基于PCC的模糊PID控制器设计.PDF

基于PCC 的模糊PID 控制器设计 深圳供电局 张小虎 摘要:通过对控制领域中常见的非线性、时变、大滞后、强耦合、变结构以及结束条件苛刻等 复杂问题的分析，根据现代控制理论中模糊控制的特点，提出了一种基于可编程计算机控制器 （PCC）的模糊PID控制器。实现了以新一代PCC为硬件，采用离线计算的方法对输入量进行 模糊推理，生成在线查询表。利用在线查表插值的方法对PID控制算法中的三个参数Kp,Ki,Kd 进行在线调整，实现模糊PID控制器。提出带死区的模糊控制算法以及二元三点插值法来改善 控制器的稳态性能和动态误差，通过利用软件编程的方式直接将控制表和在线部分直接下载到 PCC的CPU模块中的方法，来满足控制器通用性的要求。该控制方案具有调节速度快、适应 能力强、可靠性高等优点。实验结果表明，该控制器具有强抗扰、响应快、鲁棒性好等特点。 关键词:PCC 模糊控制 在线查表插值 引言 新一代的可编程计算机控制器（Programmable Computer Controller，简称PCC）以其 高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性已成为工业控制领域中增长速度最迅猛的 工业控制设备，它能很好地解决工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问 题[1] 。现代控制系统中的模糊控制能方便地解决工业领域中常见的非线性、时变、大滞后、强 耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。这两者的结合，能在实际工程应用中产生巨大价 值。基于PCC 的模糊PID 控制器是以纯软件实现的，对于PCC 硬件模块除了最基本的硬件 配置（CPU、应用程序内存地址区）以外不需要其他的额外配置[2] 。此外，由于一般模糊控制 器的设计是依据实际控制问题，设计出适合于一定被控过程的控制器，使之达到预定的目标， 因而它的隶属函数、控制规则以及用于控制的其它数据一旦确定并输入到微处理器的存储器 中，便不会再改变。模糊PID 控制器以通用化为目的，它必须可以根据用户的需要及实际的控 制对象灵活地选择各模糊变量论域范围、变量子集、模糊推理和去模糊化的方法。本文研究了 基于新一代PCC 模糊PID 控制器，用离线计算、在线查表插值的方法实现模糊控制[3-5] 。 硬件设计 目前大部分控制系统均采用基于单片机或工业控制计算机的控制器。基于单片机的控制器 在运行中由于各种可能出现死机等现象，其可靠性大大降低，影响控制器的安全可靠运行。基 于工控机的控制器，虽有实时操作系统支持，运行速度快，实时性强，图文显示方便，但体积 大，且成本高，仅适合于大型的控制系统。因此研制高可靠性、通用性、系列化、标准化的通 用控制器是当前的发展趋势。 新一代可编程计算器具有经济性和高效性等特点，它可直接应用于现场工业环境中，具有 很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。并有各种标准的通讯接口，与控制系统信息 交互非常灵活[1] 。可编程计算机控制器硬件组成如图1 所示图。 图1 可编程计算机控制器硬件组成图 图1 中控制器的输入量为闭环控制的给定量和反馈量，输出量直接连接控制系统中的控制 设备上。输入输出部件为模拟量、数字量I/O 模块，执行输入输出控制。微机编程器通过多种 通讯方式（如RS232、RS485 和CAN 等）与PCC 进行通讯。 软件设计 在线查表模糊控制器中存在着模糊量化取整环节，即当误差 E 与误差变化率EC 不等于模 糊语言值（例如 NB，NM，NS，ZO，PS，PM 或 PB）时，对E 和 EC 取整，这时从查询表 中查到的控制量 U 只能近似地反映模糊控制规则，因此产生误差。由于量化误差的存在，不 仅使模糊控制器的输出 U 不能准确地反映其控制规则，而且会造成调节死区，在稳态阶段， 使系统产生稳态误差，甚至会产生颤振现象。文中提出二元三点插值法可从根本上消除了量化 误差和调节死区，克服由于量化误差而引起的稳态误差和稳态颤振现象[6-7] 。图 2 给出了模糊 PID 控制器的基本组成结构。 离线计算 知识库 ECE 模糊化 模糊推理 去模糊化 U e ke 二元