完成對(duì)參數(shù)的在線自校正.其工作流程圖如圖4所示.

2 MA TLAB/SIMUL IN K仿真和分析

2.1 系統(tǒng)仿真方塊圖

MA TLAB是當(dāng)今最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一,SIMUL IN K是MA TLAB軟件的擴(kuò)展,是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包[4～6].

基于MA TLAB/SIM UL IN K圖形化工具建立的模糊PID仿真模型如圖5所示:

2.2 仿真結(jié)果

運(yùn)行系統(tǒng)后,得到的仿真圖如圖6所示:

3 結(jié)論

模糊PID控制器將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合,在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加上模糊控制環(huán)節(jié),它將傳統(tǒng)的PID控制經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和模糊控制的靈活性、自適應(yīng)性相結(jié)合,比傳統(tǒng)PID控制具有更好的動(dòng)靜態(tài)性能和抗干擾能力.

[1]趙永娟,孫華東.基于Matlab的模糊PID控制器的設(shè)計(jì)和仿真[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(1):48～49,40.

[2]胡曉磊,喻俊志.一種新型模糊PID控制器在伺服系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電力電子技術(shù),2009,43(11):35～37.

[3]李曉豁,吳志強(qiáng).基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器的掘進(jìn)機(jī)恒功率調(diào)速系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(1):45～47.

[4]趙巖,張春晶.基于模糊PID控制器的汽車雨刮系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,32(02):179～180,188.

[5]廖力達(dá),王北戰(zhàn),章運(yùn)奇.自適應(yīng)模糊PID控制器的研究與應(yīng)用[J].建筑機(jī)械(上半月),2009(8):59～62,68.

[6]董瑞洪,梁磊,任旭鵬.溫度控制系統(tǒng)的無(wú)超調(diào)模糊——PID控制器設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(2):267～271.

Abstract:This paper introduces the composition and p rincip le of the electro-hydraulic position servo control system.The traditional PID controller w ill show bad dynamic and static state capability w hen a disturbance happens.The design of the Fuzzy-PID controller combining the advantages of PID control and fuzzy control w ith simulation by the Simulink software show s that the Fuzzy-PID controller has a better dynamic and static state performance than traditional PID controller.

Key words:fuzzy-PID control;simulation;Simulink

A Research of the Position Controller Based on Fuzzy-PID

L IXu-w ei
(Office of Navy M ilitary Rep resentatives in Hangzhou,Hangzhou 310012,China)

TP332

A

1009-1734(2010)02-0060-04

2010-03-10

李旭偉,工程師,從事機(jī)械與自動(dòng)化研究.