楊大柱

摘要：底盤測功機是一個復(fù)雜的時變非線性、大慣性系統(tǒng)。傳統(tǒng)的PID控制對于非線性、時變性的系統(tǒng)難以達(dá)到控制精度的要求，而模糊PID控制具有在線自動調(diào)整的功能，該文分析了參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，并利用MATLAB軟件中的SIMULINK工具箱進行了仿真，結(jié)果顯示，模糊PID控制方式具有超調(diào)量小、控制精度高、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。

關(guān)鍵詞：模糊控制；PID；MATLAB；SIMULINK

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）28-6719-04

底盤測功機是檢測汽車發(fā)動機功率、加速性能、滑行性能、燃油經(jīng)濟性等性能的的重要設(shè)備。它是一種室內(nèi)滾筒式檢測設(shè)備，主要由臺架部分和控制部分組成，通過飛輪模擬汽車慣性阻力、測功器模擬汽車道路行駛阻力來模擬真實的行駛工況以實現(xiàn)對汽車各種性能的檢測，目前應(yīng)用最廣的測功器是電渦流機。

對底盤測功機進行控制主要有恒速控制和恒轉(zhuǎn)矩控制兩種方式，兩種控制方式的基本過程是相同的，首先將所選定的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩信號與單片機輸出的設(shè)定信號同時輸入給PID控制系統(tǒng)，由PID控制系統(tǒng)輸出加載控制信號（加載或減載電壓）以觸發(fā)可控硅，將可控硅的輸出加在電渦流加載裝置的兩端，使電渦流測功機的電流增大或減?。ê闼倏刂疲┗虮３植蛔儯ê戕D(zhuǎn)矩控制），對反饋回來的速度值或力值進行判斷，從而實現(xiàn)了對電渦流加載裝置的閉環(huán)控制，在電渦流加載的過程中，PID控制器的良好運行程度決定子恒速、恒轉(zhuǎn)矩工況的實現(xiàn)結(jié)果。底盤測功機控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

1 模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計

由于傳統(tǒng)的PID控制對于非線性、時變性的系統(tǒng)難以達(dá)到控制精度的要求，而模糊PID控制具有自動調(diào)整的功能，所以本文采用模糊PID作為參數(shù)推理機制和調(diào)整策略。PID控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方程為：

[u（t）=KP[e（t）+1TI0te（t）dt+TDde（t）dt]]

式中，u（t）為PID控制器的輸出，t為采樣時間，KP為控制器的比例增益；e（t）為PID控制器的偏差輸入，即給定值與測量值之差；TI 為控制器的積分時間常數(shù)；TD 為控制器的微分時間常數(shù)。模糊PID控制是以偏差e和偏差的變化率ec作為輸入，然后通過模糊控制決策求出PID控制的三個重要參數(shù)，分別是[KP、KI、KD]，經(jīng)過模糊PID的調(diào)整后，控制電渦流測功器的勵磁電流，從而實現(xiàn)對底盤測功機的閉環(huán)控制。模糊PID控制原理如圖2所示。

1.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分就是模糊控制器的設(shè)計，它的好壞直接關(guān)系到模糊控制系統(tǒng)的控制性能，可以說整個模糊控制系統(tǒng)是否能實現(xiàn)控制效果，完全取決于模糊控制器的設(shè)計。模糊控制器被設(shè)計為五部分組成，分別為輸入模糊化接口、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、模糊推理機和輸出量解模糊接口，其結(jié)構(gòu)框圖3所示。

其中，模糊化接口作為模糊控制器的輸入，它是將輸入的確定量轉(zhuǎn)換為模糊控制器可以識別的模糊量，只有通過模糊化接口轉(zhuǎn)換的模糊量才能作為模糊控制器的輸入；數(shù)據(jù)庫是用來存放模糊控制系統(tǒng)器中全部模糊變量的隸屬度值或隸屬度函數(shù)的；規(guī)則庫用以存放模糊控制器中的所有模糊規(guī)則，在模糊推理過程中，為推理機提供控制規(guī)則；推理機可以說是模糊控制器最重要的部分，是進行模糊推理的機構(gòu)，即根據(jù)輸入量和模糊規(guī)則得出需求輸出的模糊量。推理過程分為正向推理和逆向推理兩種，其中最基本的就是Zadeh近似推理；通過推理機推理得出的值都是模糊量，要想得到確定量就要經(jīng)過解模糊接口，對模糊量進行解模糊操作，顧名思義，解模糊接口就是通過特定的方法將模糊量轉(zhuǎn)換成確定量，它與模糊化接口是互逆的關(guān)系。

1.2 比例因子和量化因子

比例因子和量化因子的作用除了能夠進行論域變換，使前后模塊相匹配，還可以在整個系統(tǒng)中起到一定的調(diào)節(jié)作用。因為它們的變化就相當(dāng)于對實際測量信號的縮小或放大，這將會影響到采樣信號對系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)作用。該文為了便于比較常規(guī)PID與模糊PID的控制效果，將[KP、KI、KD]這 3個因子固定，通過改變量化因子、比例因子以及模糊論域的方法去改變輸出結(jié)果。

1.3 模糊范圍及隸屬度函數(shù)的確定

E為輸入偏差e的語言變量，EC為偏差變化率ec的語言變量。{-3，-2，-1，0，1，2，3}為E和EC的取值范圍，{NB，NM，ZO，PS，PM，PB}為它們的模糊子集。[KP、KI、KD]的量化范圍為（一0.3，0.3），（-0.06，0.06），（-3，3）。各變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)，其中偏差e、ec的隸屬度曲線如圖4、圖5所示，[KP、KI、KD] 的隸屬度曲線和圖3、圖4相似。只是論域范圍不同。

1.4 模糊控制規(guī)則設(shè)計

比例因子[KP]的作用是使輸入量向誤差減小的方向變化，加大[KP]可以減小靜差，但如果[KP]過大，則會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)過大；微分因子[KD]的作用是對誤差進行微分，加大[KD]可以使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，如果[KD]過大，會使系統(tǒng)抗干擾能力下降；積分因子[KI] 的作用是對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差，由于積分運算具有滯后性，所以過大的[KI] 會影響被控制對象的動態(tài)品質(zhì)。 在模糊控制規(guī)則表建立好以后，[KP、KI、KD]可查表代入下式計算：

[kp=k/p+{ei，eci}p]

[ki=k/i+{ei，eci}i]

[kd=k/d+{ei，eci}d]

其中，[k/p]、[k/i]，[k/d]為設(shè)置的初始值，[{ei，eci}p]、[{ei，eci}i]、[{ei，eci}d]為通過模糊調(diào)整后的調(diào)整值。該文所采用的PID控制C程序流程圖如圖6所示。

2 PID控制仿真

同時建立恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的常規(guī)PID控制、模糊PID控制仿真模型，如圖7所示，以對比觀察動態(tài)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)相關(guān)文獻資料可知底盤測功機在恒速運轉(zhuǎn)下的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

[GS=523500S3+87.35S2+10470S] ，

其中，階躍信號作為系統(tǒng)的輸入，在常規(guī)PID控制中，經(jīng)過調(diào)試選取[KP、KI、KD]的值分別為0.9 ，0.016， 0.0001，并將此值作為模糊PID的[KP、KI、KD]初始值的參考值，在模糊PID控制中，根據(jù)[e]， [ec]來調(diào)整[KP、KI、KD]的值，使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)跟隨性較好，仿真結(jié)果如圖8所示，取仿真時間為0.5 s，從圖中可以看出，在常規(guī)PID控制下，響應(yīng)的穩(wěn)定值出現(xiàn)在0.3s左右，而在模糊PID的控制下，響應(yīng)穩(wěn)定值出現(xiàn)在0.17s左右，且跟隨性較明顯好于常規(guī)PID控制。

3 結(jié)束語

本文基于傳統(tǒng)PID基礎(chǔ)上設(shè)計了模糊PID控制系統(tǒng)，從MATLAB仿真結(jié)果可以看出.模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制超調(diào)量小、震蕩少、響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的控制精度得到進一步提高，仿真結(jié)果驗證了所建立模擬PID控制模型的正確性與實用性，為對底盤測功機控制系統(tǒng)進一步改進、完善奠定了基礎(chǔ)。

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