EPS試驗臺模糊PID控制器設計

車江鴿，駱艷潔，麥云飛

CHE Jiang-ge，LUO Yan-jie，MAI Yun-fei

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

EPS試驗臺是為了測試EPS的性能參數(shù)等而開發(fā)的機電一體化測試系統(tǒng)。試驗內(nèi)容包括轉(zhuǎn)角實驗，功能實驗，轉(zhuǎn)向力特性實驗，輸入輸出力矩實驗等。

試驗臺設計初期采用常規(guī)的PID控制算法，傳感器等硬件采集到所需的過程變量，輸入程序后，根據(jù)人工預設的Kp、Ki和Kd三個常量計算出最終控制量，再輸出到相應的控制硬件中來進行控制。在實際應用中發(fā)現(xiàn)，EPS試驗臺中采用PID控制算法時，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制曲線的PID參數(shù)很難調(diào)節(jié)，實際上，整個調(diào)試過程中，在PID參數(shù)調(diào)整上花費了大量時間。尤其是試驗臺還在調(diào)整磨合的情況下，更換部分元件就需要調(diào)整一次PID參數(shù)。

為了使EPS試驗臺達到技術要求，并縮短調(diào)試周期，考慮將系統(tǒng)中使用的常規(guī)PID控制算法改為模糊PID控制算法。

1 EPS試驗臺系統(tǒng)構成

EPS試驗臺主要由液壓伺服系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成。

液壓伺服系統(tǒng)作為整個測試系統(tǒng)的動力來源和執(zhí)行機構；測控系統(tǒng)是EPS試驗臺的關鍵，軟件部分的主程序基于NI LabVIEW編寫，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)生、執(zhí)行元件控制、數(shù)據(jù)分析、人機交互、數(shù)據(jù)記錄和狀態(tài)監(jiān)控等操作。數(shù)據(jù)的采集和發(fā)生使用NI的PCI-6221和PCI-6601多功能數(shù)據(jù)采集卡。EPS試驗臺硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 EPS 試驗臺硬件系統(tǒng)組成

2 模糊PID控制算法的構建

PID控制算法的增量表達形式如下：

式 中，Δ2e(k)= Δ2e(k)-Δe(k-1)。KPd=KP、KId=KPTd/TI、KDd=KPTd/TD分別為相應的比例、積分和微分增益常量。

由上式可知，模糊PID控制器的幾種可能形式有：1）e、Δe同時作為模糊控制器和PID控制器的輸入，模糊控制器的輸出KP、KI和KD作為PID控制器的參數(shù)。如圖2(a)所示。 2）由線性PID控制器和SISO模糊控制器構成的模糊PID控制器，模糊控制器的輸入和輸出分別為e (k)和ef(k)。如圖2(b)所示。3）分別設計模糊控制器和PID控制器，誤差較大時使用模糊控制器，誤差較小時使用PID控制器。如圖2(c)所示。4）由模糊P+模糊I+模糊D控制器構成的模糊PID控制器，控制器的輸入和輸出分別為e和ΔuP、Δe和ΔuI、Δ2e和ΔuD。如圖2(d)所示。

圖2 模糊PID控制器的四種形式

考慮到開發(fā)周期，以及系統(tǒng)負荷，本文選用第一種形式。即將偏差e (t)及Δe (t)作為模糊控制器輸入，輸出量為KP、KI和KD。算法離散變換后，模糊控制器的輸入表達為E和EC。

選用第一種形式時，E和EC下的被控過程對Kp、Ki、Kd的整定要求如下：

1）|E|很大時，無論EC大小，為使系統(tǒng)有良好的快速跟蹤性能，應取較大的Kp，同時為避免積分飽和，可取較小Kd。2）若E ·EC＞0，則說明|E|在變大。|E|較大時，應取較大Kp使|E|快速減小，同時取中等Kd，較小的Ki保證系統(tǒng)動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能；|E|較小時，可取中等Kp以改變E變化趨勢，同時取較小Kd和較大Ki避免系統(tǒng)振蕩。3）若E ·EC＜0，說明|E|在減小。|E|較大時，可取中等Kp迅速減小|E|，同時取較小Ki和中等Kd以提高系統(tǒng)動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能；|E|較小時，可取較小Kp，同時取較大Ki和較小Kd。

3 控制算法的LabVIEW實現(xiàn)

本文軟件開發(fā)平臺為NI公司的虛擬儀器軟件LabVIEW 2010，同時安裝PID and Fuzzy Logic Toolkit工具包。

3.1 模糊控制器的設計

在LabVIEW主界面下，可通過菜單欄工具Control Design and SimulationFuzzy System Designer,進入模糊邏輯的圖形設置界面進行輸入、輸出變量論域范圍和各變量隸屬函數(shù)以及模糊規(guī)則的設計，步驟如下：

1）模糊控制器采用“二輸入三輸出”形式設計，輸入變量取E和EC，輸出變量取KP、KI和KD。E、EC、KP、KI、KD的模糊集合?。摯螅撝?，負小，零，正小，正中，正大｝，記為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，量化到[-6，6]的論域中。輸入和輸出的模糊隸屬函數(shù)均取三角隸屬函數(shù)，解模糊方法取中位數(shù)法。

2） 依據(jù)上文所述KP、KI、KD整定要求，進入Rule標簽，逐條添加“IF 'E' IS 'NB' AND 'EC'IS 'NB' THEN'KP' IS 'PB' ALSO 'KI' IS 'NB' ALSO'KD' IS 'NB'”形式的模糊控制規(guī)則共計49條。調(diào)試過程中，可根據(jù)實際情況對某條模糊規(guī)則進行調(diào)整。

3）設置完成后，進入Test System標簽，對設計的模糊控制器輸出特性進行初步測試和分析，驗證控制規(guī)則是否完備，是否有規(guī)律沖突等。

全部完成后，將設計好的模糊控制器保存為后綴名為fs的文件fpid.fs，為下一步在LabVIEW測控程序中調(diào)用做準備。

3.2 模糊控制器子VI設計

EPS試驗臺測控系統(tǒng)可實現(xiàn)人機交互界面、多機通信、數(shù)據(jù)處理和報表生成等功能。系統(tǒng)中大部分功能都以子VI的形式編寫，主程序?qū)ψ覸I進行調(diào)用，這樣設計的好處是可以將不同的功能交于不同的設計人員完成，同時也減小了程序的復雜程度以及出錯的風險。本文設計的模糊PID控制器也將以子VI的形式設計。

實驗時，加載控制曲線，通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)生控制信號，經(jīng)調(diào)理后驅(qū)動液壓缸或馬達運動，同時數(shù)據(jù)采集卡采集從力傳感器產(chǎn)生的反饋信號，對比反饋信號和設定值的差別，動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡的控制信號，從而達到精確控制的目的。

根據(jù)實驗過程可對模糊PID控制器程序進行如下設計。

1） 通過 Read Waveform from File.vi 讀取編寫好的控制波形文件，用來使液壓缸或馬達按照指定曲線運動。

2） 將傳感器連接到NI 6601其中一個通道上，由LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI采集力傳感器數(shù)據(jù)，設定采樣頻率等。然后將采集到的數(shù)據(jù)與加載的控制曲線進行對比，取得E、EC的值。

3） 將前面生成的模糊規(guī)則文件fpid.fs由Load Fuzzy System.vi載入，并將取得的E、EC值連接到模糊控制器Fuzzy Controller.vi的輸入端，選擇模糊控制器模式為多輸入多輸出（MIMO）。Fuzzy Controller.vi將會在內(nèi)部進行變量模糊化、推理、解模糊等一系列操作，然后將KP、KI、KD作為輸出。

4） 最后將KP、KI、KD連接到用于PID控制的PID.vi上，PID.vi的輸出連接到相應的控制端口既可以完成模糊PID控制。至此，模糊PID控制設計完成。程序框圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW 模糊PID控制器部分程序框圖

4 模糊PID控制器驗證

以系統(tǒng)中液壓缸A為例，在前期的實驗中，采用常規(guī)PID控制器，加載最大值為5KN的預設控制曲線時，控制效果如圖4（a）所示，排除部分干擾情況，常規(guī)PID控制器的超調(diào)量在0.8KN,即14%左右，力控制曲線有較大波動。改為模糊PID控制器后，加載相似的最大值為7.6KN的預設控制曲線時，控制效果如圖4（b）所示。采取模糊PID自整定控制器后，系統(tǒng)超調(diào)量為0.4KN，即5%左右。實驗結果表明，采用模糊PID控制器后，控制精度有所提高，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性有所增強。

圖4 常規(guī)PID控制器、模糊PID控制器力控制曲線

5 結論

本控制器的設計是在已有的EPS試驗臺測控系統(tǒng)的基礎上進行。開發(fā)環(huán)境為NI LabVIEW平臺，結合LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit模塊能夠方便的設計模糊PID控制器。將模糊PID控制器引入EPS試驗臺測控系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)響應速度加快、控制精度提高、穩(wěn)態(tài)性能變好，這是單純PID控制難以實現(xiàn)的。開發(fā)過程中所使用的LabVIEW平臺的良好軟硬件結合功能、以及直觀的開發(fā)環(huán)境使得模糊PID控制器的設計時間大大縮短。

[1]韓峻峰, 李玉惠, 等. 模糊控制技術[M]. 重慶: 重慶大學出版社, 2003.

[2]PATEL A V, MOHAN B M. Analytical structures and analysis of the simplest fuzzy PI controllers: analytical structures and stability analysis[J]. Information Science,2003.

[3]KOVACIC Z, BOGDAN S. 胡玉玲, 張立權, 劉艷軍,等譯.模糊控制器設計理論與應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[4]何春華, 蔡志崗. 基于LabVIEW的模糊PID控制系統(tǒng)[J].儀表技術. 2010, (07): 57-62.

[5]羅光明,黃曉宇,朱建林.基于MATLAB的模糊自整定PID參數(shù)控制器計算機仿真[J]. 機械與電子, 2001, (2):23-26.