基于在线参数自整定的模糊PID伺服控制系统.pdf

基于在线参数自整定的模糊PID伺服控制系 统 作 者 ：李太福 关键词： 伺服系统 PID控制 在线参数自整定 模糊控制 伺服系统是船泊、雷达等设备的重要组 成部分，但随着测量精度的要求越来越高，对伺服系统控制性能提出了更高的要求，如何提高伺服系统各 项性能指标，用传统控制方法对其改进的效果并不明显。尽管PID校正控制以其结构简单、工作稳定、物 理意义明确、鲁棒性强及稳态无静差等优点在现代雷达等控制中被广泛采用，但是，PID控制参数一般都 是人工整定，有其局限性，不能在线地进行调整。如果将模糊控制技术与传统PID 控制技术相结合，按照 响应过程中各个时间段的不同要求，通过模糊控制在线地调整PID的各个控制参数，对改善伺服系统在跟 踪目标时的动态响应性能和稳态性能，以适应不同工作任务的要求，是有重要工程应用意义的。 PID算法在伺服系统应用中存在的问题 PID调节规律对线性定常系统的控制是非常有效的，其调节过程的品质取决于PID控制器各个参数的整定。 但是常规PID 控制器并不能在线整定参数，因此对于非线性、时变的复杂系统和不确定的系统，由于其PID 参数整定非常困难，甚至根本无法整定，因而难于达到预期的控制效果。常规PID 控制器是最基本的，很 多现代智能控制计算方法也都是在PID控制算法的物理概念上演变过来的，因此深入研究其物理本质是完 全必要的。 PID控制算法 PID控制原理 PID控制系统原理如图1所示。 图1 PID控制系统原理图 在连续控制系统中，模拟调节器最常用的控制规律是PID控制，其控制规律为[1]: 式中:e(t):调节器输入函数，即给定量与反馈量(输出量)的偏差; u(t) :调节器输出函数; KP:比例系数;TI:积分时间常数;TD:微分时间常数; u0:控制常量，即t＝0时的输出值，对绝大多数系统u0＝0。 式(1)表示的调节器输入和输出函数均为模拟量。为了用计算机对其进行计算，把连续形式的微分方程转化 为离散形式的差分方程。离散PID控制规律为: 式中:T:采样周期;k:采样序号;u(k) :采样时刻k时的输出值; e(k) :采样时刻k时的偏差值; e(k－1) :采样时刻k－1时的偏差值。 式(2)中的输出量为全量输出，它对应于被控对象执行机构(如可控硅)每次采样时刻应达到的位置。因此， 式(2)被称为PID的位置式，该算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时 要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如 计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，这种情况往往是实时控制中所不允 许的，在某些场合，还可能造成重大事故，因而产生了增量式PID的控制算法。 由(2)式可得: 由(2)式减去(3)式，可得: △u(k)＝KP[e(k)－e(k－1)]＋K∫e(k)＋KD[e(k)－2e(k－1) ＋e(k－2)] (4) 同时有: u(t)＝u(k－1)＋△u(k) (5) 由式(4)可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP、KI、KD的值，只要 使用前3次测量值的偏差，即可由(4)式求出控制增量。在初步调试系统时，选择了较为合适的采样周期后 一般便不再变动。对于PID 参数，可离线地找到一组合适的参数KP、KI、KD，使系统基本接近最佳工作状 态。 位置式与增量式控制算法并无本质区别，增量式控制虽然只是在算法上做了一点改进，却带来不少优点: l由于计算机输出增量，所以误动作时影响较小，必要时可用逻辑判断的方法去掉; l