基于模糊控制理論的PID控制器設(shè)計(jì)

李慧

中興通訊股份有限公司天津分公司 天津 300300

在實(shí)際工程閉環(huán)控制中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為PID控制。雖然常規(guī)的PID控制在穩(wěn)定環(huán)境下已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的控制要求，但是在負(fù)載工作的條件下，由于干擾因素復(fù)雜，負(fù)荷可能產(chǎn)生變化，而且在極限速度下，系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這就需要對PID的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行不斷的在線調(diào)整。但經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，這些參數(shù)的變化沒有確定不變的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可以遵循，因此，需要選用智能控制器來調(diào)節(jié)，而模糊控制器有著魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常便于計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，符合鉆井工具實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體要求，以充分發(fā)揮PID控制器的優(yōu)良控制作用，力求使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。

1 模糊PID控制器

1.1 模糊PID結(jié)構(gòu)

1964年，模糊控制和模糊數(shù)學(xué)的概念被Zadeh教授提出，10年后世界第1臺(tái)模糊控制器誕生了，自此模糊控制理論開始受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。模糊控制器根據(jù)模糊輸入的個(gè)數(shù)主要分為一維、二維和三維模糊控制器，其中二維模糊控制器在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。1987年，Ying提出了模糊PID控制器后，各種模糊PID控制器層出不窮，例如模糊PI+模糊D結(jié)構(gòu)、模糊P控制+常規(guī)ID控制、模糊PI、模糊PD并行的結(jié)構(gòu)等等。本文采用參數(shù)自整定模糊PID結(jié)構(gòu)的控制器，首先找出PID3個(gè)參數(shù)e與ec之間的模糊關(guān)系，建立模糊規(guī)則，進(jìn)行模糊推理，即根據(jù)模糊控制原理來對Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線實(shí)時(shí)修改，提高了系統(tǒng)控制精度。模糊PID控制原理[1]。

1.2 工作原理

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡單，便于應(yīng)用。由工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用?；谀Ｐ偷目刂扑惴跋到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異；但一個(gè)系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制?；谀：赃m應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)，其中二維模糊控制器采用了雙輸入三輸出的模式，它以偏差e，ec為模糊控制器的輸入，以PID控制器的三個(gè)參數(shù)比例系數(shù)Kp，微分系數(shù)Kd，積分系數(shù)Ki為輸出，以滿足系統(tǒng)對PID參數(shù)整定的要求。從而使被控對象有更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)。

2 串聯(lián)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用串級PID控制算法，同時(shí)在內(nèi)環(huán)角速度控制器中加入模糊自整定PID參數(shù)控制器，構(gòu)成串級模糊PID參數(shù)控制算法。本文以四旋翼無人機(jī)俯仰通道的控制算法為例，控制對象為無人機(jī)的俯仰姿態(tài)角，控制算法包括內(nèi)環(huán)與外環(huán)兩個(gè)控制環(huán)。角度外環(huán)主要對四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角進(jìn)行控制，輸出與加速度反饋相比較進(jìn)行速度環(huán)的控制。其中，角度外環(huán)輸入為無人機(jī)在俯仰時(shí)的角度偏差，采用P控制算法，輸出為無人機(jī)的設(shè)定角速度參考值[2]。內(nèi)環(huán)輸入為無人機(jī)的設(shè)定角速度，采用模糊自整定PID參數(shù)控制算法，輸出為PWM波形的高電平時(shí)間。

2.1 串級PID控制器設(shè)計(jì)

串級PID控制器的控制對象為無人機(jī)在俯仰通道的姿態(tài)角度，執(zhí)行器為4個(gè)無刷電機(jī)。采用串級PID控制算法后，外環(huán)角度控制系統(tǒng)的輸入信息為無人機(jī)的姿態(tài)角度，內(nèi)環(huán)角速度控制系統(tǒng)的輸入信息為姿態(tài)角速度、姿態(tài)角速度的積分和姿態(tài)角速度的微分。

2.2 模糊自整定PID參數(shù)控制器設(shè)計(jì)

模糊自整定PID參數(shù)控制器主要改善無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中串級PID控制器中的內(nèi)環(huán)角速度控制器的控制性能。模糊自整定PID參數(shù)控制器的控制框圖見圖2，系統(tǒng)所選用的模糊控制器為一個(gè)雙輸入、三輸出系統(tǒng)，它根據(jù)角速度的偏差|E|和偏差變化率|EC|自動(dòng)整定內(nèi)環(huán)角速度PID控制器的3個(gè)控制參數(shù)：kp、ki、kd。當(dāng)誤差|E|變大、|EC|變大時(shí)，為了使系統(tǒng)具有更好的跟蹤性能，增加比例系數(shù)kp，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，從而減小角速度誤差；當(dāng)誤差|E|逐漸減小，增加積分系數(shù)ki，由積分發(fā)揮主要作用，減小角速度的穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)誤差變化率|EC|變化率較大時(shí)，增加微分系數(shù)kd，減小誤差的變化率。根據(jù)上述的的控制規(guī)律，設(shè)計(jì)模糊控制器。

3 結(jié)語

為了滿足視軸穩(wěn)定回路較高的動(dòng)靜態(tài)特性和控制要求，視軸穩(wěn)定系統(tǒng)中采用參數(shù)自整定模糊PID控制器作為穩(wěn)定控制器。文中介紹了模糊PID的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，首先利用臨界比例法對PID初始參數(shù)進(jìn)行整定，然后根據(jù)模糊控制器來自動(dòng)調(diào)整PID的系數(shù)增量，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線整定。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，對比PID、模糊控制器、參數(shù)自整定模糊PID控制器的控制效果，發(fā)現(xiàn)在無擾動(dòng)情況下，模糊PID控制器階躍響應(yīng)時(shí)間最短，系統(tǒng)穩(wěn)定；在加入擾動(dòng)的情況下，模糊PID控制器隔離度最低，控制效果好。