模糊PID在直流電子負載中的應用

摘 要：針對直流電子負載傳輸特性易變、傳統PID系數整定困難，將模糊理論與PID控制相結合運用到直流電子負載中，實現了模糊控制靈活、適應性強、PID系數自整定和控制精度高穩定性好等特點。

關鍵詞：針對直流電子負載；模糊PID；研究分析

直流電子負載是利用電子元器件吸收電能并將其消耗的一種動態負載，其端口滿足歐姆定律，它可以模擬實際的負載，用來替代體積龐大且不便于調節的電阻類負載。在直流電子負載設計中一般采用傳統的PID控制方法。傳統PID結構簡單、穩定性好、工作可靠等優點，但在工業控制過程中，經常會出現一些復雜的系統，如系統具有大滯后、時變性、非線性等特性。對于這些復雜的系統，由于無法獲得準確的數學模型，使用常規的PID控制算法對上述系統進行控制時，往往因為難以整定其PID參數而無法達到預期的效果。將模糊理論應用于傳統的PID控制算法中，根據專家控制規則實現控制決策表，利用專家經驗實時調整PID控制器的控制參數能很好地解決由于系統的復雜性而無法獲得精確數學模型等問題。

1 模糊控制器的結構

模糊控制其基本思想是模擬人的思維方式進行控制決策，以語言變量和條件語句作為描述控制策略的基礎。通過計算機程序來實現自動控制過程，即模糊控制過程。模糊控制器是模糊控制系統中的核心部分，其結構如圖1所示。

模糊控制器由模糊化模塊、數據庫和規則庫構成的知識庫、模糊邏輯推理模塊和解模糊模塊組成。其基本原理是采用系統輸入偏差E和偏差變化率EC作為輸入語言變量，按照一定的模糊規則進行模糊推理，將模糊推理的結果轉化成精確的控制量。

2 模糊PID的結構及參數仿真

PID控制器的設計最重要的就是Kp，Ki，Kd三個參數的整定，是控制系統設計的核心。它是根據被控過程的特性來確定PID控制器的參數大小。但 PID控制器的參數整定是一件比較困難的事，一旦整定計算好后，在整個控制過程中都是固定不變的。在控制對象有很大的時變性和非線性的情況下，一組整定好的PID參數遠遠不能滿足系統的要求。而在實際系統中，由于系統狀態和參數等發生變化時，過程中會出現狀態和參數的不確定性，系統很難達到最佳的控制效果。模糊PID控制就是利用當前的控制偏差和偏差的變化率，結合被控過程動態特性的變化，根據控制要求或目標函數，建立用if-then產生式語句規則所表達的調整模型，對PID控制器的三個參數進行調整。模糊PID控制結構如圖2所示。

計算機根據所設定的輸入和反饋信號，計算實際位置和理論位置的偏差E以及當前的偏差變化Ec，并根據模糊規則進行模糊推理，最后對模糊參數進行解模糊，輸出PID 控制器的比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd。改變系統的不同狀態，得到的PID系數仿真如圖3所示。從仿真中可以看出，當系統的狀態函數發生變化時，模糊控制器根據模糊規則迅速推斷出新的PID系數，使系統迅速進入穩定狀態。

3 直流電子負載結構

直流電子負載系統主要包括：鍵盤模塊、電源模塊、L C D顯示模塊、MSP430控制模塊、和電流、電壓采集模塊組成。系統總體框圖如圖4所示。

其基本原理是基于反饋控制理論，當外部電流電壓發生變化時，通過MSP430內部的A/D轉換模塊進行電流電壓采集，LCD顯示設置的電流電壓和實測的電流電壓。MCU根據采集的數值進行模糊PID運算，自動調節PWM調制信號的占空比來控制N溝道大功率MOSFET的導通時間，實現對被測電流電壓的控制，實現恒流恒壓的電子負載特性。通過鍵盤設置恒定值和穩壓電源提供不同的端電壓，測得測試點電流數據如表1所示。

表1 恒流模式下模糊PID與PID測試數據表

從實測數據和仿真中可以看出常規的PID控制器在非線性時變，滯后較大的系統中魯棒性不強，控制效果不理想。而模糊PID控制器既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，又具有常規PID控制精度高的特點， 在工業控制中具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]王亮.基于模糊PID算法的電動機低速控制[J].機械制造與自動化，2011.

[2]王超.基于MATLAB的模糊PID控制系統的設計與仿真[J].電子世界，2013.