車(chē)江鴿，駱艷潔，麥云飛

CHE Jiang-ge，LUO Yan-jie，MAI Yun-fei

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

EPS試驗(yàn)臺(tái)是為了測(cè)試EPS的性能參數(shù)等而開(kāi)發(fā)的機(jī)電一體化測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)內(nèi)容包括轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)，功能實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向力特性實(shí)驗(yàn)，輸入輸出力矩實(shí)驗(yàn)等。

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)初期采用常規(guī)的PID控制算法，傳感器等硬件采集到所需的過(guò)程變量，輸入程序后，根據(jù)人工預(yù)設(shè)的Kp、Ki和Kd三個(gè)常量計(jì)算出最終控制量，再輸出到相應(yīng)的控制硬件中來(lái)進(jìn)行控制。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，EPS試驗(yàn)臺(tái)中采用PID控制算法時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制曲線的PID參數(shù)很難調(diào)節(jié)，實(shí)際上，整個(gè)調(diào)試過(guò)程中，在PID參數(shù)調(diào)整上花費(fèi)了大量時(shí)間。尤其是試驗(yàn)臺(tái)還在調(diào)整磨合的情況下，更換部分元件就需要調(diào)整一次PID參數(shù)。

為了使EPS試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到技術(shù)要求，并縮短調(diào)試周期，考慮將系統(tǒng)中使用的常規(guī)PID控制算法改為模糊PID控制算法。

1 EPS試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

EPS試驗(yàn)臺(tái)主要由液壓伺服系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。

液壓伺服系統(tǒng)作為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；測(cè)控系統(tǒng)是EPS試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵，軟件部分的主程序基于NI LabVIEW編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)生、執(zhí)行元件控制、數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)記錄和狀態(tài)監(jiān)控等操作。數(shù)據(jù)的采集和發(fā)生使用NI的PCI-6221和PCI-6601多功能數(shù)據(jù)采集卡。EPS試驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 EPS 試驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)組成

2 模糊PID控制算法的構(gòu)建

PID控制算法的增量表達(dá)形式如下：

式 中，Δ2e(k)= Δ2e(k)-Δe(k-1)。KPd=KP、KId=KPTd/TI、KDd=KPTd/TD分別為相應(yīng)的比例、積分和微分增益常量。

由上式可知，模糊PID控制器的幾種可能形式有：1）e、Δe同時(shí)作為模糊控制器和PID控制器的輸入，模糊控制器的輸出KP、KI和KD作為PID控制器的參數(shù)。如圖2(a)所示。 2）由線性PID控制器和SISO模糊控制器構(gòu)成的模糊PID控制器，模糊控制器的輸入和輸出分別為e (k)和ef(k)。如圖2(b)所示。3）分別設(shè)計(jì)模糊控制器和PID控制器，誤差較大時(shí)使用模糊控制器，誤差較小時(shí)使用PID控制器。如圖2(c)所示。4）由模糊P+模糊I+模糊D控制器構(gòu)成的模糊PID控制器，控制器的輸入和輸出分別為e和ΔuP、Δe和ΔuI、Δ2e和ΔuD。如圖2(d)所示。

圖2 模糊PID控制器的四種形式

考慮到開(kāi)發(fā)周期，以及系統(tǒng)負(fù)荷，本文選用第一種形式。即將偏差e (t)及Δe (t)作為模糊控制器輸入，輸出量為KP、KI和KD。算法離散變換后，模糊控制器的輸入表達(dá)為E和EC。

選用第一種形式時(shí)，E和EC下的被控過(guò)程對(duì)Kp、Ki、Kd的整定要求如下：

1）|E|很大時(shí)，無(wú)論EC大小，為使系統(tǒng)有良好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的Kp，同時(shí)為避免積分飽和，可取較小Kd。2）若E ·EC＞0，則說(shuō)明|E|在變大。|E|較大時(shí)，應(yīng)取較大Kp使|E|快速減小，同時(shí)取中等Kd，較小的Ki保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能；|E|較小時(shí)，可取中等Kp以改變E變化趨勢(shì)，同時(shí)取較小Kd和較大Ki避免系統(tǒng)振蕩。3）若E ·EC＜0，說(shuō)明|E|在減小。|E|較大時(shí)，可取中等Kp迅速減小|E|，同時(shí)取較小Ki和中等Kd以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能；|E|較小時(shí)，可取較小Kp，同時(shí)取較大Ki和較小Kd。

3 控制算法的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

本文軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為NI公司的虛擬儀器軟件LabVIEW 2010，同時(shí)安裝PID and Fuzzy Logic Toolkit工具包。

3.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

在LabVIEW主界面下，可通過(guò)菜單欄工具Control Design and SimulationFuzzy System Designer,進(jìn)入模糊邏輯的圖形設(shè)置界面進(jìn)行輸入、輸出變量論域范圍和各變量隸屬函數(shù)以及模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)，步驟如下：

1）模糊控制器采用“二輸入三輸出”形式設(shè)計(jì)，輸入變量取E和EC，輸出變量取KP、KI和KD。E、EC、KP、KI、KD的模糊集合?。?fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，記為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，量化到[-6，6]的論域中。輸入和輸出的模糊隸屬函數(shù)均取三角隸屬函數(shù)，解模糊方法取中位數(shù)法。

2） 依據(jù)上文所述KP、KI、KD整定要求，進(jìn)入Rule標(biāo)簽，逐條添加“IF 'E' IS 'NB' AND 'EC'IS 'NB' THEN'KP' IS 'PB' ALSO 'KI' IS 'NB' ALSO'KD' IS 'NB'”形式的模糊控制規(guī)則共計(jì)49條。調(diào)試過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)某條模糊規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。

3）設(shè)置完成后，進(jìn)入Test System標(biāo)簽，對(duì)設(shè)計(jì)的模糊控制器輸出特性進(jìn)行初步測(cè)試和分析，驗(yàn)證控制規(guī)則是否完備，是否有規(guī)律沖突等。

全部完成后，將設(shè)計(jì)好的模糊控制器保存為后綴名為fs的文件fpid.fs，為下一步在LabVIEW測(cè)控程序中調(diào)用做準(zhǔn)備。

3.2 模糊控制器子VI設(shè)計(jì)

EPS試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面、多機(jī)通信、數(shù)據(jù)處理和報(bào)表生成等功能。系統(tǒng)中大部分功能都以子VI的形式編寫(xiě)，主程序?qū)ψ覸I進(jìn)行調(diào)用，這樣設(shè)計(jì)的好處是可以將不同的功能交于不同的設(shè)計(jì)人員完成，同時(shí)也減小了程序的復(fù)雜程度以及出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器也將以子VI的形式設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，加載控制曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)生控制信號(hào)，經(jīng)調(diào)理后驅(qū)動(dòng)液壓缸或馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡采集從力傳感器產(chǎn)生的反饋信號(hào)，對(duì)比反饋信號(hào)和設(shè)定值的差別，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡的控制信號(hào)，從而達(dá)到精確控制的目的。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可對(duì)模糊PID控制器程序進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

1） 通過(guò) Read Waveform from File.vi 讀取編寫(xiě)好的控制波形文件，用來(lái)使液壓缸或馬達(dá)按照指定曲線運(yùn)動(dòng)。

2） 將傳感器連接到NI 6601其中一個(gè)通道上，由LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI采集力傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)定采樣頻率等。然后將采集到的數(shù)據(jù)與加載的控制曲線進(jìn)行對(duì)比，取得E、EC的值。

3） 將前面生成的模糊規(guī)則文件fpid.fs由Load Fuzzy System.vi載入，并將取得的E、EC值連接到模糊控制器Fuzzy Controller.vi的輸入端，選擇模糊控制器模式為多輸入多輸出（MIMO）。Fuzzy Controller.vi將會(huì)在內(nèi)部進(jìn)行變量模糊化、推理、解模糊等一系列操作，然后將KP、KI、KD作為輸出。

4） 最后將KP、KI、KD連接到用于PID控制的PID.vi上，PID.vi的輸出連接到相應(yīng)的控制端口既可以完成模糊PID控制。至此，模糊PID控制設(shè)計(jì)完成。程序框圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW 模糊PID控制器部分程序框圖

4 模糊PID控制器驗(yàn)證

以系統(tǒng)中液壓缸A為例，在前期的實(shí)驗(yàn)中，采用常規(guī)PID控制器，加載最大值為5KN的預(yù)設(shè)控制曲線時(shí)，控制效果如圖4（a）所示，排除部分干擾情況，常規(guī)PID控制器的超調(diào)量在0.8KN,即14%左右，力控制曲線有較大波動(dòng)。改為模糊PID控制器后，加載相似的最大值為7.6KN的預(yù)設(shè)控制曲線時(shí)，控制效果如圖4（b）所示。采取模糊PID自整定控制器后，系統(tǒng)超調(diào)量為0.4KN，即5%左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊PID控制器后，控制精度有所提高，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

圖4 常規(guī)PID控制器、模糊PID控制器力控制曲線

5 結(jié)論

本控制器的設(shè)計(jì)是在已有的EPS試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。開(kāi)發(fā)環(huán)境為NI LabVIEW平臺(tái)，結(jié)合LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit模塊能夠方便的設(shè)計(jì)模糊PID控制器。將模糊PID控制器引入EPS試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快、控制精度提高、穩(wěn)態(tài)性能變好，這是單純PID控制難以實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)發(fā)過(guò)程中所使用的LabVIEW平臺(tái)的良好軟硬件結(jié)合功能、以及直觀的開(kāi)發(fā)環(huán)境使得模糊PID控制器的設(shè)計(jì)時(shí)間大大縮短。

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