來源：電子元器件應(yīng)用  作者：馮桂寧 蔣翔俊

0 引言

由于液壓伺服系統(tǒng)的固有特性(如死區(qū)、泄漏、阻尼系數(shù)的時變性以及負(fù)載干擾的存在)，系統(tǒng)往往會呈現(xiàn)典型的不確定性和非線性特性。這類系統(tǒng)一般很難精確描述控制對象的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，而常規(guī)的PID控制又難以取得良好的控制效果。另外，單一的模糊控制雖不需要精確的數(shù)學(xué)模型，但是卻極易在平衡點附近產(chǎn)生小振幅振蕩，從而使整個控制系統(tǒng)不能擁有良好的動態(tài)品質(zhì)。

本文針對這兩種控制的優(yōu)缺點并結(jié)合模糊控制技術(shù)，探討了液壓伺服系統(tǒng)的模糊自整定PID控制方法，同時利用MATLAB軟件提供的Simulink和Fuzzy工具箱對液壓伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模糊自整定PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與常規(guī)PID控制進(jìn)行了比較。此外，本文還嘗試將控制系統(tǒng)通過單片機的數(shù)字化處理，并在電液伺服實驗臺上進(jìn)行了測試，測試證明：該方法能使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單化，操作靈活化，并可增強可靠性和適應(yīng)性，提高控制精度和魯棒性，特別容易實現(xiàn)非線性化控制。

1 模糊PID自整定控制器的設(shè)計

本控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、速度顯示和速度控制等功能。其中智能模糊控制由單片機完成，并采用規(guī)則自整定PID控制算法進(jìn)行過程控制。整個系統(tǒng)的核心是模糊控制器，AT89C51單片機是控制器的主體模塊。電液伺服系統(tǒng)輸出的速度信號經(jīng)傳感器和A／D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入單片機，單片機則根據(jù)輸入的各種命令，并通過模糊控制算法計算控制量，然后將輸出信號通過D／A轉(zhuǎn)換送給液壓伺服系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)的速度。該模糊控制器的硬件框圖如圖1所示。

模糊控制器的主程序包括初始化、鍵盤管理及控制模塊和顯示模塊的調(diào)用等。溫度信號的采集、標(biāo)度變換、控制算法以及速度顯示等功能的實現(xiàn)可由各子程序完成。軟件的主要流程是：利用AT89C51單片機調(diào)A／D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊以得到速度的反饋信號，然后根據(jù)偏差和偏差的變化率計算輸入量，再由模糊PID自整定控制算法得出輸出控制量。啟動、停止可通過鍵盤并利用外部中斷產(chǎn)生，有按鍵輸入則調(diào)用中斷服務(wù)程序。該程序的流程圖如圖2所示。

2 模糊控制器算法研究

采用模糊PID自整定控制的目的是使控制器能夠根據(jù)實際情況調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，以達(dá)到調(diào)節(jié)作用的實時最優(yōu)。該電液伺服系統(tǒng)的Fuzzy自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了簡化運算和滿足實時性要求，即該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本控制仍為PID控制，但使PID調(diào)節(jié)參數(shù)由模糊自整定控制器根據(jù)偏差e和偏差變化率ec進(jìn)行自動調(diào)整，同時把模糊自整定控制器的模糊部分按Kp、Ki和Kd分成3部分，分別由相應(yīng)的子推理器來實現(xiàn)。

2.1 輸入值的模糊化

模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的論域中進(jìn)行討論和計算的，因而首先要將輸入變量變換到相應(yīng)的論域，并將輸人數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的語言值，也就是要對輸入量進(jìn)行模糊化。結(jié)合本液壓伺服系統(tǒng)的特性，這里選擇模糊變量的模糊集隸屬函數(shù)為正態(tài)分布，具體分布如圖4所示。根據(jù)該規(guī)則可把實際誤差e、誤差變化率ec(de／dt)對應(yīng)的語言變量E、EC表示成模糊量。E、EC的基本論域為[-6，+6]，將其離散成13個等級即[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]�？紤]到控制的精度要求，本設(shè)計將[-6，+6]分為負(fù)大[NB]、負(fù)中[NM]、負(fù)小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等7個語言變量，然后由e、ec隸屬函數(shù)根據(jù)最大值法得出相應(yīng)的模糊變量。

2.2 模糊控制規(guī)則表的建立

(1) Kp控制規(guī)則設(shè)計

在PID控制器中，Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。增大Kp能提高響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但Kp過小會減慢響應(yīng)速度，延長調(diào)節(jié)時間。因此，調(diào)節(jié)初期應(yīng)適當(dāng)取較大的Kp值以提高響應(yīng)速度，而在調(diào)節(jié)中期，Kp則取較小值，以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度；而在調(diào)節(jié)過程后期再將Kp值調(diào)到較大值來減小靜差，提高控制精度。Kp的控制規(guī)則如表1所列。

(2) Ki控制規(guī)則設(shè)計
在系統(tǒng)控制中，積分控制主要是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由于某些原因(如飽和非線