基于Fuzzy-PID控制的程控電流源設計

范山東，崔師明

(1.黑龍江科技學院電氣與信息工程學院，黑龍江哈爾濱 150027;2.黑龍江林業高級技術學院，黑龍江綏化 152061)

電流源在儀器儀表標定、校驗、設備檢測中應用廣泛，為了便于電流的設定與調節，實際的電流源都是通過壓控變換電路實現，通過調節輸入電壓控制輸出電流的大小。一般都是采用開環控制，即利用微處理控制電路，經D/A轉換器和V/I轉換電路來實現。系統框圖如圖1所示。

圖1 程控電流源開環電路

這種實現方法是一種開環式的，通過調節輸入電壓手動調節輸出電流的大小，但這種地阿牛的輸出效果系統并不知道，造成電流的輸出精度不高，無法達到高精度要求。為此，在傳統開環電路基礎上利用控制系統中的反饋控制，給電路加上反饋電路，軟件上利用積分分離PID算法實現輸出電流的精確控制［1-2］。

1 硬件設計

系統利用STC89C52單片機將被預置的電流通過換算由TLC5615進行D/A轉換，實行電壓輸出，并驅動V/I轉換實現電流輸出，同時將該電流值對應的電壓通過閉環回路，經信號處理電路，用高精度的采樣電阻進行電流采樣，利用ADC0832進行A/D轉換輸入單片機系統組成閉環負反饋，單片機系統通過PID算法調整電流輸出，并驅動顯示電路顯示當前電流值。具體電路如圖2所示。

2 模糊PID控制器的設計

系統硬件電路的設計使得整個電路構成一個閉環，為PID算法的實現提供了硬件基礎。PID控制工業上很早應用的一種經典的控制策略，PID控制算法簡單、可靠性高、魯棒性好，被廣泛應用到過程控制中。但它對具有非線性(飽和、時延、回程等)和不確定性等特征的系統很難達到預期效果。

2.1 系統的控制原理圖

在本系統中采用模糊與PID算法相結合的Fuzzg-PID控制，控制原理圖如圖3。

圖2 系統硬件原理圖

圖3 Fuzzy-PID控制器的原理圖

模糊推理過程為兩輸入三輸出的系統。兩個輸入分別為系統誤差E和誤差的變化率EC，輸出為PID的三個控制參數 Kp，Ki和 Kd。

2.2 模糊控制規則庫和隸屬函數的設計

模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表。本文選用工程上最常用的線性控制規則庫(表1)和標準三角形隸屬函數［-1，1］(圖4)。將模糊化后的輸入變量 E，E分為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大七個模糊集合，分別表示為表1 中的 NL，NM，NS，ZR，PS，PM，PL。

Kp的語言變量為:{NB，NM，MS，O，PS，PM，PB}

Ki的語言變量為:{NB，NM，MS，O，PS，PM，PB}

Kd的語言變量為:{NB，NM，MS，O，PS，PM，PB}

E 和 EC的論域均為:{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

Kp，Ki，Kd的論域均為:{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

表1 線性控制規律庫

PS NM NS ZR PS PM PL PL ZR NL NM NS ZR PS PM PL NS NL NL NM NS ZR PS PM NM NL NL NL NM NS ZR PS__NL NL NL NL NL NM NS ZR

圖4 輸入和輸出變量的隸屬函數

PID參數模糊整定就是找出PID三個參數與誤差E和誤差變化率EC之間的模糊關系，運行中通過不斷檢測E和EC，由模糊控制原理對三個參數進行實時修改，以用來滿足不同E和EC對控制參數的不同要求，以致使被控制對象有良好的動、靜態性能［3］。

2.3 模糊控制查詢表

利用m文件生成模糊控制查詢表，整理后的模糊控制查詢表如表2、表3和表4所示:

表2 Kp模糊控制查詢表

表3 Ki模糊控制查詢表

表4 Kd模糊控制查詢表

1 -3-2-2-1-1 1 2 2 3 4 4 5 5 2 -3-2-2-1 0 2 3 3 3 4 4 5 6 3 -1-1-1 1 2 2 3 4 4 4 5 5 6 4 0 1 0 2 3 3 3 4 4 5 6 6 6 5 1 1 1 2 3 3 4 4 4 5 6 6 6 6 0 1 0 2 3 3 4 4 4 5 6 6 6

2.4 系統仿真

用上述方法分別設計PID，FLC和Fuzzy-PID控制器，FLC和Fuzzy-PID的模糊控制規則庫和輸入輸出變量隸屬函數與2.2條相同。下面是三種控制器的性能比較，和Fuzzy-PID控制器在三種參數的性能比較［5］。

a)三種控制器的參數設計為:1)PID:Kp=0.4，Ki=0.09，Kd=0.5;2)FLC:Kp=1，Ki=0.45，Kd=2.4;3)Fuzzy-PID:Kp=0.7，Ki=0.2，Kd=0.6;在單位階躍信號輸入下，三種控制系統的仿真結果如圖5所示。

圖5 三個控制系統的仿真

b)三種參數下的Fuzzy-PID控制器的響應曲線:1)Kp=0.5，Ki=0.1，Kd=0.5;2)Kp=0.65，Ki=0.12，Kd=0.6;3)Kp=0.45，Ki=0.12，Kd=0.5;在單位階躍信號輸入下，其響應曲線如圖6所示。

圖6 三組參數下Fuzzy-PID系統的響應線

2.5 仿真結果分析

在單位階躍信號輸入下，三種控制系統的仿真結果如圖5所示，可見，Fuzzy-PID控制系統和 PID，FLC系統一樣，在單位階躍輸入下為無差系統，且具有較好的動態品質。它的優點是與PID相比，其初始能量較小;與FLC相比，Fuzzy-PID的響應更快，上升時間更短。而在三種參數下的Fuzzy-PID控制器的響應曲線如圖6所示，從圖6上可見第二組數據綜合性能最好，響應速度快又無超調。

3 結論

根據仿真結果分析，確定Kp=0.65，Ki=0.12，Kd=0.6時系統的性能最好。該程控電流源的性能指標為:量程0～2 A，電流調整精度＜0.4 mA，誤差＜0.1%，穩定時間＜4 s，系統響應曲線如圖6所示。采用Fuzzy-PID控制器設計系統，比傳統的PID控制的電流源在控制精度上更高，對于系統出現的非線性因素有很好的抑制作用，魯棒性更好。如果想進一步獲得更理想的參數，可以利用遺傳算法對對參數進行細調和優化。

［1］劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真［M］.3版.北京:電子工業出版社，2008.

［2］Koksal Erenturk.Matlab-based GUIS for fuzzy logic controller design and applications to PMDC motor and AVR control［J］.Comput Appl Eng Educ，Wiley Peri-odicals Inc，2005，(13):10-25.

［3］王琦.精密程控電流源的設計及應用［J］.國外電子元器件.2005，(10):30-34.

［4］苗敬利.模糊控制和傳統PID控制的仿真研究［J］.微軟計算機信息，2003，(07).

［5］沈偉.模糊控制在工業控制系統中的應用［J］.管道與技術設備，2003，(5).