一种基于PCC的通用模糊控制器的设计.docx
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一种基于PCC的通用模糊控制器的设计
一种基于PCC的通用模糊控制器的设计
【摘要】研究基于可编程计算机控制器（PCC），采用离线计算、在线查表插值的方法实现通用模糊控制器的设计方法。
提出增量式/位置式模糊控制输出算法、带死区的模糊控制算法以及二元三点插值法来改善控制器的性能，通过控制表和在线部分直接下载到PCC的CPU模块中的方法，来满足通用性的要求。
这种PCC通用模糊控制器可作为控制系统的一部分，也可用于控制过程分析、仿真和开发模糊控制系统的工具。
【关键词】模糊控制、PCC
APCC-basedUniversalFuzzyControllerDesign
QirongLinhuiXieLiliLiYuren
Abstract：
Inthispaper,UniversalFuzzyControllerbasedontheProgrammableComputerController（PCC）module,achievesprefercontrolfunctionviathemethodofoff-lineinferenceandon-lineinterpolationbottomonLook-uptable.thearithmeticofincrement/positionandendupareafuzzycontroloutputandthemethodofdualitythreepointinterpolationareused,allofthisimproveitsperformancegreatly.Look-uptableisstoredasdatamodule.On-linepartisafunctionblockusedconveniently.Look-uptableandon-linepartareloadedintoCPUmodule.UniversalFuzzyControllerhascompletefunctionsandiseasytooperate.Soitcanbeusedasonepartoftheindustrialprocesscontroloravaluableassociatedsoftwareforanalyzingandsimulatingcontrolsystems.
Keywords：
Fuzzycontrol,PCC
1引言
新一代的可编程计算机控制器（ProgrammableComputerController，简称PCC）以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性已成为工业控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备，它能很好地解决工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
现代控制系统中的模糊控制能方便地解决工业领域中常见的非线性、时变、大滞后、强耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。
这两者的结合，能在实际工程应用中产生巨大价值。
基于PCC的通用模糊控制器是以纯软件实现的，对于PCC硬件模块除了最基本的硬件配置（CPU、应用程序内存地址区）以外不需要其他的额外配置。
此外，由于一般模糊控制器的设计是依据实际控制问题，设计出适合于一定被控过程的控制器，使之达到预定的目标，因而它的隶属函数、控制规则以及用于控制的其它数据一旦确定并输入到微处理器的存储器中，便不会再改变。
通用模糊控制器以通用化为目的，它必须可以根据用户的需要及实际的控制对象灵活地选择各模糊变量论域范围、变量子集、模糊推理和去模糊化的方法。
本文研究了基于新一代PCC产品开发通用模糊控制器的几种算法，用离线计算、在线查表插值的方法实现模糊控制。
为了满足不同执行机构对控制量形式的要求，采用增量式/位置式模糊控制输出的算法，在增量式模糊控制输出时，可实现手动与自动之间的无扰动切换。
为了消除由于频繁动作引起的振荡，采用了带死区的模糊控制算法。
此外，一般的在线查表模糊控制器中存在着模糊量化取整环节，即当误差E与误差变化率EC不等于模糊语言值（例如NB，NM，NS，ZO，PS，PM或PB）时，对E和EC取整，这时从查询表中查到的控制量U只能近似地反映模糊控制规则，因此产生误差。
由于量化误差的存在，不仅使模糊控制器的输出U不能准确地反映其控制规则，而且会造成调节死区，在稳态阶段，使系统产生稳态误差，甚至会产生颤振现象。
文中提出二元三点插值法可从根本上消除了量化误差和调节死区，克服由于量化误差而引起的稳态误差和稳态颤振现象。
图1给出了通用模糊控制器的基本组成结构。
图1
2基于PCC的通用模糊控制器的设计
2.1离线部分设计
离线部分的算法设计主要包括以下内容：
选择模糊输入、输出变量的论域范围及模糊变量子集类型；确定各模糊变量的隶属函数类型；精确输入、输出变量的模糊化；制定模糊控制规则；确定模糊推理算法；模糊输出变量的去模糊化；按所需的格式保存计算结果生成查询表。
实际应用中广泛采用的二维模糊控制器多选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化率EC作为输入变量，因为它已能够比较严格的反映受控过程中输入变量的动态特性，可满足大部分工程需要，同时也比三维模糊控制器计算简单，模糊控制规则容易理解。
对于多变量模糊控制器可利用模糊控制器本身的解耦特点，通过模糊关系方程分解，在控制器结构上实现解耦，即将一个多输入多输出（MI—MO）的模糊控制器，分解成若干个多输入单输出（MI—SO）的模糊控制器，这样就可采用单变量模糊控制器的设计方法。
本文研究了二维通用模糊控制器的设计。
为了便于由用户在线控制时决定是增量式输出还是位置式输出，输出变量取调节量的变化U，这也有利于通过对调节量变化U的调整，使系统偏差减少。
由于模糊控制器的控制品质受控制器输出方式的影响，对不同的受控对象提供位置式输出和增量式输出这两种选择方式。
位置式输出算法的缺点是输出的u（k）对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，会引起由于u（k）的大幅度变化而导致执行机构位置的大幅度变化。
如果采用增量式算法时，计算机输出的是控制增量Δu（k）对应的本次执行机构位置（例如阀门开度）的增量，图2为增量式输出模糊控制系统框图，阀门实际位置的控制量即控制量增量的积累u（k）=
是利用算式u（k）=u（k-1）+Δu（k）通过执行软件来完成。
图2
模糊控制算法的实现是通过模糊推理所得，但该结果是一个模糊矢量，不能直接用于控制被控对象，必须转换为一个执行机构可以接受的精确量。
将所有可能输入状态的非模糊输出以同样方法计算后形成如表1所示的查询表，该表以数据模块形式存入计算机程序中，当一组输入给定时，可由该表查出相应的输出值。
该方法将复杂的模糊计算融进查询表中，在实际使用时节省计算时间，并使控制变得简单明了。
表1表格形式的查询表
EEC
EC1
EC2
EC3
…
ECk2
E1
U11
U12
U13
…
U1k2
E2
U21
U22
U23
…
U2k2
Ek1
Uk11
Uk12
Uk13
…
Uk1k2
2.2在线部分设计
计算机离线运算得到的模糊控制器的总控制表经过系统在线反复调试、修改，最后以数据模块形式存入PCC系统内存中，由一个查询该表的子程序管理。
控制器的调节方式有手动和自动两种，输出方式有增量式和位置式输出两种。
如果输出方式选择为增量式输出，则可以实现手动调节方式到自动调节方式的无冲击切换。
2.2.1二元三点插值
在给定矩型域上n×m个结点（xi，yj）的函数值zij=z（xi，yj）其中i=0，1，…，n-1；j=0，1，…，m-1，在两个方向上的坐标分别为x0表1用函数形式表示为Uij=f（Ei，ECj）其中i=1，2，…，k1；j=1，2，…，k2。
设某个采样周期的输入为E、EC，则需求出U=f（E，EC）的值。
选取最靠近插值点（E，EC）的9个结点，其两个方向上的坐标分别为：
Ep二元三点插值公式U=f（E，EC）=
=
（1）
计算插值点（E，EC）处的函数近似值。
由公式1可知对于i=p，j=q的项
考虑到Ep、Ep+1、Ep+2是与E相邻的模糊数，ECq、ECq+1、ECq+2是与EC相邻的模糊数，则有
；
可分别表示E以Ep+1为基点时对于Ep的隶属度，E以Ep+2为基点时对于Ep的隶属度；同样有
；
可分别表示EC以ECq+1为基点时对于ECq的隶属度，EC以ECq+2为基点时对于ECq的隶属度。
由此可知
可看作是插值点（E，EC）对（Ep，ECq）的隶属度。
同样可计算出插值点（E，EC）对其它8个点的隶属度（i，j取其它值时ij的值）。
采用三元两点插值法运算相当于E与EC在其论域内的分档数趋于无穷大，这样不仅能够满足表1所给出的查询表制定的控制规则，而且还在控制规则表内的相邻分档之间以线性插值方式补充了无穷多个新的、经过细分的控制规则，更加充实完善了原来的控制规则，并从根本上消除了量化误差和调节死区，克服了由于量化误差而引起的稳态误差和稳态颤振现象，显著改善了系统的性能，尤其是稳态性能。
2.2.2带死区的模糊控制算法
为了避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作引起的震荡，带死区的控制算法是一个好的解决办法。
u=
上式中，死区e0是一个可调节的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。
若e0值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若e0值太大，则系统将产生较大的滞后。
带死区的模糊控制器构成的系统结构如图4所示，此控制系统实际上是一个非线性系统。
即当|e（k）||e0|时，模糊控制器输出为零；当|e（k）|>|e0|时，模糊控制器有适当的输出。
图4
3小结
基于PCC通用模糊控制器的设计采用了二维模糊控制结构，这种结构能确保系统的简单性和快速性。
它的输入为系统误差E和误差变化率EC，因此它具有类似于常规PD控制器的功能和良好的动态特性。
在实际应用中证实，系统响应速度快，超调量很小，稳态精度较高。
为了获得更好的静态性能，应加入模糊积分单元，构成PID模糊控制器。
参考文献：
[1]张天霞，林辉．无数学模型的控制系统设计．西北工业大学．2001．
[2]齐蓉．新一代可编程计算机控制器技术．西北工业大学出版社．2000.
[3]章为国，杨向忠．模糊控制理论与应用．西北工业大学出版社．1999.
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