減速器試驗(yàn)臺(tái)水冷系統(tǒng)算法仿真

朱兆元

（北方民族大學(xué)，寧夏 銀川 750021）

在一些系統(tǒng)復(fù)雜程度性高或被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型難以建立的系統(tǒng)中，通過(guò)操作人員的豐富經(jīng)驗(yàn)或者實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)可以調(diào)節(jié)出滿意的控制效果。模糊控制就是模擬人類(lèi)思維，在計(jì)算機(jī)內(nèi)核植入自然語(yǔ)言，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的智能靈活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種控制策略。

1 模糊控制理論

模糊控制器的具體模塊分為四部分：模糊化過(guò)程、知識(shí)庫(kù)（包含數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)）、推理決策以及精確化計(jì)算。模糊化過(guò)程是將準(zhǔn)確的測(cè)量輸入變量值轉(zhuǎn)變?yōu)槟：蛹?，將?shù)字形式轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言值表示的隸屬程度。知識(shí)庫(kù)包含數(shù)據(jù)庫(kù)與規(guī)則庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)提供了模糊推理、模糊化接口以及精確化計(jì)算接口的相關(guān)論域的必須數(shù)據(jù)，還包括各種語(yǔ)言規(guī)則論域的離散化、量化、正則化等；規(guī)則庫(kù)則根據(jù)控制要求給出由語(yǔ)言值描述的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的控制規(guī)則集合。推理決策指采用某種推理算法，以采樣時(shí)刻的輸入和基于模糊規(guī)則推導(dǎo)出模糊控制器的輸出。精確化過(guò)程是由推理出的模糊推理結(jié)果反推理出的最佳準(zhǔn)確值的過(guò)程。

2 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PID控制器在面對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中可以準(zhǔn)確描述被控對(duì)象的線性定常系統(tǒng)時(shí)控制效果非常好，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中的被控對(duì)象不僅較為復(fù)雜而且不能計(jì)算出精確無(wú)誤的傳遞函數(shù)。通過(guò)模糊控制將控制規(guī)則和控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟：?，并給與評(píng)價(jià)指標(biāo)從而得到理想的PID參數(shù)，稱(chēng)為模糊自適應(yīng)PID控制。參數(shù)模糊自整定首演要找出誤差e和誤差變化△e與PID算法中Kp、Ki、Kd這三個(gè)參數(shù)直接的模糊關(guān)系。根據(jù)對(duì)e和△e在運(yùn)行過(guò)程采樣，結(jié)合模糊規(guī)則對(duì)Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線修改，以滿足不同控制器的具體要求。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)PID控制器框圖

針對(duì)油溫的模糊控制器是一個(gè)兩輸入三輸出的控制器，以油溫誤差e和油溫誤差變化△e作為兩路輸入量，輸出PID控制器中合適的Kp、Ki、Kd三個(gè)輸出量。

其中e、△e、Kp、Ki、Kd的模糊子集論域?yàn)閇-6，6]，模糊子集為{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，e和△e的基本論域分別為[-8，8]和[-12，12]，Kp、Ki、Kd的基本論域分別為[-0.25 0.25 ]、[-0.0 8 0.08 ]、[-0.6 0.6 ]。

故能求得量化因子：

參考時(shí)滯性強(qiáng)的溫度大滯后系統(tǒng)控制方法和控制經(jīng)驗(yàn)去建立模糊規(guī)則，模糊規(guī)則可見(jiàn)表1。

在Matlab中輸入fuzzy來(lái)調(diào)用出模糊推理編輯器，以Mamdani推理規(guī)則得到模糊推理系統(tǒng)，添加輸入油溫誤差e、油溫誤差變化ec；添加輸出參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd。在隸屬函數(shù)編輯器中采用三角形隸屬度函數(shù)，并為輸入輸出設(shè)置好相應(yīng)變量論域、范圍、模糊子集、子集論域。同時(shí)根據(jù)表1、2、3添加共計(jì)四十九個(gè)模糊規(guī)則。

表1 △kp/△ki/△kd模糊控制規(guī)則表

圖2 模糊控制系統(tǒng)仿真圖

從兩種算法仿真結(jié)果對(duì)比圖像可知：在溫度控制這種具有大時(shí)滯性和大慣性的系統(tǒng)中，普通PID算法會(huì)造成的超調(diào)量過(guò)大可能會(huì)溫度過(guò)高影響試驗(yàn)臺(tái)性能；模糊PID算法在此有所改善，但是到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間略長(zhǎng)，控制精度上能達(dá)到要求，而且有著良好的動(dòng)態(tài)性能，通過(guò)仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出模糊PID控制算法能夠滿足水冷系統(tǒng)的控制要求。

圖3 模糊PID系統(tǒng)仿真結(jié)果