模糊PID控制在MTS控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

周挺 桑煒

摘要：針對(duì)模糊PID控制在面對(duì)大遲滯、強(qiáng)非線性對(duì)象時(shí)的控制優(yōu)越性，借助MATLAB模糊控制工具箱，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，并在Simulink下與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行仿真對(duì)比;使用MTS控制系統(tǒng)的虛擬通道和計(jì)算回路功能，結(jié)合MATLAB生成的離線模糊查詢?cè)?，將模糊PlD控制應(yīng)用于MTS控制系統(tǒng)，擴(kuò)展了系統(tǒng)的控制算法，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)的試驗(yàn)控制提供更多的解決方案。

關(guān)鍵詞：模糊控制;MATLAB仿真;離線模糊查詢表;MTS控制系統(tǒng);計(jì)算機(jī)控制

中圖分類號(hào)：TP273.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）29-0263-04

1概述

模糊控制是智能控制理論的一個(gè)重要分支，自20世紀(jì)中葉建立至今，其理論研究已比較成熟。隨著計(jì)算機(jī)的普及，模糊控制廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。模糊PID控制結(jié)合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，通過模糊控制規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制器的比例、積分、微分參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)控制性能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)魯棒性和動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)較好的優(yōu)點(diǎn)，在被控對(duì)象表現(xiàn)為大遲滯、強(qiáng)非線性時(shí)，控制效果尤為突出。MTS控制系統(tǒng)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)中常用控制設(shè)備，其具備的虛擬通道和計(jì)算回蹦Calculation in the loop）功能提供了反饋信號(hào)和控制輸出的編輯接口，用戶可屏蔽系統(tǒng)固有的PID控制器，自行編程實(shí)現(xiàn)特定的控制算法。本文借助MATLAB的模糊控制工具箱（FuzzyLogic Toolbox）設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證并生成離線模糊控制查詢表;在MTS控制系統(tǒng)中通過通道配置、變量定義和算法編輯，實(shí)現(xiàn)模糊PID控制在MTS控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.2設(shè)計(jì)模糊控制的隸屬度函數(shù)

隸屬度函數(shù)是用來描述論域中元素對(duì)模糊子集的隸屬程度，隸屬函數(shù)的選取決定著控制性能的穩(wěn)定和靈敏度。模糊子集所取論域范圍較大時(shí)，控制靈敏度較低，控制相對(duì)平緩，所取論域范圍較小時(shí)，控制靈敏度較高。本文采用三角分布隸屬度函數(shù)，所有輸入和輸出變量取值相同，其隸屬度賦值表如表1所示。

2.3建立模糊控制規(guī)則

根據(jù)專家工程經(jīng)驗(yàn)，歸納總結(jié)模糊控制規(guī)則，建立模糊控制規(guī)則表，其基本思路為：

a）當(dāng)誤差e較大時(shí)，取較大的Kp值和較小的Kd值，提高響應(yīng)速度，使系統(tǒng)獲得較好的跟蹤性能，并避免微分飽和;取較小的K值，防止系統(tǒng)出現(xiàn)較大超調(diào);

b）當(dāng)e和ec為中等大小時(shí)，取較小的Kp值，使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度;取適中的K值和Kd值;

a）當(dāng)e較小時(shí)，取較大的K值和K值，減小系統(tǒng)靜差，提高控制精度;并且，當(dāng)ec較小時(shí)，取較大的Kd值，當(dāng)ec較大時(shí)，取較小的%值，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性;

2.4模糊推理和反模糊化

選用Mamdani模糊邏輯推理法和“max-min”法則進(jìn)行模糊關(guān)系的合成運(yùn)算，反模糊化方法采用面積中心法（centroid），設(shè)計(jì)生成名為“fuzzy”的模糊控制器，并通過下述M程序生成離線模糊查詢表，如表2所示。

3系統(tǒng)仿真

在Simulink下搭建設(shè)計(jì)的模糊控制器，并以一典型自衡

4模糊PID控制器的實(shí)現(xiàn)

MTS控制系統(tǒng)具備常規(guī)PID控制器，配置傳感器反饋信號(hào)至系統(tǒng)輸入通道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)信號(hào)至系統(tǒng)輸出通道，實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線整定的PID控制;還提供了虛擬通道及計(jì)算回路功能，用戶可繞開系統(tǒng)固有常規(guī)PID控制，以虛擬輸入輸出通道為中間變量對(duì)實(shí)際輸入輸出信號(hào)進(jìn)行編輯以及通道控制模式的切換，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法。對(duì)于模糊PID控制器，按下述步驟在MTS控制系統(tǒng)中實(shí)施。

4.1通道配置

圖4為系統(tǒng)通道配置界面，包括1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制通道（Stan-dard Type）、1個(gè)設(shè)定值控制通道（set Point Only Type）、4個(gè)計(jì)算輸出通道（Calculated Output Type），其具體輸入輸出配置及功能描述如表4所示。

4.2變量定義

配置8個(gè)全局變量，分別定義為PID控制的初始設(shè)定設(shè)定

由式（1）和式（3）編寫主回路PID數(shù)字控制程序，使標(biāo)準(zhǔn)控制通道的虛擬輸A5～7分別計(jì)算P、I、D控制輸出，令計(jì)算輸出4通道對(duì)整個(gè)控制輸出進(jìn)行整合和管理，實(shí)現(xiàn)主體控制算法，其程序不再贅述。其中積分算法進(jìn)行限幅控制，微分算法去除指令值影響。

5結(jié)論

a）模糊PID控制較傳統(tǒng)PID控制克服了控制參數(shù)在線手動(dòng)調(diào)整帶來的局限性，系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，且不損失穩(wěn)態(tài)精度，提升了系統(tǒng)的控制特性;

b）采用離線設(shè)計(jì)模糊查詢表的方法，可將模糊PID控制部署于MTS控制系統(tǒng)中，在進(jìn)行不同工況的飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)時(shí)，工程人員可完成更精確和有效的控制。正文內(nèi)容。