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

4.3模糊自適應(yīng)整定PID控制策略

在實際調(diào)試過程中，現(xiàn)場被控測試對象參數(shù)未知，電子負載電源板和信號板上打規(guī)模的模擬器件的引進，存在控制信號慣性滯后性，使得常規(guī)PID控制器往往不能達到理想的控制效果，為了進一步提高PID控制的性能，以適應(yīng)復雜的工況和高性能指標的控制要求，模糊PID控制就是針對控制信號時延而提出的，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PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行調(diào)節(jié)以補償模擬器件延時對系統(tǒng)的影響。因此，本系統(tǒng)引入模糊控制理論設(shè)計一個模糊PID控制器，根據(jù)實時監(jiān)測的電壓或電流值的變化，利用模糊控制規(guī)則自動調(diào)整PID控制器的參數(shù)。電子負載系統(tǒng)信號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性變化，而且隨著漏源電流的變化導致MOSFET的溫升，其轉(zhuǎn)移特性曲線處于變化的過程中。在PID控制器中引入智能控制算法，使電子負載控制精度進一步提高，將對電子負載調(diào)試的經(jīng)驗作為知識DSP中，使DSP根據(jù)現(xiàn)場實際的情況，自動調(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)驗不易精確的描述，控制過程中各種信號及評價指標不易定量的表示，模糊理論是解決這一難題的最好方法，運用模糊控制規(guī)則，DSP根據(jù)電子負載系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，實現(xiàn)對PID參數(shù)的自動調(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)則在線對PID參數(shù)進行在線的修改，通過公式

不斷地調(diào)整PID控制器中三個參數(shù)，以滿足不同時刻PID參數(shù)自整定的要求，其機構(gòu)如圖4.7所示。

由于設(shè)計的電子負載只用到P和I兩個參數(shù)，所以研究中，是在運行中通過不斷的檢測e和ec，運用模糊規(guī)則進行模糊推理，對P和I兩個參數(shù)進行在線修改，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)調(diào)試人員的技術(shù)知識和實際經(jīng)驗，根據(jù)現(xiàn)場的要求及被控對象的實際情況來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，通過查詢模糊矩陣表解模糊后進行參數(shù)調(diào)整。Kp和KI的模糊規(guī)則表見表4.3和表4.4.

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

設(shè)定值為6A，取偏差值e的基本論域為（-0.04，0.04），偏差變化率ec的基本論域為（-1，1）?？刂屏康幕菊撚驗椋?1，1）?？刂屏康幕菊撚驗?/p>

其基本論域的選擇（根據(jù)經(jīng)驗值獲得）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，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，同時又不能夠隨意地增加論域中元素的個數(shù)。如果論域中元素過多，雖然系統(tǒng)的控制精度得到提升但是卻大大地增加了DSP工作量可能會導致系統(tǒng)的運行速度過慢。因此，選擇具體的模糊變量論域時，必須兼顧論域的覆蓋率及DSP的運算能力，其實際值在本系統(tǒng)中為（-6，-5…0，1，…6）十三個等級。

（2）。量化因子和比例因子

控制系統(tǒng)每次采樣獲得的采樣值都需要乘上一個相應(yīng)的因子，使得輸入變量能夠從其實際論域轉(zhuǎn)換到模糊論域中，這就是量化因子K的概念。一般地，用Ke，Kec分別表示系統(tǒng)的偏差e和偏差的變化率ec的量化因子。根據(jù)前述可知，電流偏差e和偏差變化率ec的實際論域分別為（-|emax|，|emax|）及（-|ecmax|，|ecmax|），所有變量的模糊論域同為（-n，-n+1，…0，1，…n）那么，Ke、Kec可由下式確定，即：

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

，

則其比例因子Kup、Kui分別為：

獲得了比例因子之后，最終輸出給被控對象的任一實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）知識庫輸入、輸出變量的模糊子集選取為：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大（NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB），確定了模糊語言變量之后，接下來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。對于隸屬函數(shù)的選擇，目前也沒有完整的定論可以說明針對哪種控制對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)驗或從計算簡便上考慮。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)表通過計算三角形的直線方程可以很方便的計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言值。

規(guī)則庫的作用是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在進行推理時為“推理機”提供控制規(guī)則。模糊控制器的規(guī)則庫是以專家知識和手動操作人員長期積累的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，按照人的直覺推理所形成的一種語言表示形式。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“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。建立模糊控制規(guī)則時遵從以下幾點原則。

a.系統(tǒng)剛投入工作時，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，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。此時，偏差朝著絕對值增大的方向變化。當系統(tǒng)處于跟隨狀態(tài)時（e與ec大小適中），此時模糊控制器應(yīng)輸出較小的K*P，中等大小的K*i.若此時絕對偏差較大，應(yīng)增大比例值，減小積分作用，即對系統(tǒng)采取較強的控制措施，改變誤差的變化方向。若絕對偏差較小，說明系統(tǒng)的偏差不大，此時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，增強積分作用。

c. e*ec此時，偏差e與其變化率ec方向相反，說明系統(tǒng)偏差朝著絕對值減小的方向變化。當絕對偏差較小時，減小比例值，消除靜差、防止超調(diào)使系統(tǒng)獲得良好的動態(tài)性能。若絕對偏差較大，則應(yīng)適當增強比例值，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)果與電子負載控制系統(tǒng)的實際操作經(jīng)驗相結(jié)合，并用模糊語言描述就可以，形成下面K*P和K*i的模糊規(guī)則表，見表4.3和表4.4.

獲得了模糊控制規(guī)則表之后，通過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表，如表4.5所示。根據(jù)模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，DSP查表運算對PID實施在線的調(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的同時由MATLAB動態(tài)仿真工具箱生成。

最終的

在MATLAB下利用編寫M語言對電子負載模型做階躍響應(yīng)和正弦跟蹤測試仿真4.9所示。

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