一种通用工业控制器的标准结构

    摘 要 提出一种通用工业控制器的标准结构，解决了模糊控制与PI控制之间的无扰动切换问题，通过仿真验证该方案的有效性。

    关键词 PID调节器 模糊控制 复合控制

    1965年，美国加州大学著名控制论专家L.A．扎德发表了开创性论文“Fuzzy sets”以来，模糊控制技术大致经历了三个发展阶段。第一阶段是1965～1974年，这是模糊数学发展与成形的阶段。这一阶段，扎德开创了“模糊集”，并发表了“模糊算法”和语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法。1974年Mamdani博士首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽引擎。第二阶段大约为1974～1979年，这一阶段产生了简单模糊控制器。但这时的模糊控制器自适应能力和鲁棒性很有限，稳定性也不够理想。第三阶段是1979年至今，这是发展高性能模糊控制器的阶段。1979年T.J.Procky 和E.H.Mamdani共同提出了自学习的概念，使系统性能大为改善。

    模糊数学70年代后期传入我国，不久在我国得到了飞速发展。80年代中期，我国在模糊理论研究的同时开始了模糊控制技术的研制开发工作。我国在模糊控制的研究和开发着重于通用模糊控制系统的开发工作。模糊控制与传统的控制相比，具有实时性好，超调量小，抗干扰力强，自动化程度高等优点。

    然而，常用的模糊控制器也有自身的缺点，稳态精度较低，这与输出的离散控制量有关。在稳态较小的变化范围内，经典的线性控制技术能够较好地解决这一问题。PID控制器由于其结构简单，较好的鲁棒性而得到广泛应用，为控制工程师所熟悉。线性控制与模糊控制相结合的方案不是新概念，早在1987年就有庞富胜  提出过，文献[３]中也有所尝试。从工程角度出发，具体实现这种复合型控制器，使之成为与PID控制器结构标准，使用方便的新型控制器，并解决了两种控制模块之间的无扰切换问题。我们设计的复合型控制器，在基本模糊控制器部分，针对典型的工业控制对象，作了标准化处理，使可调参数减少，调节简单。对这种新型控制器，我们利用Matlab5.0.2对同一类控制对象作了仿真实验，以验证它的调节性能。

    １ 控制器结构图

    该通用控制器由单回路控制器A、串级控制器B和PD－FC控制器C组成，具有强关强开、禁开禁关、限速限幅等功能。我们所研究的问题是模糊控制与传统控制器的组合控制问题，即PD-FC的设计问题。

    1.1 总体结构

    控制器总结构如图1所示。

    1.2复合控制具体实现方案模块细节

    FC模糊逻辑控制模块示意图如图2所示。PD与FC切换开关模块示意图如图3所示。PD模块及参数示意图如图4所示。

    说明：K1*｜e｜＋K2*｜c｜为切换所选的指标，“常数”为指标参考值。0表示PI控制，1表示模糊控制。当指标小于参考值时，比较输出0，切换至PI精确控制。

    符号说明表如表1所示。

    ２ 参数整定

    复合型控制器的参数整定方法是将PD控制器与FC控制器参数单独整定。PD控制器输出经积分后实际为PI控制器，FC控制器输出经积分后实际成为模糊PI控制器。由于切换时，只有u＆可能发生变化，u是连续变化的，不会产生控制量的扰动，因而可实现无扰切换。

    对PID的整定方法，大家不会陌生，PID的整定方法与经验公式有很多。其中著名的有：Ziegler-Nichols公式，Cohen-Coen公式，改进的Ziegler-Nichols公式，ITAE/IAE/ISE最优公式，内部模型控制设计方法，增益与相角裕量设计方法等等[３]。具体整定方法，在此不再赘述。

    模糊控制器中E,C,U的词集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，量化论域E、C为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，U的量化论域为{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。各模糊子集的隶属度为均匀的三角形分布，应用模糊推理最大最小合成算法计算，去模糊化采用重心法计算。控制规则表如表2所示。

    计算得出模糊控制表后（如表３所示），不再修改，根据不同对象调节参数Kc,Ke和Ki以达到较好的控制效果。

    ３ 仿真实验

    实验对象传递函数为  ，这是

    比较常见的被控对象。取T=1，τ=10s进行仿真。PD参数K1=0.08,K2=0.06；模糊PD模块中Ke=6,Kc=30,Ki=0.01。

    由实验曲线可以看出模糊控制调节时间短，超调量小，但由于输出量化导致有一定的稳态偏差；PI控制相对于模糊控制调节时间长，超调量大，但跟随性能较好，最终为无差输出；复合控制则综合了二者的优点，使得系统动态与稳态性能都较好。本次实验切换模块中K1=1;K2=50；常数为0.02；无扰切换次数为4次。实验曲线见图5。

    总之，线性与模糊的复合控制不是最新的概念，但把这个想法实现成为像PID一样简单可靠，性能较高的标准化控制器是我们的目的。两种控制模块中的无扰切换是变结构控制中的关键问题。本文提出的PD-FC控制器的适用范围仍是一个需进一步研究的问题。