基于 DSP 的電子負(fù)載：模糊自適應(yīng)整定 PID 控制策略

　　4.3模糊自適應(yīng)整定PID控制策略

　　在實(shí)際調(diào)試過程中，現(xiàn)場(chǎng)被控測(cè)試對(duì)象參數(shù)未知，電子負(fù)載電源板和信號(hào)板上打規(guī)模的模擬器件的引進(jìn)，存在控制信號(hào)慣性滯后性，使得常規(guī)PID控制器往往不能達(dá)到理想的控制效果，為了進(jìn)一步提高PID控制的性能，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高性能指標(biāo)的控制要求，模糊PID控制就是針對(duì)控制信號(hào)時(shí)延而提出的，將傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，利用模糊邏輯對(duì)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以補(bǔ)償模擬器件延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響。因此，本系統(tǒng)引入模糊控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)模糊PID控制器，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電壓或電流值的變化，利用模糊控制規(guī)則自動(dòng)調(diào)整PID控制器的參數(shù)。電子負(fù)載系統(tǒng)信號(hào)板控制的核心部件是MOSFET，在恒定的漏源電壓下，它的漏極電流和柵源電壓成非線性變化，而且隨著漏源電流的變化導(dǎo)致MOSFET的溫升，其轉(zhuǎn)移特性曲線處于變化的過程中。在PID控制器中引入智能控制算法，使電子負(fù)載控制精度進(jìn)一步提高，將對(duì)電子負(fù)載調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)DSP中，使DSP根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況，自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，成為具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器。

　　由于經(jīng)驗(yàn)不易精確的描述，控制過程中各種信號(hào)及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量的表示，模糊理論是解決這一難題的最好方法，運(yùn)用模糊控制規(guī)則，DSP根據(jù)電子負(fù)載系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，這就模糊自適應(yīng)PID控制。以誤差e和ec作為輸入，根據(jù)偏差e和偏差變化率ec的變化，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線的修改，通過公式

　　不斷地調(diào)整PID控制器中三個(gè)參數(shù)，以滿足不同時(shí)刻PID參數(shù)自整定的要求，其機(jī)構(gòu)如圖4.7所示。

　　由于設(shè)計(jì)的電子負(fù)載只用到P和I兩個(gè)參數(shù)，所以研究中，是在運(yùn)行中通過不斷的檢測(cè)e和ec，運(yùn)用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，對(duì)P和I兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

　　模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)調(diào)試人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求及被控對(duì)象的實(shí)際情況來選定模糊控制器的輸入、輸出變量，選取變量的論域和隸屬度函數(shù)，建立合適的模糊規(guī)則表，通過查詢模糊矩陣表解模糊后進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。Kp和KI的模糊規(guī)則表見表4.3和表4.4.

　　(1).輸入/輸出變量的論域在電子負(fù)載控制系統(tǒng)中，負(fù)載電流值偏差e和偏差變化率ec(以恒流高檔位為例)，其實(shí)際論域(基本論域)分別為

　　設(shè)定值為6A，取偏差值e的基本論域?yàn)?-0.04，0.04)，偏差變化率ec的基本論域?yàn)?-1，1)?？刂屏康幕菊撚?yàn)?-1，1)?？刂屏康幕菊撚?yàn)?/p>

　　其基本論域的選擇(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值獲得)分別為:K*P∈(-0.035，0.035)和K*I∈(-1.35，1.35)。

　　在具體選擇模糊變量論域時(shí)，既要考慮到各模糊子集能夠很好地覆蓋論域，又要防止出現(xiàn)失控現(xiàn)象，同時(shí)又不能夠隨意地增加論域中元素的個(gè)數(shù)。如果論域中元素過多，雖然系統(tǒng)的控制精度得到提升但是卻大大地增加了DSP工作量可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行速度過慢。因此，選擇具體的模糊變量論域時(shí)，必須兼顧論域的覆蓋率及DSP的運(yùn)算能力，其實(shí)際值在本系統(tǒng)中為(-6，-5…0，1，…6)十三個(gè)等級(jí)。

　　(2)。量化因子和比例因子

　　控制系統(tǒng)每次采樣獲得的采樣值都需要乘上一個(gè)相應(yīng)的因子，使得輸入變量能夠從其實(shí)際論域轉(zhuǎn)換到模糊論域中，這就是量化因子K的概念。一般地，用Ke，Kec分別表示系統(tǒng)的偏差e和偏差的變化率ec的量化因子。根據(jù)前述可知，電流偏差e和偏差變化率ec的實(shí)際論域分別為(-|emax|，|emax|)及(-|ecmax|，|ecmax|)，所有變量的模糊論域同為(-n，-n+1，…0，1，…n)那么，Ke、Kec可由下式確定，即：

　　通過模糊推理獲得的輸出不能直接作用于被控對(duì)象必須通過解模糊接口將其轉(zhuǎn)換為被控對(duì)象所識(shí)別的基本論域中。由前述可知系統(tǒng)控制量的基本論域?yàn)?/p>

　　則其比例因子Kup、Kui分別為：

　　獲得了比例因子之后，最終輸出給被控對(duì)象的任一實(shí)際控制值可以由下式求得：

　　其中K*P、K*I分別表示模糊控制器最終輸出給PID控制器參數(shù)的調(diào)整因子。

　　根據(jù)以上給出的公式及數(shù)據(jù)，可以分別求出本系統(tǒng)的量化因子和比例因子，Ke =150，Kec = 6，Kcp = 0.006，Kui = 0.225.輸入e和ec量化表如下表4.1所示。

　　(3)知識(shí)庫輸入、輸出變量的模糊子集選取為：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大(NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB)，確定了模糊語言變量之后，接下來選擇各變量的隸屬函數(shù)。一般地，隸屬函數(shù)有三角形、高斯型、梯形等。對(duì)于隸屬函數(shù)的選擇，目前也沒有完整的定論可以說明針對(duì)哪種控制對(duì)象使用何種隸屬函數(shù)是最優(yōu)的。因此，選擇隸屬函數(shù)一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或從計(jì)算簡(jiǎn)便上考慮。誤差和誤差變化率輸入、PID參數(shù)的輸出變量的隸屬函數(shù)均選取為三角形隸屬函數(shù)，統(tǒng)一使用下面隸屬函數(shù)圖4.8.