单片机模糊PID自整定控制算法的实现及仿真Word文档下载推荐.docx

1、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，并在电液伺服实验台上进行了测试，测试证明：该方法能使系统的结构简单化，操作灵活化，并可增强可靠性和适应性，提高控制精度和鲁棒性，特别容易实现非线性化控制。1 模糊PID自整定控制器的设计本控制系统主要完成数据采集、速度显示和速度控制等功能。其中智能模糊控制由单片机完成，并采用规则自整定PID控制算法进行过程控制。整个系统的核心是模糊控制器，AT89C51单片机是控制器的主体模块。电液伺服系统输出的速度信号经传感器和AD转换之后进入单片机，单片机则根据输入的各种命令，并通过模糊控制算法计算控制量，然后将输出信号通过DA转换送给液压伺服系统

2、，从而控制系统的速度。该模糊控制器的硬件框图如图1所示。模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用等。温度信号的采集、标度变换、控制算法以及速度显示等功能的实现可由各子程序完成。软件的主要流程是：利用AT89C51单片机调AD转换、标度转换模块以得到速度的反馈信号，然后根据偏差和偏差的变化率计算输入量，再由模糊PID自整定控制算法得出输出控制量。启动、停止可通过键盘并利用外部中断产生，有按键输入则调用中断服务程序。该程序的流程图如图2所示。2 模糊控制器算法研究采用模糊PID自整定控制的目的是使控制器能够根据实际情况调整比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，以达到调节

3、作用的实时最优。该电液伺服系统的Fuzzy自整定PID控制系统结构如图3所示。为了简化运算和满足实时性要求，即该调节系统的基本控制仍为PID控制，但使PID调节参数由模糊自整定控制器根据偏差e和偏差变化率ec进行自动调整，同时把模糊自整定控制器的模糊部分按Kp、Ki和Kd分成3部分，分别由相应的子推理器来实现。2.1 输入值的模糊化模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的论域中进行讨论和计算的，因而首先要将输入变量变换到相应的论域，并将输人数据转换成合适的语言值，也就是要对输入量进行模糊化。结合本液压伺服系统的特性，这里选择模糊变量的模糊集隶属函数为正态分布，具体分布如图4所示。根据该规则可把

4、实际误差e、误差变化率ec（dedt）对应的语言变量E、EC表示成模糊量。E、EC的基本论域为-6，+6，将其离散成13个等级即-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6。考虑到控制的精度要求，本设计将-6，+6分为负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、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糊变量。2.2 模糊控制规则表的建立（1） Kp控制规则设计在PID控制器中，Kp值的选取决定于系统的响应速度。增大Kp能提高响应速度，减小稳态误差；但是，Kp值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小Kp可以减小超调，提

5、高稳定性，但Kp过小会减慢响应速度，延长调节时间。因此，调节初期应适当取较大的Kp值以提高响应速度，而在调节中期，Kp则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将Kp值调到较大值来减小静差，提高控制精度。Kp的控制规则如表1所列。（2） Ki控制规则设计在系统控制中，积分控制主要是用来消除系统的稳态误差。由于某些原因（如饱和非线性等），积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增

6、强积分作用，以减小调节静差。依据以上分析，制定的Ki控制规则表如表2所列。（3） Kd控制规则设计微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入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，消除振荡最终改变系统的动态性能。因此，Kd值的选取对调节动态特性影响很大。Kd值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；Kd值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；而在中期，由于调节特性对Kd值

7、的变化比较敏感，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，进而补偿在调节过程初期由于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。2.3 逆模糊化处理及输出量的计算对经过模糊控制规则表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法进行逆模糊化处理（重心法在此就不做详细介绍）的公式如下：式中，u（k）为k采样周期时的输出，e（k）为k采样周期时的偏差，T为采样周期，通过输出u（k）乘以相应的比例因子Ku就可得出精确的输出量u。其公式如下：3 实验结果分析常规PID控制时通过调节PID三个参数，就可以得到系统比较理想的

8、响应图，控制效果的优良与参数的调整有很大的关系，也能提高快速性。但三个参数的调整非常繁琐。而且，如果系统环境不断变化，则参数又必须进行重新调整，往往达不到最优。而采用模糊PID控制后，通过模糊控制器对PID进行非线性的参数整定，可使系统无论是快速性方面还是稳定性方面都达到比较好的效果。笔者将上述PID控制及模糊PID控制分别进行了仿真试验，实验分别在单独模糊PID控制情况下和模糊PID控制两种情况下进行。并在在线运行过程中通过逻辑规则的结果处理、查表和运算完成了对PID参数的在线自矫正。系统的偏差绝对值以及偏差的变化绝对值的取值X围可根据实际经验分别确定为-0.1 cms，0.1 cms】和-

9、0.06 cms2，0.06 cms2，以而确定相对控制效果较好时Kp、Ki、Kd的取值X围为Kp-0.3，0.3、Ki-0.06，0.06、Kd-3，3。传统PID和模糊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，采用模糊控制策略整定PID参数相对于普通PID控制策略，其系统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 结束语实验证明：该单片机模糊PID自整定控制器对于电液伺服控制系统具有较好的效果。实践中可以根据工程控制的具体情况及对超调量、稳定性、响应速度的不同要求，来调整模糊PID控制器三个参数的取值X围，从而得到不同的控制精度和控制效果。总之，本文研究的模糊PID控制器具有以下一些特点：（1） 算法简单实用，本质上不依赖于系统的数字模型；（2） 可充分利用单片机的软件资源，可靠性高，开发速度快；（3） 克服了传统PID控制器操作的困难，提高了系统的智能化程度；（4） 模糊PID控制器棒性好，具有专家控制器的特点，并可推广应用于其它工作领域。