自適應(yīng)模糊PID控制在系統(tǒng)調(diào)速中的應(yīng)

1、在陶瓷壓機布料系統(tǒng)中,料車速度控制十分重要,由于壓機工作時具有非線性、滯后、大慣性等特點,料車速度受壓機工作的影響較大,很難達到高精度的要求,料車速度控制精度決定了布料的均勻度,從而決定了陶瓷磚的質(zhì)量,所以陶瓷磚質(zhì)量的優(yōu)劣受布料系統(tǒng)料車速度的影響。在國內(nèi),目前采用PID控制料車速度,隨著技術(shù)的發(fā)展,更多先進技術(shù)運用到生產(chǎn)中。在實際控制過程中,常規(guī)PID控制的優(yōu)點在于原理簡單、使用方便、適用性好,具有很強的魯棒性,因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是PID控制需要建立被控對象精確的數(shù)學模型,而實際上大多數(shù)工業(yè)過程都不同程度地存在非線性、參數(shù)時變性和模型不確定性,常規(guī)的PID控制無法實現(xiàn)這樣的過程精確控制,

2、不能實時調(diào)整PID參數(shù),且響應(yīng)速度不夠快。而模糊控制對數(shù)學模型的依賴性弱,不需要建立過程的精確模型,它可以把人的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為控制策略,對時變的、非線性的、滯后的、高階大慣性的被控對象,能獲得良好的動態(tài)特性,即反映速度快、穩(wěn)定性好,但它無法消除靜態(tài)誤差,需要引入積分作用?；谝陨显?本文將模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合,設(shè)計了一種自適應(yīng)模糊PID控制器。該自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計分為兩部分,簡單方便,它在偏差|E|較大時范圍內(nèi)采用模糊推理控制,以偏差e(k和偏差變化率ec(k作為輸入,經(jīng)過模糊推理,得到不同時刻PID的3個參數(shù),在偏差|E|較小時范圍采用PID精確輸出。本文運用MATLA

3、B的模糊邏輯工具箱對其進行了仿真研究。2陶瓷壓機布料系統(tǒng)液壓調(diào)速現(xiàn)代壓機布料系統(tǒng)液壓控制已從傳統(tǒng)的電磁閥與節(jié)流閥控制,由接近開關(guān)控制動作轉(zhuǎn)換發(fā)展到采用電液比例方向閥,由線性位移傳感器監(jiān)測運動,可實現(xiàn)在行程過程中任意點的速度無級調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換位置準確。為了實現(xiàn)布料的均勻性,料車的速度轉(zhuǎn)換也由采用傳統(tǒng)的液壓元件發(fā)展為采用比例電磁方向閥,由角度編碼器或轉(zhuǎn)速傳感器檢測料車的運動,可實現(xiàn)料車在任意位置的多種速度變換。本論文主要是在液壓控制的基礎(chǔ)上,采用液壓電液比例控制技術(shù)與系統(tǒng)輸出負反饋控制方案,在控制精度上運用先進的自適應(yīng)模糊PID調(diào)整控制?？蓪崿F(xiàn)位置和速度的高精度控制,自動調(diào)節(jié)重復性好。3自適應(yīng)模

4、糊PID控制器的設(shè)計3.1自適應(yīng)模糊PID控制器的基本原理自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計可分為兩個部分,以模糊控制為粗調(diào)、PID為細調(diào),即分為自適應(yīng)模糊控制器部分和PID控制部分。兩部分一起組成自適應(yīng)模糊PID控制器,實現(xiàn)在模糊控制的基礎(chǔ)上由PID控制系統(tǒng)向零點移動,實現(xiàn)無差控制,其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。復合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用Fuzzy控制,在小偏差內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制,二者的轉(zhuǎn)換由微機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。圖2 自適應(yīng)模PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該控制器是以轉(zhuǎn)速傳感器檢測的轉(zhuǎn)速差e(實際測量值與給定值之差和轉(zhuǎn)速變化差ec(本次采用時刻轉(zhuǎn)速差與上次采用時刻轉(zhuǎn)速差之差作為自適應(yīng)模

5、糊控制的輸入,經(jīng)模糊化和模糊推理在線自調(diào)節(jié)得到參數(shù)Kp、Ki、Kd,即為PID控制器的輸入。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮,Kp、Ki、Kd的作用如下所述:(1比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高,但易產(chǎn)生超調(diào),甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小,則會降低調(diào)節(jié)精度,使響應(yīng)速度緩慢,從而延長調(diào)節(jié)時間,使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。(2積分作用系數(shù)Ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,Ki越大,系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快,但Ki過大,在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若Ki過小,將使系統(tǒng)

6、靜態(tài)誤差難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。(3微分作用系數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性,其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化,對偏差變化進行提前預報。但Kd過大,會使響應(yīng)過程提前制動,從而延長調(diào)節(jié)時間,而且會降低系統(tǒng)的抗干擾能力。3.2 自適應(yīng)模糊PID控制器的系統(tǒng)設(shè)計液壓英才網(wǎng)用心專注、服務(wù)專業(yè)圖2中r為系統(tǒng)的設(shè)定值,為精確量;e為系統(tǒng)的偏差,為精確量;e(t=r(t-c(t;e、ec分別為經(jīng)模糊量化處理后的系統(tǒng)偏差和偏差變化率,為模糊量;Kp、Ki、Kd為模糊量化的偏差和偏差變化率經(jīng)模糊控制規(guī)則后近似推理得到的模糊量控制輸出,這是一個雙輸入三輸出的二維模糊控制器。根據(jù)布料操作經(jīng)驗

7、:E和EC的論域為-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊集為NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB;Kp的論域為-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3,Ki的論域為-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06,Kd的論域為-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊集為NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。設(shè)輸入量均服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布,輸出量均服從高斯形隸屬函數(shù)曲線分布。根據(jù)系統(tǒng)在受控過程中對應(yīng)不同的E和EC,將PID參數(shù)的整定原則歸納如下:(1 當|E|較大時,說明誤差的絕對值較大,Kp應(yīng)取較大值,以提高響應(yīng)的快速性;而為防止|EC|瞬時過大

8、,Kd應(yīng)該取較小的值;同時為避免出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對積分作用加以限制,通常取Ki=0。(2當|E|處于中等大小時,為使系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)較小,Kp應(yīng)取小些。在這種情況下,Kd的取值對系統(tǒng)響應(yīng)影響較大,Ki的取值要適當。(3 當|E| 較小時,為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性,Kp與Ki均應(yīng)取大些,同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩,并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能,應(yīng)適當?shù)剡x取Kd 值。Kd值的選擇應(yīng)根據(jù)|EC|值來確定,當|EC|較大時,Kd 取較小值;當|EC|較小時,Kd取較大值,通常情況下Kd為中等大小。為了實現(xiàn)PID參數(shù)(Kp、Ki、Kd根據(jù)e和ec的變化進行自適應(yīng)調(diào)整,必須找出Kp、Ki、Kd和E、EC

9、之間的對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)壓機實際長期運行積累的經(jīng)驗知識規(guī)則,可模型化形成針對Kp、Ki、Kd三個參數(shù)分別整定的模糊控制規(guī)則表,其中Kp的控制規(guī)則見表1。根據(jù)模糊控制規(guī)則表,可將各參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則寫成如下條件語句形式:If E is Ai and EC is Bi,then Kp is Ci,Ki is Di,Kd is Ei。表1 Kp的模糊規(guī)則表這里Ai、Bi、Ci、Di、Ei是在相應(yīng)支集上的模糊集合,i=1,2,n。該規(guī)則庫由3個子規(guī)則庫組成,每個子規(guī)則庫由雙輸入單輸出規(guī)則組成,且每個子規(guī)則庫是相互獨立的,共有49條模糊規(guī)則。本文設(shè)計的模糊系統(tǒng)采用工程上常用的Mamdani推理算法,利用“極大-極

10、小”合成模糊規(guī)則,進行模糊運算。根據(jù)Ki、Kd的模糊控制規(guī)則,分別求出Ki、Kd參數(shù)在不同的轉(zhuǎn)速差e和轉(zhuǎn)速變化率ec下的所有模糊取值的隸屬度,然后根據(jù)轉(zhuǎn)速差e和轉(zhuǎn)速變化率ec的測量值,運用反模糊化加權(quán)平均法進行模糊判決,可求出PID控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd的精確值。4仿真結(jié)果系統(tǒng)采用MATLAB 7.0進行仿真,通過模糊邏輯工具箱和Simlink 實現(xiàn)自適應(yīng)模糊PID控制仿真。電液比例控制系統(tǒng)(忽略電液比例放大器和電液比例閥的動態(tài)影響的開環(huán)傳遞函數(shù)為:G(sH(s=式中:K0系統(tǒng)開環(huán)增益,K0=Ka×Ks×Kf/Dm;Ka放大器增益;Ks電液比例閥流量增益;Kf測速增益;?覣h液壓固有頻率;?孜阻尼比。仿真采用典型被控對象y= ,然后按Simlink仿真的正確步驟選擇步長、模擬示波器X/Y軸參數(shù)等進液壓英才網(wǎng)用心專注、服務(wù)專業(yè)行仿真運算。常規(guī)PID控制和自適應(yīng)模糊PID控制的階躍響應(yīng)仿真曲線比較如圖3所示。常規(guī)PID控制和自適應(yīng)模糊PID控制仿真曲線比較仿真結(jié)果表明,自適應(yīng)模糊PID控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時間,良好的動、靜態(tài)特性,更好的適應(yīng)性和魯棒性,優(yōu)于常規(guī)的PID控制。5結(jié)論本文針對陶瓷壓機布料系統(tǒng)中的小車速度控制特點,設(shè)計了一種自適應(yīng)模糊PID控制器,該控制器在較大偏差范圍內(nèi)采用模糊推理控制,根據(jù)偏