《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于模糊PID控制器的多電機同步控制裝置的應(yīng)用
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摘要: 該文把模糊控制算法和PID控制算法有機的結(jié)合起來,形成了模糊PID控制算法。該算法具有很強的自適應(yīng)性,它能夠根據(jù)外界條件的變化自動修正PID的控制參數(shù)。
Abstract:
Key words :

該文把模糊控制算法和PID控制算法有機的結(jié)合起來,形成了模糊PID控制算法。該算法具有很強的自適應(yīng)性,它能夠根據(jù)外界條件的變化自動修正PID的控制參數(shù)
1 設(shè)計思想  

其中:u(k)為第k次控制時控制器的輸出;
ec(k)為第k次控制時的偏差變化;
Kp(k)為第k次控制時控制器的比例系數(shù);
Ki(k)為第k次控制時控制器的積分系數(shù);
   d(k)為第k次控制時控制器的微分系數(shù);
u(k-1)為第k-1次控制時控制器的積分累和量,即
2 模糊PID控制器  



  如圖2—1所示,模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個重要組成部分。計算機根據(jù)所設(shè)定的輸入sp和反饋信號,計算實際位置和理論位置的偏差e(k)以及當前的偏差變化ec(k),根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理,接著對模糊參數(shù)進行解模糊,輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。此外,為了彌補一般模糊控制分檔造成的階梯變化,系統(tǒng)中解模糊輸出的并非控制器的實際參數(shù),而是控制器參數(shù)的修正量??刂破鞯膶嶋H參數(shù)為dKd0。其中Cp、Ci、Cd分別為比例修正系數(shù)、積分修正系數(shù)和微分修正系數(shù)。Kp0、Ki0、Kd0稱為控制參數(shù)初值,它們由用戶設(shè)定,因此,用戶可以對控制參數(shù)進行宏觀調(diào)節(jié),這在一定程度上可以彌補模糊推理在進行簡化時忽略參數(shù)之間耦合關(guān)系所造成的誤差。增強了系統(tǒng)的魯棒性。
  根據(jù)PID控制的基本特性,在不同的e(k)和ec(k)時,對Kp、Ki、Kd的要求也不同:
 ?。?)當|e(k)|很大時,要盡快消除偏差,提高響應(yīng)速度,Kp應(yīng)該取大一些。為了避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,Ki、Kd最好為零。
  (2)當偏差較小時,為繼續(xù)消除偏差并防止超調(diào)過大,產(chǎn)生振蕩,Kp應(yīng)減小,Ki可取較小值。Kd的值視|ec(k)|而定。
 ?。?)當e(k)與ec(k)同號時,被控量朝著偏離給定值的方向變化;而e(k)與ec(k)異號時被控量朝著接近給定值的方向變化。因此,當被控量接近給定值時,反號的比例作用阻礙積分作用,因而避免了積分超調(diào)及隨之帶來的振蕩,但被控量遠未接近給定值并向給定值變化時,則由于這兩項反向,將會減慢控制過程。在e(k)較大,ec(k)為負值時,Kp取負值,這樣可以加快控制的動態(tài)過程。
 ?。?)當ec(k)很大時,Kp應(yīng)該取小值,Ki取值應(yīng)大些,反之亦然。
  (5)微分環(huán)節(jié)主要用來控制偏差變化ec(k),減小超調(diào),克服振蕩,在多電機同步控制系統(tǒng)中,不希望速度發(fā)生快速變化,而且系統(tǒng)超調(diào)一般不會太大,所以在具體設(shè)計中并沒有對微分系數(shù)進行模糊控制,即Kd=Kd0、Cd=1。
  根據(jù)以上分析,把e(k)、ec(k)和Cp的論域分為15個等級,分別記作-7,-6,-5,-4,-3,…,+6,+7;把語言變量e(k)、ec(k)和Cp的取值分為“負大(NL)”、“負中(NM)”、“負?。∟S)”、“正大(PL)”、“正中(PM)、“正?。≒S)和“零(Z)”等7個語言值。隸屬函數(shù)根據(jù)上述規(guī)則和經(jīng)驗由主觀確定,推理規(guī)則采用“IFAANDBTHENC”的形式,模糊關(guān)系表示為:pk為第k條規(guī)則對應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣;Mek為第k條規(guī)則中偏差取值的模糊向量;Meck為第k條規(guī)則中偏差變化取值的模糊向量;,積分修正系數(shù)的計算過程與此類似,不再贅述。最后根據(jù)修正系數(shù)計算出實際的PID控制參數(shù),并運用到控制系統(tǒng)中去,使整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。
3 多電機同步控制的基本方案  



g為系統(tǒng)所設(shè)定的主令電機速度。n1、n2和n3為3臺電機的輸出速度,采用上述模糊PID控制的原理對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié),可使各電機的運行速度都快速穩(wěn)定地向主令速度值靠攏。
  同步控制裝置采用89C51單片機作為主機,以可逆計數(shù)器193作為相頻鑒別器。可逆計數(shù)器的作用是對參考信號的脈沖進行加/減計數(shù)。由于脈沖數(shù)是脈沖信號頻率對時間的積分,因此,當可逆計數(shù)器輸出為常數(shù)時,兩信號的頻率相等。系統(tǒng)的宏觀調(diào)控由上位機通過通訊控制器進行設(shè)定,協(xié)調(diào)則由計數(shù)器鑒頻電路利用模糊PID控制算法進行控制。具體的硬件電路[1]主要包括:傳感器計數(shù)和方向脈沖產(chǎn)生及定寬電路、脈沖前沿錯開電路、可逆計數(shù)器鑒頻電路、數(shù)字PWM產(chǎn)生電路以及功率放大器驅(qū)動電路。其中:脈沖產(chǎn)生定寬電路可以使計數(shù)器計數(shù)脈沖的寬度保持相同;脈沖前沿錯開電路是為了防止可逆計數(shù)器的加/減脈沖同時到來,影響計數(shù)器的正常工作。
4 模糊PID在多電機同步控制中的應(yīng)用  



  針對以上系統(tǒng)進行了一系列實驗。首先,測試了在外界負載不變的情況下,系統(tǒng)對不同主令速度的響應(yīng)能力。實驗曲線如圖4—1所示。粗實線為所設(shè)定的主令速度,細實線為在一般PID控制器控制的情況下,某電機的速度響應(yīng)曲線。較粗實線為在模糊PID控制器控制的情況下,同一電機的速度響應(yīng)曲線。
  其次,圖4—2給出的是系統(tǒng)主令速度不變,在有階躍響應(yīng)的作用以及電機所帶負載不同時,兩種控制器對電機的不同控制效果。其中圖4—2a是模糊PID控制器的控制效果;圖4—2b是一般PID控制器的控制效果。(細實線為電機滿載時的曲線,粗實線為電機半載時的曲線)
5 結(jié) 論  
  模糊PID控制器在多電機同步控制裝置中的應(yīng)用大大增強了系統(tǒng)的魯棒性,提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力,該裝置已經(jīng)在山東魯能承壓部件檢測機器人中得到應(yīng)用,幾個月來,運行情況穩(wěn)定,控制效果良好。

[參考文獻]
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