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    基于Fuzzy-PID控制的程控電流源設計

    2013-10-13 11:50:54范山東崔師明
    機械制造與自動化 2013年1期
    關(guān)鍵詞:程控階躍原理圖

    范山東,崔師明

    (1.黑龍江科技學院電氣與信息工程學院,黑龍江哈爾濱 150027;2.黑龍江林業(yè)高級技術(shù)學院,黑龍江綏化 152061)

    電流源在儀器儀表標定、校驗、設備檢測中應用廣泛,為了便于電流的設定與調(diào)節(jié),實際的電流源都是通過壓控變換電路實現(xiàn),通過調(diào)節(jié)輸入電壓控制輸出電流的大小。一般都是采用開環(huán)控制,即利用微處理控制電路,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    圖1 程控電流源開環(huán)電路

    這種實現(xiàn)方法是一種開環(huán)式的,通過調(diào)節(jié)輸入電壓手動調(diào)節(jié)輸出電流的大小,但這種地阿牛的輸出效果系統(tǒng)并不知道,造成電流的輸出精度不高,無法達到高精度要求。為此,在傳統(tǒng)開環(huán)電路基礎上利用控制系統(tǒng)中的反饋控制,給電路加上反饋電路,軟件上利用積分分離PID算法實現(xiàn)輸出電流的精確控制[1-2]。

    1 硬件設計

    系統(tǒng)利用STC89C52單片機將被預置的電流通過換算由TLC5615進行D/A轉(zhuǎn)換,實行電壓輸出,并驅(qū)動V/I轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電流輸出,同時將該電流值對應的電壓通過閉環(huán)回路,經(jīng)信號處理電路,用高精度的采樣電阻進行電流采樣,利用ADC0832進行A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機系統(tǒng)組成閉環(huán)負反饋,單片機系統(tǒng)通過PID算法調(diào)整電流輸出,并驅(qū)動顯示電路顯示當前電流值。具體電路如圖2所示。

    2 模糊PID控制器的設計

    系統(tǒng)硬件電路的設計使得整個電路構(gòu)成一個閉環(huán),為PID算法的實現(xiàn)提供了硬件基礎。PID控制工業(yè)上很早應用的一種經(jīng)典的控制策略,PID控制算法簡單、可靠性高、魯棒性好,被廣泛應用到過程控制中。但它對具有非線性(飽和、時延、回程等)和不確定性等特征的系統(tǒng)很難達到預期效果。

    2.1 系統(tǒng)的控制原理圖

    在本系統(tǒng)中采用模糊與PID算法相結(jié)合的Fuzzg-PID控制,控制原理圖如圖3。

    圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

    圖3 Fuzzy-PID控制器的原理圖

    模糊推理過程為兩輸入三輸出的系統(tǒng)。兩個輸入分別為系統(tǒng)誤差E和誤差的變化率EC,輸出為PID的三個控制參數(shù) Kp,Ki和 Kd。

    2.2 模糊控制規(guī)則庫和隸屬函數(shù)的設計

    模糊控制設計的核心是總結(jié)工程設計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗,建立合適的模糊規(guī)則表。本文選用工程上最常用的線性控制規(guī)則庫(表1)和標準三角形隸屬函數(shù)[-1,1](圖4)。將模糊化后的輸入變量 E,E分為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大七個模糊集合,分別表示為表1 中的 NL,NM,NS,ZR,PS,PM,PL。

    Kp的語言變量為:{NB,NM,MS,O,PS,PM,PB}

    Ki的語言變量為:{NB,NM,MS,O,PS,PM,PB}

    Kd的語言變量為:{NB,NM,MS,O,PS,PM,PB}

    E 和 EC的論域均為:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

    Kp,Ki,Kd的論域均為:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

    表1 線性控制規(guī)律庫

    PS NM NS ZR PS PM PL PL ZR NL NM NS ZR PS PM PL NS NL NL NM NS ZR PS PM NM NL NL NL NM NS ZR PS__NL NL NL NL NL NM NS ZR

    圖4 輸入和輸出變量的隸屬函數(shù)

    PID參數(shù)模糊整定就是找出PID三個參數(shù)與誤差E和誤差變化率EC之間的模糊關(guān)系,運行中通過不斷檢測E和EC,由模糊控制原理對三個參數(shù)進行實時修改,以用來滿足不同E和EC對控制參數(shù)的不同要求,以致使被控制對象有良好的動、靜態(tài)性能[3]。

    2.3 模糊控制查詢表

    利用m文件生成模糊控制查詢表,整理后的模糊控制查詢表如表2、表3和表4所示:

    表2 Kp模糊控制查詢表

    表3 Ki模糊控制查詢表

    表4 Kd模糊控制查詢表

    1 -3-2-2-1-1 1 2 2 3 4 4 5 5 2 -3-2-2-1 0 2 3 3 3 4 4 5 6 3 -1-1-1 1 2 2 3 4 4 4 5 5 6 4 0 1 0 2 3 3 3 4 4 5 6 6 6 5 1 1 1 2 3 3 4 4 4 5 6 6 6 6 0 1 0 2 3 3 4 4 4 5 6 6 6

    2.4 系統(tǒng)仿真

    用上述方法分別設計PID,F(xiàn)LC和Fuzzy-PID控制器,F(xiàn)LC和Fuzzy-PID的模糊控制規(guī)則庫和輸入輸出變量隸屬函數(shù)與2.2條相同。下面是三種控制器的性能比較,和Fuzzy-PID控制器在三種參數(shù)的性能比較[5]。

    a)三種控制器的參數(shù)設計為:1)PID:Kp=0.4,Ki=0.09,Kd=0.5;2)FLC:Kp=1,Ki=0.45,Kd=2.4;3)Fuzzy-PID:Kp=0.7,Ki=0.2,Kd=0.6;在單位階躍信號輸入下,三種控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示。

    圖5 三個控制系統(tǒng)的仿真

    b)三種參數(shù)下的Fuzzy-PID控制器的響應曲線:1)Kp=0.5,Ki=0.1,Kd=0.5;2)Kp=0.65,Ki=0.12,Kd=0.6;3)Kp=0.45,Ki=0.12,Kd=0.5;在單位階躍信號輸入下,其響應曲線如圖6所示。

    圖6 三組參數(shù)下Fuzzy-PID系統(tǒng)的響應線

    2.5 仿真結(jié)果分析

    在單位階躍信號輸入下,三種控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示,可見,F(xiàn)uzzy-PID控制系統(tǒng)和 PID,F(xiàn)LC系統(tǒng)一樣,在單位階躍輸入下為無差系統(tǒng),且具有較好的動態(tài)品質(zhì)。它的優(yōu)點是與PID相比,其初始能量較小;與FLC相比,F(xiàn)uzzy-PID的響應更快,上升時間更短。而在三種參數(shù)下的Fuzzy-PID控制器的響應曲線如圖6所示,從圖6上可見第二組數(shù)據(jù)綜合性能最好,響應速度快又無超調(diào)。

    3 結(jié)論

    根據(jù)仿真結(jié)果分析,確定Kp=0.65,Ki=0.12,Kd=0.6時系統(tǒng)的性能最好。該程控電流源的性能指標為:量程0~2 A,電流調(diào)整精度<0.4 mA,誤差<0.1%,穩(wěn)定時間<4 s,系統(tǒng)響應曲線如圖6所示。采用Fuzzy-PID控制器設計系統(tǒng),比傳統(tǒng)的PID控制的電流源在控制精度上更高,對于系統(tǒng)出現(xiàn)的非線性因素有很好的抑制作用,魯棒性更好。如果想進一步獲得更理想的參數(shù),可以利用遺傳算法對對參數(shù)進行細調(diào)和優(yōu)化。

    [1]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

    [2]Koksal Erenturk.Matlab-based GUIS for fuzzy logic controller design and applications to PMDC motor and AVR control[J].Comput Appl Eng Educ,Wiley Peri-odicals Inc,2005,(13):10-25.

    [3]王琦.精密程控電流源的設計及應用[J].國外電子元器件.2005,(10):30-34.

    [4]苗敬利.模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的仿真研究[J].微軟計算機信息,2003,(07).

    [5]沈偉.模糊控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用[J].管道與技術(shù)設備,2003,(5).

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