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一種通用工業控制器的標準結構

2009-03-06
作者:吳勇強 李東海 姜學智 李立勤

  摘 要: 提出一種通用工業控制器的標準結構,解決了模糊控制與PI控制之間的無擾動切換問題,通過仿真驗證該方案的有效性。
  關鍵詞: PID調節器 模糊控制 復合控制


  1965年,美國加州大學著名控制論專家L.A.扎德發表了開創性論文“Fuzzy sets”以來,模糊控制技術大致經歷了三個發展階段。第一階段是1965~1974年,這是模糊數學發展與成形的階段。這一階段,扎德開創了“模糊集”,并發表了“模糊算法”和語言與模糊邏輯相結合的系統建立方法。1974年Mamdani博士首次嘗試利用模糊邏輯,成功地開發了世界上第一臺模糊控制的蒸汽引擎。第二階段大約為1974~1979年,這一階段產生了簡單模糊控制器。但這時的模糊控制器自適應能力和魯棒性很有限,穩定性也不夠理想。第三階段是1979年至今,這是發展高性能模糊控制器的階段。1979年T.J.Procky 和E.H.Mamdani共同提出了自學習的概念,使系統性能大為改善。
  模糊數學70年代后期傳入我國,不久在我國得到了飛速發展。80年代中期,我國在模糊理論研究的同時開始了模糊控制技術的研制開發工作。我國在模糊控制的研究和開發著重于通用模糊控制系統的開發工作。模糊控制與傳統的控制相比,具有實時性好,超調量小,抗干擾力強,自動化程度高等優點。
  然而,常用的模糊控制器也有自身的缺點,穩態精度較低,這與輸出的離散控制量有關。在穩態較小的變化范圍內,經典的線性控制技術能夠較好地解決這一問題。PID控制器由于其結構簡單,較好的魯棒性而得到廣泛應用,為控制工程師所熟悉。線性控制與模糊控制相結合的方案不是新概念,早在1987年就有龐富勝[1]提出過,文獻[3]中也有所嘗試。從工程角度出發,具體實現這種復合型控制器,使之成為與PID控制器結構標準,使用方便的新型控制器,并解決了兩種控制模塊之間的無擾切換問題。我們設計的復合型控制器,在基本模糊控制器部分,針對典型的工業控制對象,作了標準化處理,使可調參數減少,調節簡單。對這種新型控制器,我們利用Matlab5.0.2對同一類控制對象作了仿真實驗,以驗證它的調節性能。
1 控制器結構圖
  該通用控制器由單回路控制器A、串級控制器B和PD-FC控制器C組成,具有強關強開、禁開禁關、限速限幅等功能。我們所研究的問題是模糊控制與傳統控制器的組合控制問題,即PD-FC的設計問題。
1.1 總體結構
  控制器總結構如圖1所示。


1.2復合控制具體實現方案模塊細節
  模糊邏輯控制模塊示意圖如圖2所示。PD與FC切換開關模塊示意圖如圖3所示。PD模塊及參數示意圖如圖4所示。


  說明:k1*|e|+k2*|c|為切換所選的指標,“常數”為指標參考值。0表示PI控制,1表示模糊控制。當指標小于參考值時,比較輸出0,切換至PI精確控制。
  符號說明表如表1所示。


2 參數整定
  復合型控制器的參數整定方法是將PD控制器與FC控制器參數單獨整定。PD控制器輸出經積分后實際為PI控制器,FC控制器輸出經積分后實際成為模糊PI控制器。由于切換時,只有u&可能發生變化,u是連續變化的,不會產生控制量的擾動,因而可實現無擾切換。
  對PID的整定方法,大家不會陌生,PID的整定方法與經驗公式有很多。其中著名的有:Ziegler-Nichols公式,Cohen-Coen公式,改進的Ziegler-Nichols公式,ITAE/IAE/ISE最優公式,內部模型控制設計方法,增益與相角裕量設計方法等等[3]。具體整定方法,在此不再贅述。
  模糊控制器中E,C,U的詞集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},量化論域E、C為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1 ,2 ,3 ,4,5,6},U的量化論域為{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1 ,2 ,3,4,5,6,7}。各模糊子集的隸屬度為均勻的三角形分布,應用模糊推理最大最小合成算法計算,去模糊化采用重心法計算。控制規則表如表2所示。

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  計算得出模糊控制表后(如表3所示),不再修改,根據不同對象調節參數Kc,Ke和Ki以達到較好的控制效果。
3 仿真實驗
  實驗對象傳遞函數為,這是比較常見的被控對象。取T=1,τ=10s進行仿真。PD參數K1=0.08,K2=0.06;模糊PD模塊中Ke=6,Kc=30,Ki=0.01。
  由實驗曲線可以看出模糊控制調節時間短,超調量小,但由于輸出量化導致有一定的穩態偏差;PI控制相對于模糊控制調節時間長,超調量大,但跟隨性能較好,最終為無差輸出;復合控制則綜合了二者的優點,使得系統動態與穩態性能都較好。本次實驗切換模塊中k1=1;k2=50;常數為0.02;無擾切換次數為4次。實驗曲線見圖5。


  總之,線性與模糊的復合控制不是最新的概念,但把這個想法實現成為像PID一樣簡單可靠,性能較高的標準化控制器是我們的目的。兩種控制模塊中的無擾切換是變結構控制中的關鍵問題。本文提出的PD-FC控制器的適用范圍仍是一個需進一步研究的問題。
參考文獻
1 何平,王鴻緒.模糊控制器的設計及應用.北京:科學出版社,1997
2 R.Ketata,D.DeGeest,A.Titli.Fuzzy controller:design,evaluation, parallel and hierarchical combination with a PID controller.Fuzzy Sets and Systems,1995;71:113-129
3 C.C.Hang,W.K.Ho.L.S.Cao.A comparison of two de-sign methods for PID controllers.ISA Transactions,1994;33:147-150

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