陳勁松

摘要：本文在介紹電液比例控位系統(tǒng)中的自調(diào)模糊PID控制原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)比較該系統(tǒng)自調(diào)模糊PID控制和PID控制對(duì)信號(hào)的跟蹤效果進(jìn)行分析研究，得出自調(diào)模糊PID控制比PID控制有更好的穩(wěn)定性能和安全性能。本文正是將這兩種控制思路有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)研究出了一種規(guī)則的自調(diào)模糊PID控制器。

關(guān)鍵詞：自調(diào)模糊PID控制;電液比例;控位系統(tǒng)

前言

隨著電液比例控位技術(shù)的深入發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的電液比例控位系統(tǒng)憑借自身成本低廉、環(huán)保能力強(qiáng)，安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，在多種場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)電液比例控位系統(tǒng)的多種特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高性能的自調(diào)模糊PID控制器是時(shí)代的要求，意義深遠(yuǎn)。

1.電液比例控位系統(tǒng)的概念

在液壓控制與轉(zhuǎn)動(dòng)中，可以接收數(shù)字式或者模擬式信號(hào)，使流量和壓力之間受到比例控制，這被稱為電液比例控位系統(tǒng)。比如說(shuō)，數(shù)字控位系統(tǒng)、脈波調(diào)制（PWM）系統(tǒng)都屬于電液比例控制系統(tǒng)的范疇。雖然比例控位與制動(dòng)控制都廣泛應(yīng)用于閉環(huán)和開懷系統(tǒng)。但就目前而言制動(dòng)控制主要應(yīng)用于閉環(huán)控制，而比例控制主要應(yīng)用于開環(huán)控制。掌握制動(dòng)裝置與比例控位裝置之間的差別是非常有意義的。制動(dòng)控制儀器設(shè)備經(jīng)常具有內(nèi)反饋，任何發(fā)現(xiàn)到的錯(cuò)誤代碼都會(huì)造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)欄改變，而這種改變正好是避免誤差的出現(xiàn)[1]。誤差為零制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，直到新的錯(cuò)誤代碼被檢測(cè)出來(lái)。比例控位系統(tǒng)是一種具有增益效應(yīng)的轉(zhuǎn)換器。

比如，比例控位系統(tǒng)能把一個(gè)非線性運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變成等比例的流量壓力，轉(zhuǎn)換常數(shù)值取決于控制部件的尺寸和它的制造精準(zhǔn)度。閉環(huán)比例控位系統(tǒng)能用于內(nèi)部閉環(huán)反饋系統(tǒng)。在制動(dòng)控制系統(tǒng)中，平衡概念上的控制誤差理論上要為零，而比例控位系統(tǒng)卻絕不可以零。在比例控位系統(tǒng)中，控制主元件能有很多種狀態(tài)，分別與受控部件之間相對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)。開關(guān)控制與比例控位相對(duì)應(yīng)。開關(guān)控制中主控制元器件僅有兩種狀態(tài)，即停止和啟動(dòng)。因此要完成復(fù)雜的高質(zhì)量控制，一定要有足夠多的元件，把各種元器件調(diào)整成特定的狀態(tài)。必要時(shí)擰動(dòng)這個(gè)元件，來(lái)完成受控部件按指定的要求和順序動(dòng)作。

比例控位和開關(guān)控位都可以進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)控制，不一樣的地方是比例控位中比例元件依據(jù)接受的控制信號(hào)，自動(dòng)變換狀態(tài)，從而使系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。在工程應(yīng)用中，由于大多數(shù)被控部件僅需要那么幾種狀態(tài)，因而開關(guān)控位有其自己的優(yōu)勢(shì)。開關(guān)部件簡(jiǎn)單安全，幾乎不存在運(yùn)行不穩(wěn)定的狀況?？梢赃\(yùn)用計(jì)算機(jī)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)元器件，從而省去非常昂貴的轉(zhuǎn)換元器件，使電器控制變得更加簡(jiǎn)單易行。在虛擬化比例控位中，假如需要計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制，則一定要有D/A和A/D接口元器部件與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，這使得成本增加，另外對(duì)使用者的要求也很高[2]。近些年來(lái)，開發(fā)研制出了數(shù)字型比例元件，其傳輸量與脈波數(shù)、脈波寬或脈波頻率成正比例關(guān)系。這類元器件實(shí)際上是電液數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它的優(yōu)點(diǎn)是速度快，反復(fù)利用度高，不污染環(huán)境且可以與計(jì)算機(jī)直接相連，是電液比例技術(shù)中一個(gè)全新的領(lǐng)域。

2.自調(diào)模糊PID控制設(shè)計(jì)

2.1自調(diào)模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)

圖2是自調(diào)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖。它以偏差轉(zhuǎn)換率EC和偏差e作為輸入，以PID控制器的參數(shù)、、作為輸出。它運(yùn)用模糊理論對(duì)PID技術(shù)參數(shù)進(jìn)行教正，教正計(jì)算方法如下：=+，=+，=+。其中、、是提前調(diào)定的量，、、為模糊控制器的輸出，、、為PID控制器的輸出。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 自調(diào)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2自調(diào)模糊PID設(shè)計(jì)思想

自調(diào)模糊PID控制參數(shù)的設(shè)計(jì)思想是首先挑出PID 3個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)、偏差|E|和偏差轉(zhuǎn)換率|EC|之間的模糊關(guān)系，在測(cè)試中通過(guò)連續(xù)檢測(cè)|E|和|EC|值，再依據(jù)模糊控位基理來(lái)進(jìn)行參數(shù)、、的準(zhǔn)確校正，以完成不同|E|和|EC|值對(duì)控位參數(shù)的不同要求，以使被控部件具有優(yōu)良的使用性能。正常情況下，在|E|和|EC|的共同作用下，被控元件對(duì)參數(shù)、、的自調(diào)整定要求如下：（1）當(dāng)|E|較大時(shí)，為使控位系統(tǒng)擁有良好的跟蹤性能，要取數(shù)值大的和數(shù)值小的;同時(shí)為減少系統(tǒng)響應(yīng)次數(shù)出現(xiàn)大幅度的超調(diào)，應(yīng)對(duì)其作用嚴(yán)格限制，一般取=0。（2）當(dāng)|E|為中等數(shù)據(jù)值時(shí)，為使系統(tǒng)具有小規(guī)模的超調(diào)，應(yīng)取數(shù)值小的、適合的和，以確?？匚幌到y(tǒng)的反應(yīng)速度;其中的數(shù)值對(duì)控位系統(tǒng)的響應(yīng)速度有較大影響。（3）當(dāng)|E|數(shù)值較小時(shí)，為使控位系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定狀態(tài)，要取數(shù)值較大的和;同時(shí)為減少系統(tǒng)在特定值區(qū)間出現(xiàn)振蕩，應(yīng)依據(jù)|EC|來(lái)選定。當(dāng)|EC|數(shù)值較小時(shí)，的數(shù)值一般取為中等大小;當(dāng)|EC|數(shù)值較大時(shí)，數(shù)值要取得小一些。

自調(diào)模糊PID控制在電液比例控位系統(tǒng)中的控制效果是理想的。自調(diào)模糊PID控制的單位響應(yīng)曲線上升速度快，過(guò)渡時(shí)間短，超調(diào)量小，這些都表明利用自調(diào)模糊PID控制能夠完成電液比例系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制[3]。由于自調(diào)模糊控制具有一定的智能性，且都屬于非線性控制，所以，設(shè)計(jì)的PID控制器性能非常優(yōu)良。

3.結(jié)論

電液比例控位系統(tǒng)中自調(diào)模糊PID控制以數(shù)字PID控制技術(shù)為基礎(chǔ)，引入自調(diào)模糊理論，將PID數(shù)據(jù)參數(shù)偏差變化數(shù)值準(zhǔn)確反應(yīng)出來(lái)。自調(diào)模糊PID控制所選取的、、三個(gè)參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值，這更符合被控元件對(duì)象的控制規(guī)則，計(jì)算方法易于在計(jì)算機(jī)上完成，適于時(shí)時(shí)自動(dòng)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊詠梅，陳寧.基于MATLAB的模糊自整定PID參數(shù)控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011，11（09）：137-140.

[2]袁鳳蓮.Fuzzy自整定PID控制器設(shè)計(jì)及其MATLAB仿真[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)報(bào)，2012，12（08）：130-132.

[3]王三武，董金發(fā).基于MATLAB模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013，10（10）：121-123.

基金項(xiàng)目：宜賓市科技局項(xiàng)目（2011ZGY002）