一種模糊-PI雙模控制系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)

張省偉，林 輝

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

PI控制作為PID控制的典型代表，以其算法簡單、魯棒性好及可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中[1]。但傳統(tǒng)PI控制適用于建立精確的數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，而大多數(shù)工業(yè)過程不同程度地存在非線性、大滯后、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性，因此普通的PI控制器難以獲得滿意的控制效果[2]。模糊控制不要求被控對(duì)象的精確模型且適應(yīng)性強(qiáng)，能夠克服傳統(tǒng)PI控制器的缺點(diǎn)，可以將模糊控制器與PI控制器結(jié)合起來構(gòu)成復(fù)合控制器，模糊－PI雙?？刂仆瑫r(shí)具備PI控制的穩(wěn)態(tài)性能和模糊控制的動(dòng)態(tài)性能，起到良好的控制效果[3]。

1 模糊-PI雙模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊－PI雙?？刂葡到y(tǒng)由模糊控制器（FC）和PI控制器并聯(lián)組成，并由控制開關(guān)進(jìn)行模式選擇，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 模糊－PI雙?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of fuzzy-PI dual-mode control system structure

其工作原理是當(dāng)系統(tǒng)偏差較大，落在某個(gè)閾值A(chǔ)以外時(shí)，就采用模糊控制以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)系統(tǒng)偏差較小，落在閾值以內(nèi)時(shí)，就采用PI控制以獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能[5]。

控制開關(guān)的控制規(guī)則可以描述為：

2 模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 被控對(duì)象的選取

在控制工程實(shí)踐中，典型的二階系統(tǒng)很常見，即便對(duì)于許多高階系統(tǒng)，在一定條件下也可近似作為二階系統(tǒng)來研究。廣義對(duì)象系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可近似看為：

其中K1、K2是根據(jù)控制對(duì)象的變化可以取不同的數(shù)值來模擬系統(tǒng)的非線性特征。

2.2 PI控制器設(shè)計(jì)

為獲得較好的穩(wěn)態(tài)控制效果，普遍采用PI控制，也就是在系統(tǒng)中加入1個(gè)比例放大器和1個(gè)積分器。通過參數(shù)整定得到PI控制器的參數(shù)為Kp=0.5，Ki=8，單位階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2PI控制單位階躍響應(yīng)曲線Fig.2 Step response curve of PI control unit

2.3 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.3.1 確定輸入、輸出隸數(shù)度函數(shù)

模糊控制器采用二維結(jié)構(gòu)，以偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入信號(hào)，將模糊控制器進(jìn)行模糊化、模糊邏輯推理、解模糊化等一系列操作，最后得到模糊控制器輸出控制量信號(hào)u。模糊推理輸入的語言變量為E和EC，模糊論域?yàn)閇-6，6]，輸出模糊論域變量為 U，模糊論域?yàn)閇0，10]。實(shí)際偏差 e的變化范圍是[-0.5，0.5]，實(shí)際偏差變化率ec的變化范圍是[-1，1]，實(shí)際輸出控制量u的變化范圍是[0，10]。因此可確定偏差e的量化因子Ke=12，偏差變化率ec的量化因子Kec=6，控制量u的量化因子Ku=1。變量E的語言值設(shè)定為6個(gè)，即 {負(fù)大（NB）、負(fù) 中 （NM）、負(fù) 小 （NS）、正 小 （PS）、正 中 （PM）、正 大（PB）}；將變量 EC 的語言值設(shè)定為 5 個(gè)，即{負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正小（PS）、正大（PB）}；輸出變量 U 的語言值設(shè)定為 5 個(gè)，即{負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正小（PS）、正大（PB）}，并設(shè)定好隸屬函數(shù)，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3E隸屬度函數(shù)圖Fig.3 E membership function chart

圖4EC隸屬度函數(shù)圖Fig.4 EC membership function chart

圖5U隸屬度函數(shù)圖Fig.5 U membership function chart

2.3.2 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

模糊-PI雙?？刂浦械哪：刂破髦饕ぷ髟谶^渡過程，希望模糊控制能加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，根據(jù)偏差和偏差變化率的不同狀態(tài)、工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到模糊控制規(guī)則如表1所示[6]。

表1 模糊-PI雙?？刂破鞯哪：刂埔?guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table of fuzzy-PI dual-mode controller

3 模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)的仿真

3.1 建立模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在MATLAB命令窗口鍵入fuzzy命令進(jìn)入模糊邏輯工具箱，在FIS Editor窗口的Edit菜單下確定輸入、輸出變量的論域范圍和各個(gè)語言變量的隸屬函數(shù)形狀等參數(shù)，雙擊每個(gè)圖標(biāo)就可以進(jìn)行編輯，得到模糊控制器的文件。

3.2 建立模糊控制規(guī)則

用Edit菜單下的rules打開模糊規(guī)則編輯器確定 “IF…THEN”形式的模糊控制規(guī)則。u共有控制規(guī)則30條，每條規(guī)則的加權(quán)值都缺省為1，推理算法為max-min合成法，解模糊方法采用取中位數(shù)法[7]。將設(shè)計(jì)好的模糊控制器保存在一個(gè)用戶自己定義的文件，后綴為fis。

3.3 創(chuàng)建仿真框圖

在Simulink環(huán)境下，建立模糊-PI雙?？刂破鞣抡嫦到y(tǒng)結(jié)構(gòu)[8]，如圖6所示，仿真結(jié)果如圖7所示。

雙模系統(tǒng)穩(wěn)定且消差的關(guān)鍵在Kp、Ki兩個(gè)參數(shù)的選擇上，A的主要作用是用來改善仿真曲線前端的形態(tài)，即調(diào)節(jié)超調(diào)量和上升時(shí)間的。從仿真結(jié)果可以看出，模糊-PI雙?？刂葡到y(tǒng)的上升時(shí)間和最大超調(diào)量都有所減少，系統(tǒng)性能更好。

圖6 雙?？刂破鱏imulink仿真模型Fig.6 Simulink simulation model of dual-mode controller

圖7 模糊－PI雙?？刂葡到y(tǒng)仿真結(jié)果Fig．7 Simulation results of fuzzy-PI dual-mode control System

4 結(jié)束語

本文提出的模糊－PI雙?？刂破鳎?dāng)系統(tǒng)偏差較大，采用模糊控制以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)系統(tǒng)偏差較小，采用PI控制以獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能。通過在Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真研究，從仿真結(jié)果可以看出，與典型PI控制器相比，模糊－PI雙模控制器能很好地解決前者上升時(shí)間長、超調(diào)量大缺點(diǎn)，模糊－PI雙模控制系統(tǒng)在快速性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性方面都有較大的改善。

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