模糊_PID_自整定算法理解.pdf-资料库

BA_WANG_MAO 整理模糊 PID 自整定控制算法简单理解模糊控制 PID 的参数自调整原理：CPU 根据系统偏差（偏差＝给定－反馈），和偏差变化率（偏差变化率＝当前周期偏差－上周期偏差）查询相应的模糊控制表，得到 Kp，Ki，Kd 三个参数的整定值，然后进行 PID 运算，真正的运用到实际中也就是一张模糊控制查询表，然后就是查表了，也很简单，关键是表的建立还有专家经验的问题等。单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 1 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

BA_WANG_MAO 整理单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真作者：冯桂宁蒋翔俊引言由于液压伺服系统的固有特性(如死区、泄漏、阻尼系数的时变性以及负载干扰的存在)，系统往往会呈现典型的不确定性和非线性特性。这类系统一般很难精确描述控制对象的传递函数或状态方程，而常规的 PID 控制又难以取得良好的控制效果。另外，单一的模糊控制虽不需要精确的数学模型，但是却极易在平衡点附近产生小振幅振荡，从而使整个控制系统不能拥有良好的动态品质。本文针对这两种控制的优缺点并结合模糊控制技术，探讨了液压伺服系统的模糊自整定PID 控制方法，同时利用 MATLAB软件提供的 Simulink 和 Fuzzy 工具箱对液压伺服调节系统的模糊自整定 PID 控制系统进行仿真，并与常规 PID 控制进行了比较。此外，本文还尝试将控制系统通过单片机的数字化处理，并在电液伺服实验台上进行了测试，测试证明：该方法能使系统的结构简单化，操作灵活化，并可增强可靠性和适应性，提高控制精度和鲁棒性，特别容易实现非线性化控制。 1、模糊 PID 自整定控制器的设计本控制系统主要完成数据采集、速度显示和速度控制等功能。其中智能模糊控制由单片机完成，并采用规则自整定 PID 控制算法进行过程控制。整个系统的核心是模糊控制器，AT89C51单片机是控制器的主体模块。电液伺服系统输出的速度信号经传感器和 A／D 转换之后进入单片机，单片机则根据输入的各种命令，并通过模糊控制算法计算控制量，然后将输出信号通过 D／A 转换送给液压伺服系统，从而控制系统的速度。该模糊控制器的硬件框图如图 1 所示。单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 2 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

BA_WANG_MAO 整理模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用等。温度信号的采集、标度变换、控制算法以及速度显示等功能的实现可由各子程序完成。软件的主要流程是：利用 AT89C51单片机调 A／D 转换、标度转换模块以得到速度的反馈信号，然后根据偏差和偏差的变化率计算输入量，再由模糊 PID 自整定控制算法得出输出控制量。启动、停止可通过键盘并利用外部中断产生，有按键输入则调用中断服务程序。该程序的流程图如图 2 所示。 2、模糊控制器算法研究采用模糊 PID 自整定控制的目的是使控制器能够根据实际情况调整比例系数 Kp、积分系数 Ki 和微分系数 Kd，以达到调节作用的实时最优。该电液伺服系统的 Fuzzy 自整定 PID 控制系统结构如图 3 所示。单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 3 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

BA_WANG_MAO 整理为了简化运算和满足实时性要求，即该调节系统的基本控制仍为 PID 控制，但使 PID 调节参数由模糊自整定控制器根据偏差 e 和偏差变化率 ec 进行自动调整，同时把模糊自整定控制器的模糊部分按 Kp、Ki 和 Kd 分成 3 部分，分别由相应的子推理器来实现。 2.1、输入值的模糊化模糊自整定 PID 控制器是在 fuzzy 集的论域中进行讨论和计算的，因而首先要将输入变量变换到相应的论域，并将输人数据转换成合适的语言值，也就是要对输入量进行模糊化。结合本液压伺服系统的特性，这里选择模糊变量的模糊集隶属函数为正态分布，具体分布如图 4 所示。根据该规则可把实际误差 e、误差变化率 ec(de／dt)对应的语言变量 E、EC 表示成模糊量。E、EC 的基本论域为[-6，+6]，将其离散成 13 个等级即[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。考虑到控制的精度要求，本设计将[-6， +6]分为负大[NB]、负中[NM]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等 7 个语言变量，然后由 e、ec 隶属函数根据最大值法得出相应的模糊变量。单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 4 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

BA_WANG_MAO 整理 2.2、模糊控制规则表的建立（1）、Kp 控制规则设计在 PID 控制器中，Kp 值的选取决定于系统的响应速度。增大 Kp 能提高响应速度，减小稳态误差；但是，Kp 值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小 Kp 可以减小超调，提高稳定性，但 Kp 过小会减慢响应速度，延长调节时间。因此，调节初期应适当取较大的 Kp 值以提高响应速度，而在调节中期， Kp 则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将 Kp 值调到较大值来减小静差，提高控制精度。Kp 的控制规则如表 1 所列。 NB NM NS ZO PS NB 负大 PB 正大 PB 正大 PM 正中 PM 正中 PS 正小 NM 负中 PB 正大 PB 正大 PM 正中 PS 正小 PS 正小 PM ZO 零 ZO 零 PB ZO 零 NS 负小 NS 负小 PB 正大 PM 正中 PM 正中 PS 正小 ZO 零 NS 负小 NS 负小 ZO 零 PM 正中 PM 正中 PS 正小 ZO 零 NS 负小 NM 负中 NM 负中 PS 正小 PS 正小 PS 正小 ZO 零 NS 负小 NS 负小 NM 负中 NB 负大 PM 正中 PS 正小 PB 正大 ZO 零 ZO 零 ZO 零 NS 负小 NM 负中 NM 负中 NM 负中 NB 负大 NM 负中 NM 负中 NM 负中 NB 负大 NB 负大单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 5 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

BA_WANG_MAO 整理例如： PB ZO 零 NS 负小 NS 负小 NM 负中 NB 负大 NB 负大 NB 负大隶属度是什么，下面我举个例子说明一吓，例如我说 50 岁以下的不是老年人，70 岁以上的是老年人，那么 60 岁我应该怎样说些，应该说可能是老年人，也可能不是老年人，因为它对于 50 岁的隶属度是 50%，计算工式是(X-50)*0.05，对于 70 的隶属度是 50%，计算工式是(70-x)*0.05。（2）、Ki 控制规则设计在系统控制中，积分控制主要是用来消除系统的稳态误差。由于某些原因(如饱和非线性等)，积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。依据以上分析，制定的 Ki 控制规则表如表 2 所列。单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 6 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

BA_WANG_MAO 整理 NB NM NS ZO PS PM NB 负大 NB 负大 NB 负大 NM 负中 NM 负中 NS 负小 ZO 零 NM 负中 NB 负大 NB 负大 NM 负中 NS 负小 NS 负小 ZO 零 PB ZO 零 ZO 零 NS 负小 NB 负大 NM 负中 NS 负小 NS 负小 ZO 零 PS 正小 PS 正小 ZO 零 NM 负中 NM 负中 NS 负小 ZO 零 PS 正小 PM 正中 PM 正中 PS 正小 NS 负小 NS 负小 ZO 零 PS 正小 PS 正小 PM 正中 PB 正大 PM 正中 ZO 零 PB 正大 ZO 零 ZO 零 ZO 零 PS 正小 PS 正小 PM 正中 PB 正大 PB 正大 PS 正小 PM 正中 PM 正中 PB 正大 PB 正大 Ki 的模糊规则表（3）、Kd 控制规则设计微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快响应速度，减少调整时间，消除振荡．最终改变系统的动态性能。因此，Kd 值的选取对调节动态特性影响很大。Kd 值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；Kd 值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；而在中期，由于调节特性对 Kd 值的变化比较敏感，因此，Kd 值应适当小一些并应保持单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 7 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

BA_WANG_MAO 整理固定不变；然后在调节后期，Kd 值应减小，以减小被控过程的制动作用，进而补偿在调节过程初期由于 Kd 值较大所造成的调节过程的时间延长。依据以上分析，制定的 Kd 控制规则表如表 3 所列。 NB NM NS ZO PS PM PB NB 负大 PS 正小 NS 负小 NB 负大 NB 负大 NB 负大 NM 负中 PS 正小 NM 负中 PS 正小 NS 负小 NB 负大 NM 负中 NM 负中 NS 负小 ZO 零 NS 负小 ZO 零 NS 负小 NM 负中 NM 负中 NS 负小 NS 负小 ZO 零 ZO 零 ZO 零 NS 负小 NS 负小 NS 负小 NS 负小 NS 负小 ZO 零 PS 正小 ZO 零 ZO 零 ZO 零 ZO 零 ZO 零 ZO 零 ZO 零 PM 正中 PB 正大 NS 负小 PS 正小 PS 正小 PS 正小 PS 正小 PB 正大 PB 正大 PB 正大 PM 正中 PM 正中 PM 正中 PS 正小 PS 正小 PB 正大 Kd 的模糊规则表单片机模糊 PID 自整定控制算法的实现及仿真 8 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

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