虚拟模糊自整定PID调节器的设计及应用

虚拟模糊自整定P I D 调节器的设计及应用赵　旎,蒋健虎(洛阳工业高等专科学校,河南洛阳471003) 摘　要:针对传统P I D 控制器的一些问题,介绍一种基于P I D 参数模糊自整定的方法,并利用Lab V I E W 的模糊逻辑工具箱设计了虚拟模糊参数自整定P I D 调节器。

运行结果表明,该控制器具有较强的抗干扰能力和鲁棒性,有较好的动、静态控制精度。

关键词:模糊控制;自整定P I D ;LabV I E W ;模糊逻辑工具箱中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2007)01-0024-03Desi gn and Appli cati on of Vi rtual Fuzzy PI D Controllerfor Parameters Adapt ati onZ HAO N i,J I A NG J ian 2Hu(Luoyang College of Technol ogy,Luoyang 471003,China )Abstract:A i m ing at the p r oble m s of conventi onal P I D contr oller,a method of P I D 2contr ol with fuzzy self 2adjusting para meter is p r oposed .A virtual fuzzy P I D contr oller f or para meters adap tati on based on Labvie w and Fuzzy Logic f or T oolkit is designed .Results p r ove that the contr oller has str ong anti 2ja mm ing capacity,r obustness and fairly good accu 2racy in its static and dynam ic contr ol .Key words:fuzzy contr ol;P I D contr oller for para meters adap tati on;LabV I E W;fuzzy l ogic f or t oolkit1　引言P I D 控制器因为原理简单、使用方便、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用于工业过程控制。

但常规P I D 控制建立在精确数学模型之上,若环境变化,控制对象存在大惯性、非线性、大纯滞后、强干扰等特性,则用一组事先整定的P I D 参数实施控制难以达到很好的控制效果,尤其当对象参数变化超过一定的范围时,系统性能会明显变差,甚至超出许可范围[1]。

模糊控制可利用人的经验知识、技巧和直接推理,不依赖被控对象的精确数学模型,其应用愈来愈受到人们的关注。

然而,在一般的模糊控制系统中,由于通常以误差及误差的变化作为输入语言变量,其作用类似于P D 控制器,系统也存在难以消除的静差。

本文针对P I D 控制器参数不易在线自调整的局限,综合了标准P I D 控制算法和专家系统以及模糊控制的优点,提出了一种基于专家控制规则的P I D 控制算法。

它把模糊控制、专家系统以及P I D 控制器结合起来,利用专家系统的知识来修正P I D 参数,改变P I D 控制方式以达到最佳控制效果。

2　模糊自整定P I D 调节器的设计2.1　P I D 参数模糊自整定控制系统结构模糊自整定P I D 控制器由参数可调整P I D 控制器和模糊控制器两部分组成,其控制原理框图如图1所示[2]。

图1　P I D 参数模糊自整定控制系统结构图其设计思想是:P I D 控制器以三个控制参数与偏差e 和偏差变化率ec 作为输入量,通过模糊控制规则对P I D 参数进行在线修改以满足不同时刻偏差e 和偏差变化率ec 对P I D 参数自调整的要求。

在系统中,模糊控制器是设计的核心。

2.2　P I D 参数模糊自整定的原则P I D 调节器的控制规律为u (k )=k p e (k )+k i∑e (k )+k d ec (k )・42・仪表技术 I n strum en t a iti on Technology 2007年第1期图2　模糊自整定P I D .vi 式中:k p —比例系数;k i —积分系数;k d —微分系数;e (k )、ec(k )—偏差和偏差变化率。

系统的控制精度取决于控制算法中的系数k p 、k i 、k d 的取值,运行时根据误差e 和误差变化率ec 利用模糊控制规则在线对P I D参数进行修改。

根据P I D 参数的整定原则及专家经验,结合同类系统的操作规律及控制系统中不同误差情况下P I D 参数的调整方向规律,得到针对k p 、k i 、k d 三个参数的模糊控制调整表,见表1～表3。

表1　Δk p 的模糊控制规则表ecΔk peNB NM NS Z O PS P M P B NB P B P B P M P M PS Z O Z O NM P B P B P M PS PS Z ONSNS P M P M P M PS Z ONS NSZ O P M P M PS Z ONS NM NMPS PS PS Z ONS NS NM NMP M PS Z ONS NM NM NM NBP BZ OZ O NM NM NM NBNB表2　Δk i 的模糊控制规则表ecΔk ieNB NM NS Z O PS P M P B NB NB NB NM NM NS Z O Z O NM NB NB NM NS NS Z O Z O NS NB NM NS NS Z O PS PS Z O NM NM NS Z O PS P M P M PS NM NS Z O PS PS P M P B P M Z O Z O PS PS P M P B P B P BZ OZ OPSP MP MP BP B表3　Δk d 的模糊控制规则表ecΔk deNB NM NS Z O PS P M P B NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS Z O NS Z O NS NM NM NS NS Z O Z O Z O NS NS NS NS NS Z O PS Z O Z O Z O Z O Z O Z O Z O P M P B NS PS PS PS PS P B P BP BP MP MP MPSPSP B 系统误差e 、误差变化率ec 和输出参数output的模糊状态论域分成7个子模糊集:负大(NB ),负中(NM ),负小(NS ),零(Z O ),正小(PS ),正中(P M ),正大(P B )。

k p 、k i 、k d 的模糊控制规则表建立以后根据如下方法进行三个参数的自适应校正[4]:k p =k p +Δk p ,k i =k i +Δk i ,k d =k d +Δk d3　模糊自整定P I D 调节器的虚拟实现及实时控制试验结果分析 Lab V I E W 是美国国家仪器公司(N I )开发的专为数据采集、仪器控制、数据分析与数据表达设计的图形化编程环境,面向测试工程师而非专业程序员,编程非常方便,人机交互界面直观友好,具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点[5]。

LabV I E W 的模糊逻辑工具箱(Fuzzy Logic f or G Toolkit )用于设计基于规则的模糊控制器,主要应用领域为工业过程控制及专家系统[3]。

借助其提供的编辑器建立模糊控制器,其主要仿真程序如图2所示。

该模糊控制器用于控制一套储液系统,如图3所示。

水箱1是被控对象,水箱2用于储水,执行装置使用泵P,通过直流电机M 控制泵P 的转速以使水箱水位达到一定的高度,C 为计算机,阀1和阀2分别是水箱1的手动出水阀和进水阀。

使用超声波液位测量仪T 进行液位的测量,其输出信号为4～20mA 的直流电流信号,数据采集卡选用N I 公司的PC I 6024E 。

图3　储液系统示意图・52・2007年第1期 虚拟模糊自整定P I D 调节器的设计及应用被控对象水箱1受到的干扰主要来自于阀1的出水量,以阀2的进水量作为操纵量,其数学模型为:G (s )=49.5s +13e-1.5s该液位控制系统经调试运行后,其控制效果如图4所示,图中给出了常规P I D 控制与模糊P I D 参数自整定算法控制响应曲线的比较;图5是外加扰动时的响应曲线[6]。

图4　常规P I D 与模糊自整定P I D控制曲线图5　存在扰动时的响应曲线从运行结果可以看出,加入模糊算法的P I D 控制具有调节时间短,基本无超调量,稳态误差小,曲线平滑,在平衡点附近几乎无振荡,有较强的抗干扰性和鲁棒性[7]。

4　结束语虚拟模糊自整定P I D 调节器既发挥了模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点,又具有P I D 控制器的动态跟踪品质和稳态精度;同时也表明了LabV I E W 提供的模糊逻辑工具箱简单实用、功能强大,可以大大缩短模糊控制器开发时间;充分利用LabV I E W 图形化G 语言和其大量的库函数,可以高效率地开发工业模糊控制系统。

参考文献[1]刘金琨.先进P I D 控制MAT LAB 仿真[M ].北京:电子工业出版社,2004.[2]韩启纲,等.计算机模糊控制技术与仪表装置[M ].北京:中国计量出版社,1999.[3]Fuzzy Logic f or G Toolkit Reference M anual[Z ].Nati onalI nstru ments,1997.[4]蔡肯,李扬.基于N I 2Lab V I E W 的Fuzzy —P I D 控制器设计[J ].现代制造工程,2004,(6):99-100.[5]Lab V I E W U serManual[Z].Nati onal I nstru ments,1998.[6]代林,高迪驹.基于模糊控制系统的自整定P I D 参数控制器的设计[J ].自动化技术与应用,2005,(5):26-29.[7]邹振春,邓立新.参数自整定模糊P I D 控制恒压供水系统[J ].仪表技术与传感器,2005,(8):59-60.(郁红编发) 收稿日期:2006-05 作者简介:赵旎(1977—),女,河南洛阳人,讲师,硕士研究生,研究生产过程自动化等。

(上接第23页)CAN 消息的发送由CAN 控制器SJA1000根据CAN 协议自动完成,主控制器只需把要发送的消息送到SJA1000的发送缓冲区中,然后设置“发送请求标识位”即可完成。