基于DSP實(shí)現(xiàn)具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

4.3模糊自適應(yīng)整定PID控制策略

在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)被控測(cè)試對(duì)象參數(shù)未知，電子負(fù)載電源板和信號(hào)板上打規(guī)模的模擬器件的引進(jìn)，存在控制信號(hào)慣性滯后性，使得常規(guī)PID控制器往往不能達(dá)到理想的控制效果，為了進(jìn)一步提高PID控制的性能，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高性能指標(biāo)的控制要求，模糊PID控制就是針對(duì)控制信號(hào)時(shí)延而提出的，將傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，利用模糊邏輯對(duì)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以補(bǔ)償模擬器件延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響。因此，本系統(tǒng)引入模糊控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)模糊PID控制器，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電壓或電流值的變化，利用模糊控制規(guī)則自動(dòng)調(diào)整PID控制器的參數(shù)。電子負(fù)載系統(tǒng)信號(hào)板控制的核心部件是MOSFET，在恒定的漏源電壓下，它的漏極電流和柵源電壓成非線(xiàn)性變化，而且隨著漏源電流的變化導(dǎo)致MOSFET的溫升，其轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)處于變化的過(guò)程中。在PID控制器中引入智能控制算法，使電子負(fù)載控制精度進(jìn)一步提高，將對(duì)電子負(fù)載調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)DSP中，使DSP根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況，自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，成為具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器。

由于經(jīng)驗(yàn)不易精確的描述，控制過(guò)程中各種信號(hào)及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量的表示，模糊理論是解決這一難題的最好方法，運(yùn)用模糊控制規(guī)則，DSP根據(jù)電子負(fù)載系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，這就模糊自適應(yīng)PID控制。以誤差e和ec作為輸入，根據(jù)偏差e和偏差變化率ec的變化，利用模糊控制規(guī)則在線(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)的修改，通過(guò)公式

不斷地調(diào)整PID控制器中三個(gè)參數(shù)，以滿(mǎn)足不同時(shí)刻PID參數(shù)自整定的要求，其機(jī)構(gòu)如圖4.7所示。

由于設(shè)計(jì)的電子負(fù)載只用到P和I兩個(gè)參數(shù)，所以研究中，是在運(yùn)行中通過(guò)不斷的檢測(cè)e和ec，運(yùn)用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，對(duì)P和I兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)調(diào)試人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求及被控對(duì)象的實(shí)際情況來(lái)選定模糊控制器的輸入、輸出變量，選取變量的論域和隸屬度函數(shù)，建立合適的模糊規(guī)則表，通過(guò)查詢(xún)模糊矩陣表解模糊后進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。Kp和KI的模糊規(guī)則表見(jiàn)表4.3和表4.4.

（1）。輸入/輸出變量的論域在電子負(fù)載控制系統(tǒng)中，負(fù)載電流值偏差e和偏差變化率ec（以恒流高檔位為例），其實(shí)際論域（基本論域）分別為

設(shè)定值為6A，取偏差值e的基本論域?yàn)椋?0.04，0.04），偏差變化率ec的基本論域?yàn)椋?1，1）?？刂屏康幕菊撚?yàn)椋?1，1）。控制量的基本論域?yàn)?/p>

其基本論域的選擇（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值獲得）分別為：K*P∈（-0.035，0.035）和K*I∈（-1.35，1.35）。

在具體選擇模糊變量論域時(shí)，既要考慮到各模糊子集能夠很好地覆蓋論域，又要防止出現(xiàn)失控現(xiàn)象，同時(shí)又不能夠隨意地增加論域中元素的個(gè)數(shù)。如果論域中元素過(guò)多，雖然系統(tǒng)的控制精度得到提升但是卻大大地增加了DSP工作量可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行速度過(guò)慢。因此，選擇具體的模糊變量論域時(shí)，必須兼顧論域的覆蓋率及DSP的運(yùn)算能力，其實(shí)際值在本系統(tǒng)中為（-6，-5…0，1，…6）十三個(gè)等級(jí)。

（2）。量化因子和比例因子

通過(guò)模糊推理獲得的輸出不能直接作用于被控對(duì)象必須通過(guò)解模糊接口將其轉(zhuǎn)換為被控對(duì)象所識(shí)別的基本論域中。由前述可知系統(tǒng)控制量的基本論域?yàn)?/p>

，

則其比例因子Kup、Kui分別為：

獲得了比例因子之后，最終輸出給被控對(duì)象的任一實(shí)際控制值可以由下式求得：

其中K*P、K*I分別表示模糊控制器最終輸出給PID控制器參數(shù)的調(diào)整因子。

根據(jù)以上給出的公式及數(shù)據(jù)，可以分別求出本系統(tǒng)的量化因子和比例因子，Ke =150，Kec = 6，Kcp = 0.006，Kui = 0.225.輸入e和ec量化表如下表4.1所示。

（3）知識(shí)庫(kù)輸入、輸出變量的模糊子集選取為：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大（NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB），確定了模糊語(yǔ)言變量之后，接下來(lái)選擇各變量的隸屬函數(shù)。一般地，隸屬函數(shù)有三角形、高斯型、梯形等。對(duì)于隸屬函數(shù)的選擇，目前也沒(méi)有完整的定論可以說(shuō)明針對(duì)哪種控制對(duì)象使用何種隸屬函數(shù)是最優(yōu)的。因此，選擇隸屬函數(shù)一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或從計(jì)算簡(jiǎn)便上考慮。誤差和誤差變化率輸入、PID參數(shù)的輸出變量的隸屬函數(shù)均選取為三角形隸屬函數(shù)，統(tǒng)一使用下面隸屬函數(shù)圖4.8.

由隸屬函數(shù)表通過(guò)計(jì)算三角形的直線(xiàn)方程可以很方便的計(jì)算出各變量的隸屬函數(shù)表如下圖4.8所示。

表4.2所示。其中“B”表示任意的輸入、輸出變量。利用該隸屬函數(shù)表就可以直接求出已轉(zhuǎn)換到模糊論域中的輸入變量的模糊語(yǔ)言值。

規(guī)則庫(kù)的作用是用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則的，在進(jìn)行推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。模糊控制器的規(guī)則庫(kù)是以專(zhuān)家知識(shí)和手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，按照人的直覺(jué)推理所形成的一種語(yǔ)言表示形式。模糊規(guī)則一般由一系列的關(guān)聯(lián)詞連接而成，如if-then， else， also， end， or等，關(guān)聯(lián)詞必須經(jīng)過(guò)“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。建立模糊控制規(guī)則時(shí)遵從以下幾點(diǎn)原則。

a.系統(tǒng)剛投入工作時(shí)，偏差e較大，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，必須取較大的比例值，即模糊控制器輸出較大的K*P.同時(shí)，應(yīng)減小系統(tǒng)的微分作用，以防止系統(tǒng)的微分飽和，即模糊控制器輸出較小的K*i.

b. e*ec》0時(shí)。此時(shí)，偏差朝著絕對(duì)值增大的方向變化。當(dāng)系統(tǒng)處于跟隨狀態(tài)時(shí)（e與ec大小適中），此時(shí)模糊控制器應(yīng)輸出較小的K*P，中等大小的K*i.若此時(shí)絕對(duì)偏差較大，應(yīng)增大比例值，減小積分作用，即對(duì)系統(tǒng)采取較強(qiáng)的控制措施，改變誤差的變化方向。若絕對(duì)偏差較小，說(shuō)明系統(tǒng)的偏差不大，此時(shí)的控制的主要目的在于消除靜差，防止震蕩。因此，比例值取適中值，增強(qiáng)積分作用。

c. e*ec此時(shí)，偏差e與其變化率ec方向相反，說(shuō)明系統(tǒng)偏差朝著絕對(duì)值減小的方向變化。當(dāng)絕對(duì)偏差較小時(shí)，減小比例值，消除靜差、防止超調(diào)使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。若絕對(duì)偏差較大，則應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)比例值，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。取較小的積分值以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

將以上的分析結(jié)果與電子負(fù)載控制系統(tǒng)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，并用模糊語(yǔ)言描述就可以，形成下面K*P和K*i的模糊規(guī)則表，見(jiàn)表4.3和表4.4.

獲得了模糊控制規(guī)則表之后，通過(guò)馬丹妮模糊推理法及加權(quán)平均法（解模糊方法）在MATLAB中的模糊控制箱中可以直接求得模糊控制輸出查詢(xún)表，如表4.5所示。根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，DSP查表運(yùn)算對(duì)PID實(shí)施在線(xiàn)的調(diào)整。初始PI參數(shù)值設(shè)為K‘P =0.6，K’I =2.7.本文只給出表4.5是K*P的模糊輸出響應(yīng)表，K*i的同時(shí)由MATLAB動(dòng)態(tài)仿真工具箱生成。

最終的