模糊自适应PID控制在电液伺服系统中的应用研究

　　1 前 言

　　在工业过程控制和运动控制中，常规的 PID 调节器仍占有很大的比重，这是因为它具有算法简单、整定方便，鲁棒性强，可靠性高和不需要对象的精确数学模型等优点。但对于具有延迟、非线性和参数时变的控制系统，PID 参数只有不断地根据对象参数的变化进行适应性的自整定或调整，才能得到最优的控制效果。模糊控制是智能控制中最为活跃的领域之一，它与常规 PID 控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成智能 PID 控制。它具有不依赖系统精确数学模型的特点，对系统参数变化具有较好的鲁棒性。仿真和试验结果表明，本文设计的基于模糊自适应 PID 控制算法的控制器可以使系统具有良好的动静态控制效果和鲁棒性，有效地抑制负载变化和外界干扰，很好地满足系统所要求的性能指标。

　　2 模糊自适应 PID 控制器

　　为了减少模糊控制器的复杂度，参考分类模糊规则式嵌入式控制器[1]，本文提出了一种误差分段智能控制算法。在误差大的时候，采用 Bang-Bang 控制，能迅速减小输出误差。同时为了提高系统的稳定性和控制精度，在误差较小的时候，特别在非线性误差段，采用基于智能控制算法的 PID 控制策略。参考，设计本课题在线实时模糊自整定 PID 控制器[2]，它的控制方案原理图如图 1 所示。图中的辨识机构是实现 Bang-Bang 控制和模糊自适应 PID控制转换作用的。在控制的初期阶段，采用 Bang-Bang 控制作为引导控制，辨识机构根据该阶段得到的误差信息决定是进行 Bang-Bang 控制还是进行模糊自适应 PID 控制。当误差大于某个设定值时进行 Bang-Bang 控制，当误差小于某一个设定值时进行模糊自适应 PID 控制。而开关可以直接通过编程简单方便地实现。

　　(1)模糊自适应 PID 控制器的设计，见图 2。

　　(2)糊控制器变量的论域确定

　　从自动控制的角度，希望一个控制系统在要求的范围内都能很好地实现控制。模糊控制系统设计时也要考虑这个问题，因此在选择描述某一模糊变量的各个模糊子集时，要使它们在论域上的分布合理。在定义这些模糊子集时要注意使论域中任何一个对这些模糊子集的隶属度的最大值不能太小，否则会在这样的点附近出现不灵敏区，以至于造成失控，使模糊控制系统控制性能变坏。通过对模糊 PID自适应比例因子算法的改进基础上[3]，定义下列：误差 E 的论域范围定义为[-12/h1，12/h]，误差变化 EC的论域范围定义为[-6000/h2，+6000/h2]，PID 参数K的论域范围定义为[-0.9/h3，+0.9/h3]，Ki的论域范围定义为 [-0.6/h4，+0.6/h4]，Kd的论域范围定义为[-0.03/h5，0.03/h5]。参考 PID 的比例因子的设定方法[4]，设计论域调节器。h1到 h5由论域调节器优化设定。