基于Fuzzy-PID控制的程控電流源設計

范山東，崔師明

(1.黑龍江科技學院電氣與信息工程學院，黑龍江哈爾濱 150027;2.黑龍江林業(yè)高級技術(shù)學院，黑龍江綏化 152061)

電流源在儀器儀表標定、校驗、設備檢測中應用廣泛，為了便于電流的設定與調(diào)節(jié)，實際的電流源都是通過壓控變換電路實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)輸入電壓控制輸出電流的大小。一般都是采用開環(huán)控制，即利用微處理控制電路，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 程控電流源開環(huán)電路

這種實現(xiàn)方法是一種開環(huán)式的，通過調(diào)節(jié)輸入電壓手動調(diào)節(jié)輸出電流的大小，但這種地阿牛的輸出效果系統(tǒng)并不知道，造成電流的輸出精度不高，無法達到高精度要求。為此，在傳統(tǒng)開環(huán)電路基礎上利用控制系統(tǒng)中的反饋控制，給電路加上反饋電路，軟件上利用積分分離PID算法實現(xiàn)輸出電流的精確控制［1-2］。

1 硬件設計

系統(tǒng)利用STC89C52單片機將被預置的電流通過換算由TLC5615進行D/A轉(zhuǎn)換，實行電壓輸出，并驅(qū)動V/I轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電流輸出，同時將該電流值對應的電壓通過閉環(huán)回路，經(jīng)信號處理電路，用高精度的采樣電阻進行電流采樣，利用ADC0832進行A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機系統(tǒng)組成閉環(huán)負反饋，單片機系統(tǒng)通過PID算法調(diào)整電流輸出，并驅(qū)動顯示電路顯示當前電流值。具體電路如圖2所示。

2 模糊PID控制器的設計

系統(tǒng)硬件電路的設計使得整個電路構(gòu)成一個閉環(huán)，為PID算法的實現(xiàn)提供了硬件基礎。PID控制工業(yè)上很早應用的一種經(jīng)典的控制策略，PID控制算法簡單、可靠性高、魯棒性好，被廣泛應用到過程控制中。但它對具有非線性(飽和、時延、回程等)和不確定性等特征的系統(tǒng)很難達到預期效果。

2.1 系統(tǒng)的控制原理圖

在本系統(tǒng)中采用模糊與PID算法相結(jié)合的Fuzzg-PID控制，控制原理圖如圖3。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

圖3 Fuzzy-PID控制器的原理圖

模糊推理過程為兩輸入三輸出的系統(tǒng)。兩個輸入分別為系統(tǒng)誤差E和誤差的變化率EC，輸出為PID的三個控制參數(shù) Kp，Ki和 Kd。

2.2 模糊控制規(guī)則庫和隸屬函數(shù)的設計

模糊控制設計的核心是總結(jié)工程設計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表。本文選用工程上最常用的線性控制規(guī)則庫(表1)和標準三角形隸屬函數(shù)［-1，1］(圖4)。將模糊化后的輸入變量 E，E分為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大七個模糊集合，分別表示為表1 中的 NL，NM，NS，ZR，PS，PM，PL。

Kp的語言變量為:{NB，NM，MS，O，PS，PM，PB}

Ki的語言變量為:{NB，NM，MS，O，PS，PM，PB}

Kd的語言變量為:{NB，NM，MS，O，PS，PM，PB}

E 和 EC的論域均為:{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

Kp，Ki，Kd的論域均為:{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

表1 線性控制規(guī)律庫

PS NM NS ZR PS PM PL PL ZR NL NM NS ZR PS PM PL NS NL NL NM NS ZR PS PM NM NL NL NL NM NS ZR PS__NL NL NL NL NL NM NS ZR

圖4 輸入和輸出變量的隸屬函數(shù)

PID參數(shù)模糊整定就是找出PID三個參數(shù)與誤差E和誤差變化率EC之間的模糊關(guān)系，運行中通過不斷檢測E和EC，由模糊控制原理對三個參數(shù)進行實時修改，以用來滿足不同E和EC對控制參數(shù)的不同要求，以致使被控制對象有良好的動、靜態(tài)性能［3］。

2.3 模糊控制查詢表

利用m文件生成模糊控制查詢表，整理后的模糊控制查詢表如表2、表3和表4所示:

表2 Kp模糊控制查詢表

表3 Ki模糊控制查詢表

表4 Kd模糊控制查詢表

1 -3-2-2-1-1 1 2 2 3 4 4 5 5 2 -3-2-2-1 0 2 3 3 3 4 4 5 6 3 -1-1-1 1 2 2 3 4 4 4 5 5 6 4 0 1 0 2 3 3 3 4 4 5 6 6 6 5 1 1 1 2 3 3 4 4 4 5 6 6 6 6 0 1 0 2 3 3 4 4 4 5 6 6 6

2.4 系統(tǒng)仿真

用上述方法分別設計PID，F(xiàn)LC和Fuzzy-PID控制器，F(xiàn)LC和Fuzzy-PID的模糊控制規(guī)則庫和輸入輸出變量隸屬函數(shù)與2.2條相同。下面是三種控制器的性能比較，和Fuzzy-PID控制器在三種參數(shù)的性能比較［5］。

a)三種控制器的參數(shù)設計為:1)PID:Kp=0.4，Ki=0.09，Kd=0.5;2)FLC:Kp=1，Ki=0.45，Kd=2.4;3)Fuzzy-PID:Kp=0.7，Ki=0.2，Kd=0.6;在單位階躍信號輸入下，三種控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 三個控制系統(tǒng)的仿真

b)三種參數(shù)下的Fuzzy-PID控制器的響應曲線:1)Kp=0.5，Ki=0.1，Kd=0.5;2)Kp=0.65，Ki=0.12，Kd=0.6;3)Kp=0.45，Ki=0.12，Kd=0.5;在單位階躍信號輸入下，其響應曲線如圖6所示。

圖6 三組參數(shù)下Fuzzy-PID系統(tǒng)的響應線

2.5 仿真結(jié)果分析

在單位階躍信號輸入下，三種控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示，可見，F(xiàn)uzzy-PID控制系統(tǒng)和 PID，F(xiàn)LC系統(tǒng)一樣，在單位階躍輸入下為無差系統(tǒng)，且具有較好的動態(tài)品質(zhì)。它的優(yōu)點是與PID相比，其初始能量較小;與FLC相比，F(xiàn)uzzy-PID的響應更快，上升時間更短。而在三種參數(shù)下的Fuzzy-PID控制器的響應曲線如圖6所示，從圖6上可見第二組數(shù)據(jù)綜合性能最好，響應速度快又無超調(diào)。

3 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果分析，確定Kp=0.65，Ki=0.12，Kd=0.6時系統(tǒng)的性能最好。該程控電流源的性能指標為:量程0～2 A，電流調(diào)整精度＜0.4 mA，誤差＜0.1%，穩(wěn)定時間＜4 s，系統(tǒng)響應曲線如圖6所示。采用Fuzzy-PID控制器設計系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的PID控制的電流源在控制精度上更高，對于系統(tǒng)出現(xiàn)的非線性因素有很好的抑制作用，魯棒性更好。如果想進一步獲得更理想的參數(shù)，可以利用遺傳算法對對參數(shù)進行細調(diào)和優(yōu)化。

［1］劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真［M］.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］Koksal Erenturk.Matlab-based GUIS for fuzzy logic controller design and applications to PMDC motor and AVR control［J］.Comput Appl Eng Educ，Wiley Peri-odicals Inc，2005，(13):10-25.

［3］王琦.精密程控電流源的設計及應用［J］.國外電子元器件.2005，(10):30-34.

［4］苗敬利.模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的仿真研究［J］.微軟計算機信息，2003，(07).

［5］沈偉.模糊控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用［J］.管道與技術(shù)設備，2003，(5).