单片机模糊PID自整定控制算法的实现及仿真.docx

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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:

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

殆

INS

（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

（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

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：

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。

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