单片机模糊PID自整定控制算法的实现及仿真
山西电子技术2009年第3期
应用实践
收稿日期:2009-04-09
作者简介:张长林(19542),男,吉林四平人,工程师。
文章编号:167424578(2009)0320045202
单片机模糊PID 自整定控制算法的实现及仿真
张长林,张 镝
(四平无线电监测站,吉林四平136000)
摘 要:工业控制中常用的传统PID 算法,其参数整定不仅复杂、费时、费力,而且不易取得最优参数,使控制
过程达不到理想状态。针对此利用单片机的计算优势,融合最新的模糊控制理论,提出了一种新型的自动的PID 参数整定方法,通过软件模拟及实际检验,均达到了理想效果。
关键词:PID 控制器;参数整定;模糊算法中图分类号:TP273 文献标识码:A
0 引言
PID 控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调
节器,它具有控制原理简单,容易实现,稳态无静差等优点。因此,长期以来广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中,并取得了良好的控制效果。PID 控制器有几个重要的功能:提供反馈控制、通过积分作用可以消除稳态误差、通过微分作用预测将来。当已知对象的精确数学模型时,只要正确设定参数,PID 调节器便可实现精确控制。但在实际中,大多数工业过程都不同程度地存在非线性、参数时变性和模型不确定性,因而传统的PID 控制无法实现对这样过程的精确控制。由于模糊控制不需要建立过程的精确模型而得到了越来越广泛的应用。
传统PID 参数的整定还没有实现自动化,所以采用模糊PID 自整定控制的目的是使控制器能够根据偏差E 和偏差变化EC 的变化而自行调整比例系数Kp 、积分系数Ki 和微分系数Kd ,以达到调节作用的实时最优。由于模糊控制器是采用数字计算机来实现的,因此模糊控制器的设计问题就是模糊化过程、数据库(含数据库和规则库)、推理决策和精确化计算几部分的设计问题。模糊自整定PID 参数控制器的原理图见图1
。
图1 模糊控制系统控制原理图
1 离散化和模糊化过程
模糊自整定PID 控制器是在f uzzy 集的论域中进行讨
论和计算的,因而首先要将输入变量变换到相应的论域,并将输入数据转换成合适的语言值,也就是要对输入量进行模糊化。根据该规则可把实际误差e 、误差变化率ec (d e /d t )对应的语言变量E 、EC 表示成模糊量。E 、EC 的基本论域为[-6,+6],将其离散成13个等级即[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6]。考虑到控制的精度要求,本设计将[-6,+6]分为负大[NB ]、负中[NM ]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB ]等7个语言变量,然后由e 、ec 隶属函数根据最大值法得出相应的模糊变量。
2 模糊控制规则表的建立
1)当E 较大时,为加快系统响应,应取较大的K p 和较
小的K d ,由于积分太强会使系统超调加大,因而要对积分作用加以限制,通常取K i =0或者较小值;
2)当E 中等大小时,为减少系统超调,K p 应适当减小,此时对K d 和K i 的取值要适当;
3)当E 较小时,为减小稳态误差,K p 与K i 应取得大些,在这种情况下,K d 的取值最重要,取值不当会引起系统振荡。
总结操作人员长期的控制经验和PID 控制器参数的整定规律,可以得到一系列模糊推理规则,然后按照调整规则建立模糊控制规则表,可写成条件语句形式的控制规则:If E =33and EC =33then K p =3K i =3K d =3。
本设计中K p 、K i 的控制规则如表1,表2所示(K d 的控制规则从略):
表1 K p 的模糊规划表
e c
K p e
NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PB PM PM PS ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NB PM PS ZO NS NM NM NM NB PB
ZO
ZO
NM
NM
NM
NB
NB
表2 K i 的模糊规划表
e c
K p e
NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NS NB NM NS NS ZO PS PS ZO NM NM NS ZO PS PM PM PS NS NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PB
ZO
ZO
PS
PM
PM
PB
PB
3 逆模糊化处理及输出量的计算
对经过模糊控制规则表求得的K p 、K i 、K d 采用重心法进行逆模糊化处理(重心法在此就不做详细介绍),公式如下:
u(k)=K p3e(k)+K i3T3∑e(j)+Kd3Δe(k)/T.
(1)
式中,u(k)为k采样周期时的输出,e(k)为k采样周期时的偏差,T为采样周期,通过输出u(k)乘以相应的比例因子Ku就可得出精确的输出量u。其公式为:
u=u(k)3Ku.(2)最后,为使输入信号与模糊自整定控制器的论域相同,在模糊控制器的输入前引入了幅度为6的限幅器。
4 实验结果分析及结论
常规PID控制时要想得到比较理想的响应图,三个参数的调整非常繁琐。而且,如果系统环境不断变化,则参数又必须进行重新调整,往往达不到最优。而采用模糊PID控制后,通过模糊控制器对PID进行非线性的参数整定,可使系统无论是快速性方面还是稳定性方面都达到比较好的效果。从实验结果看,采用模糊控制策略整定PID参数相对于普通PID控制策略,其系统的稳态性得到了较大的改善,响应时间大大减少,超调量也得到了一定的改善,增强了可靠性和适应性,提高了控制精度和鲁棒性,特别容易实现非线性化控制。总之,本文研究的模糊PID控制器具有以下一些特点:
(1)算法简单实用,本质上不依赖于系统的数字模型;
(2)可充分利用单片机的软件资源,可靠性高,开发速度快;
(3)克服了传统PID控制器操作的困难,提高了系统的智能化程度;
(4)模糊PID控制器鲁棒性好,具有专家控制器的特点,并可推广应用于其它工作领域。
参考文献
[1] 唐荣锡.CADPCAM技术[M].北京:北京航空航天大
学出版社,1990(2):149-151.
[2] 孙家广.计算机辅助设计技术基础[M].北京:清华大
学出版社,1992(9):82-85.
[3] 孙学涛,李晓秋,谢余强.通用脆弱点数据库的构建
[J].计算机应用,2002,22(9):42-44.
Implementation and Simulation of Fuzzy Self2tuning PID Control
Algorithm of Single2chip
Zhan Chang2lin,Zhang Di
(S i ping Radio Monitoring Center,S i ping J ilin136000,China)
Abstract:The traditional PID algorithm commonly used in industrial control is not only complicated and time2consuming, laborious,but also difficult to obtain the optimal parameters,and can not have the controlled process to achieve the perfect con2 dition.This article uses monolithic integrated circuit’s computation superiority,f uses the newest f uzzy control theory,founds a new automatic PID parameter regulation means.Through the software simulation and the actual proving,it achieves com2 pletely the ideal effect.
K ey w ords:PID controller;adjusting parameter;fuzzy algorithm.
(上接第42页)
df r16-t FirStruct3p Fir;//FIR滤波器数据结构 Frac16Fir
-
in[NUM-SAMPL ES];//滤波前数据
Frac16Fir
-
out[NUM-SAMPL ES];//滤波后数据 …
/3创建FIR滤波器数据结构3/
p Fir=DFR1-df r16FIRCreate(FirCoef s,FIR-CO2 EF-L EN GT H);
/3FIR滤波3/
DFR1
-
dfr16FIR(p Fir,Fir-in,Fir-out,NUM-SAMPL ES);
…
DFR1-df r16FIRDestroy(p Fir);
//注销FIR滤波器数据结构 }
5 结束语
本文介绍了基于CodeWarrior8.0软件自带的开发工具包Q EDesign Lite和Processor Expert,快速进行FIR滤波器窗函数设计的方法。通过软件工具包的综合运用,大大缩减了设计研发的时间。在实际应用中,可以通过对滤波器参数的修改,很容易地实现其他各种滤波器的设计,具有一定的工程设计参考价值。
参考文献
[1] 范寿康,康广荃,尹磊.FreeScale16位DSP原理与开
发应用[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2] FreeScale.DSP56800E162Bit Digital Signal Processor
Core Reference Manual Rev2.0[S].FreeScale Semi2 conductor,Inc,2001.
[3] FreeScale.56F8000Peripheral Reference Manual[S].
FreeScale Semiconductor,Inc,2005.
Design of FIR Filter B ase on56F8013DSP
Liang J un2long,Wang Y ong2ping
(S tate ow ned785Plant,Tai y uan S hanx i030024,China)
Abstract:This paper firstly introduces the f undamental of FIR(Finite Implusion Response)filter and the design methods of Windows f unction;then gets the evaluation of FIR’s unit2pulse2response h(n)by using FreeScale CodeWarrior’s Q EDesign lite Filter Design Toolkit;at last it decrypts briefly the design methods of FIR filter by Processor Expert Toolkit.
K ey w ords:FIR filter;windows f unction;DSP
64山 西 电 子 技 术 2009年