单片机模糊PID自整定控制算法的实现及仿真.docx
《单片机模糊PID自整定控制算法的实现及仿真.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《单片机模糊PID自整定控制算法的实现及仿真.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
单片机模糊PID自整定控制算法的实现及仿真
单片机模WIPID自整定控制算法的实现及仿真
2008-10-2302:
27
0引言
由于液压何服系统的固有特11(如死区、泄漏、址尼系数的时变性以及负载干扰的存在),系筑往往会呈现典里的不确定性和非线性特性。
迪类系筑一股很难精确描述腔制对象的传递函数或状态方程,而常规的PID腔制Q难以取借良好的控制效果。
另外,单一的模需控制圖不需要精确的数学模塑,但是to极易在平产生小振帕振S,U而使整个腔制系貌不能拥有良好的动态晶质。
本文针对泄两种控*1的优缺点并结合模糊控制技术,探讨了液压何服系貌的模糊自整定PID控制方法,同时利用MATLAB软件提供的Simulink和FuzzyI具箱对液压伺服调节系筑的模糊自整定PID控制系真,并与常规PID腔制an
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,并在电液何服实验台上进行了測试,測试扯明:
该方法能使系貌的结构简单化,操作灵活化,并可增强可靠性和适应性,提高控JlfOfll鲁棒性,特别容易实现非线性化腔制。
1模MPID自整定控制器的按it
本腔制系貌主要完成数据采集、速度显示和速度控斟等功能。
其中智能模刪腔制由单片机完成,并采用规则自整定pid控制算法anu程控制。
整个系貌的核心是模糊控制器,AT89C51单片机是控制器的主体模決。
电液伺服系貌输岀的速度信号经传感器和A/D转换之后进人单片机,单片机刚根带输人的各种命令,并通过模腔制算法廿算腔制量,然后将输岀信号通11D/A转换送给液压何服系貌,从而腔制系貌的速度。
该模糊腔制器的硕件IB图血图1所示。
国I模糊挫制器硬件樞圉
模糊控制器的主程序色扌舌初始化、罐盘管理员腔制模快和显示模快的调用等。
温度信号的釆集、标I8变换、腔制算法以员速度显示等助能的实现可由各子程序完成。
軟件的主要流程是:
利用AT89C51单片机调A/D|专换、标度转換模快以得到速度的反彊信号,然后根据偏差和偏差的变化率廿算输人量,再由模刪PID自整定控制算法得岀输岀控制量。
启动、停止可通11建盘并利用外部中Bi产生,有按谜输人则调用巾斷服务程序。
该程序的流程图血图2所示。
因2廡糊控制筲理序控副流程
2模剧控胃!
S算法研究
果用模糊PID自整定控制的目的是使控制器能齡根扬实际悄况调整比例系数Kp、枳分系数Ki和傲分系数Kd,以达到凋节作用的实时最优。
该电液洞服系统的Fuzzy自整定PID控制系貌结构如图3所示。
B3模禰牠呦呂系统结构留
为了简It运算和满足实时性要求,即该调节系貌的基本控制仍为PID控制,但使PIDifil节参数由模刪自整定控制器根折偏差e和偏差变化率ec进行自动iH整,同时把模糊自整定控斟器的模需部分按Kp、Ki和Kd分成3部分,分别由相应的子推理器来实现。
2.1输入值的模勵化
模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的论域中»fiitit和廿算的,因而首先要将输人变量变换到相应的论域,并将输人数据转换成合适的培言值,也就是要对输人量2H亍模糊说。
给合本液压伺凰系筑的特性,这里选择模刪变量的模刪集隶加函数为正态分布,具体分布如图4所示。
根折该规则可把实际锲差e、锲差变化率ec(de/dt)对应的语言变量E、EC表示成模刪量。
E、EC的基本论域为[-6,+6],將其离散成13个等级KPI-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6]。
考虑到控制的精度要求,本设廿将卜6,+6]分为负大[NB]、负中[NM]、
负小[NS]、零[Z0]、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期变量。
2.2模10控制規JS表的建立
(1)Kp控制规剧毀廿
在PID控制器中,Kp值的选取决定干系貌的响应速度。
增大Kp能提高晌应速度,减小隐态误差;但是,Kp值过夫会产生较大的起调,甚至使系统不稳定减小Kp可以减小超调,提高稳定U,fflKpiJ小会减慢晌应速度,延长调节时间。
因此,调节初期应适当取较大的KpfflU提高响应速度,而在调节中期,Kp则蚁较小值,以使系统具有较小的起调并保证一定的晌应速度;而在嗚节11程后
期再将Kp值调到较大值来减小静差,提高控MffiBoKp的控制规则如表1所列。
表I心的模糊规则表
NB
NM
NS
Z0
PS
PM
PB
NB
PB
PB
PM
PM
PS
ZO
ZO
NM
PB
PB
PM
PS
PS
zo
NS
NS
PB
PM
PM
PS
zo
NS
NS
Z0
PM
PM
PS
Z0
NS
NM
NM
PS
PS
殆
Z0
INS
NS
NM
NB
PM
PS
Z0
NS
NM
NM
NM
NB
PB
Z0
Z0
NM
NM
NM
NB
NB
(2)Ki控當規剧设廿
在系藐腔制中,枳分控制主要是用来消除系貌的稳态误差。
由于某些原因(如饱和非线性等),枳分il程有可能在调节il程的初期产生枳分J8和,从而引起调节11程的较大超调。
因此,在调节过程的ffllUJ,为肪止枳分ififfl,其枳分作用应当弱一些,甚至可以取零;而在调节中期,为了避免影哨稳定性,其枳分作用应该比较适中;最后在11程的后期,则应增强枳分作用,以减小调节静差。
依扬以上分折,制定的Ki控制规则表如表2所列。
表2忆的摸糊规则裘
NB
NM
NS
zo
PS
PM
PB
NB
NB
MB
NM
NM
NS
zo
ZO
NM
NB
ZB
NM
NS
NS
zo
ZO
NS
NB
NM
NS
NS
ZO
PS
PS
zo
NM
NM
NS
ZO
PS
PM
PM
PS
NS
NS
ZO
PS
PS
PM
PB
PM
zo
ZO
PS
PS
PM
PB
PB
PB
zo
ZO
PS
PM
PM
PB
PB
(3)Kd控胃規!
IJ设廿
攒分坏节的调整主要是针对大愦till程引人的,攒分坏节系数的作用在于改变系貌的动态特性。
系统的徼分坏节系数能反映信号变化的趟势,并能在偏差信号变化太大之前,在系貌中引人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,消除振蒲.最终改变系貌的动态性能。
因此,Kdffl的选取对圳节动态特性影响很大°Kd值过夫,调节11程制动就会超前,致使调节时间11长;Kd值过小,调节过程制动就会落后,从而导致起圳增加。
根据实际过程经验,在调节初期,应加大攒分作用,逆样可得到较小甚至避免超调;而在中期,由干调节特性对Kdffl的变化比较啟感,因此,Kd值应适当小一些并应保持固定不变;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11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。
表3心的模糊规则表
A
NB
NM
NS
ZO
PS
PM
PB
NB
PS
NS
NB
NB
m
NM
PS
NM
PS
NS
NB
NM
NM
NS
zo
NS
zo
NS
NM
NM
NS
NS
zo
zo
zo
NS
NS
NS
NS
NS
zo
PS
zo
ZO
ZO
ZO
ZO
ZO
zo
PM
PB
NS
PS
PS
PS
PS
PB
PB
PB
PM
PM
PM
PS
PS
PB
2.3逆模fij化处理及输出量的廿算
对经过模糊控制规!
》表求得的Kp、Ki、Kd呆用重心法进行逆模刪化处理(重心法在此就不做详细介鉛)的公式如下:
k
u(/c)=K店伙)+K’T工e(f)+K^e(kyT
/=»
式中,U(k)为k果样周期时的输出,e(k)为k釆样用期时的偏差,T为果样周
期,通il输岀u(k)乘以相应的比例因子Ku就可得出耐的输出量%其公式如
T:
3实验结果分林
常規PID控制时通it调节PID三个参数,就可以得到系统比较理想的哨应图,
控初效果的优良与参数的圳整有很大的关系,也能提高快速11。
但三个参数的调整非常繁顼。
而且,如果系鋭坏境不Bi变化,则参数只必须进行重新调整,往往达不到最优。
而果用模湖PID控制后,通过模刪控制器对PID谨行非线性的参数整定,可使系貌无论是快速性方面还是稳定性方面都这到比较好的效果。
笔者将上述PID控制及模刪PID控制分别进ffTffil试验,实验分别在单独模糊PID控制悄况下和模刪PID控制两种情况下进行。
并在在线运行11程中通11迪辑规则的结果处理、查表和运算完成了对PID参数的在线自矫正。
系貌的偏差绝对値以及偏差的变化绝对值的IfiXffl可根据实际经验分别确定为卜0.1cm/
s,0.1cm/s】和卜0.06cm/s2,0.06cm/s2],U而确定相对控嗣效果较好时
Kp、Ki、Kd的取值X围为Kp[-0.3,0.3]、Ki[-0.06,0.06]、Kd[-3,3]o
传统PID和模刪PID实验所得的曲线分别如图5及图6所示。
从图中可以发
现,果用模糊控制策略整定PID参数相对于普通PID控斟策略,其系貌的稳态性
得到了较大的改善,响应时间大大减少,超调量也得到了一定的改善。
4结束培
实騎证明:
该单片机模MPID自整定控制器对于电液伺服控科系统具有较好
的效果。
实裁中可UffilKI程控制的具体悄况及对起调量、稳定性、响应速度的不同要求,来调整模制PID控初器三f参数的取值XI8,从而得到不同的腔制精度和腔制效果。
总之,本文研究的模fiUPID控制器貝有以下一些特自:
(1)算法简单实用,本质上不依頼干系筑的数字模里;
(2)可充分利用单片机的軟件资源,可靠性高,开发速度快;
(3)克服了传境PID控制器操作的困难,提高了系貌的智能化程度;
(4)模«PID控制器棒性好,貝有专家控制器的特自,并可推广应用干其它工作领域。