模糊切換方式下的復(fù)合控制

程 偉

(湘潭大學(xué) 能源工程學(xué)院,湘潭 411105)

交流伺服系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用,人們對交流伺服系統(tǒng)高性能運(yùn)行的期望也越來越高.提高伺服系統(tǒng)的運(yùn)行性能不外乎從兩方面考慮:第一,選用高性能的交流伺服系統(tǒng);第二,采用優(yōu)良的控制策略.兩者比較起來后者尤顯重要.在交流伺服系統(tǒng)的控制中人們嘗試了很多的控制方法,從早期的線性PID控制法到現(xiàn)代的智能控制法,均取得了較好的控制效果,但由于交流伺服系統(tǒng)屬于非線性、強(qiáng)耦合、時變的復(fù)雜的系統(tǒng),采用單一的控制方法,難以使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)[1],因此由以定量計算控制策略為主的經(jīng)典控制與以定性推理控制策略為主的智能控制相結(jié)合的復(fù)合控制成為研究的熱點(diǎn)[2],復(fù)合控制的交流伺服系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生且日益得到完善.其中典型的是FZ-PID復(fù)合控制,它在大偏差時由模糊控制器來實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制,而在小偏差時由開關(guān)切換到線性PID控制器以消除穩(wěn)態(tài)誤差,其切換方式常采用預(yù)先設(shè)定閥值,由程序自動切換[3].經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這種切換方式至少存在兩方面的問題:一是切換閥值難以選擇恰當(dāng),不易解決系統(tǒng)響應(yīng)的快速性與超量之間的矛盾;二是難以保證系統(tǒng)由一種控制方式向另一種控制方式過渡時實(shí)現(xiàn)無擾動切換,從而延長了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間.

本文首先對FZ-PID復(fù)合控制的原理進(jìn)行了討論,然后針對閥值切換所存在的缺陷,設(shè)計了一種基于模糊規(guī)則切換的復(fù)合控制器.

1 FZ-PID復(fù)合控制

FZ-PID復(fù)合控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.其基本原理是在大偏差范圍內(nèi)主要采用動態(tài)性能較好的模糊控制,它由計算機(jī)中斷采樣獲取被控量的精確值,與給定量比較得到偏差與偏差變化率作為模糊控制器的兩個輸入,經(jīng)模糊化、模糊推理、去模糊化最后得到控制輸出量.在小偏差時主要采用PID控制以消除穩(wěn)態(tài)誤差.二者之間的切換采用模糊切換,實(shí)現(xiàn)平滑過渡.

圖1 FZ-PID復(fù)合控制的交流伺服系統(tǒng)

1.1 模糊控制器

設(shè)定其輸入E、EC與輸出U的模糊子集均為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},并 取 E 、EC、U的論域均為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},隸屬度函數(shù)定義為均勻分布的三角形函數(shù),采用重心法去模糊[1][4].根據(jù)系統(tǒng)要求可列出如表1所示的模糊控制規(guī)則.

1.2 PID控制

2 模糊切換方式設(shè)計

模糊切換的原理如圖2所示,為簡單起見這里采用一維模糊控制器,以e作為輸入,以u作為輸出,隸屬度函數(shù)如圖3所示,圖3中的a的值要根據(jù)系統(tǒng)要求取定來獲取不同的控制強(qiáng)度分量.其控制算法如下:

該切換方式的特點(diǎn)如下:

(1)作用于被控對象的控制量是兩控制器的加權(quán)混合輸出,綜合了兩種控制的優(yōu)點(diǎn).

(2)在整個控制過程中,兩種控制的權(quán)重實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)整.當(dāng)系統(tǒng)處于暫態(tài)時 ΨFZ較大,由模糊起主要作用提高了系統(tǒng)的快速性,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時ΨPID較大,由PID控制起主要作用,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度.

(3)提高了系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動的能力.當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾動時,ΨFZ迅速增大起抑制擾動作用.

3 實(shí)驗(yàn)與仿真

表2 性能參數(shù)比較表

通過比較說明,本文提出的基于模糊規(guī)則切換的復(fù)合控制明顯優(yōu)于基于閥值切換的控制方式,不但系統(tǒng)的超調(diào)量顯著減少,而且也提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性,縮短了調(diào)節(jié)時間,并實(shí)現(xiàn)了兩種控制的平滑過渡.

[1]諸 靜,等.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2]Mamdani E H.Aplications of fuzzy Algorithms for Simple Dynamic plant IEEE Proc[J].1974,121(21):1585-1588.

[3]張 波.FUZZY-PID復(fù)合控制[J].自動化與儀器儀表,2001,(2).

[4]張國良,等.模糊控制及其MATLAB應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版社,2002.