本發(fā)明屬于自適應(yīng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于模糊推理的專家自整定PID控制器設(shè)計(jì)方法，可用于各種PID自整定的場合。

背景技術(shù)：

PID控制器在工業(yè)過程中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于線性對(duì)象，一個(gè)良好整定的PID控制器等效于其他復(fù)雜的控制器。然而，參數(shù)整定困難以及定常PID的隨著工況的改變控制效果變差需要反復(fù)整定是PID控制器的主要缺點(diǎn)。為了克服該缺點(diǎn)，PID自整定控制器提供了系統(tǒng)的解決方案，其中主要有繼電器法自整定控制器、專家系統(tǒng)自整定控制器和Ziegler-Nichols法自整定控制器。專家自整定方法不局限于PID控制器的整定且不受控制對(duì)象的限制，具有更廣泛的應(yīng)用空間。然而，常規(guī)專家PID控制器往往由于指定不合理的性能指標(biāo)，導(dǎo)致整定失敗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)PID控制器的整定問題，提出一種將模糊推理機(jī)制引入到專家PID系統(tǒng)的方法，其推理規(guī)則表達(dá)簡潔規(guī)范，使整個(gè)專家系統(tǒng)能夠以并行觸發(fā)的工作，即使在整定失敗的情況下也可以使用一個(gè)次優(yōu)參數(shù)替代，克服了一般專家PID系統(tǒng)存在無法找到滿足性能指標(biāo)參數(shù)，導(dǎo)致整定失敗的缺點(diǎn)。

本發(fā)明為一種基于模糊推理的專家自整定PID控制器，其實(shí)現(xiàn)步驟包括：

(1)輸入周期性的方波訓(xùn)練信號(hào)r，其幅值為控制對(duì)象輸出值y的額定值的10％-20％，方波訓(xùn)練信號(hào)r以周期t_p施加于專家系統(tǒng)；

(2)根據(jù)控制對(duì)象的輸出值y計(jì)算特征識(shí)別，將PID控制輸出值u與控制對(duì)象輸出值y在整定周期中的波形拐點(diǎn)、過零點(diǎn)等曲線特征記錄下來；

(3)專家系統(tǒng)中設(shè)置模糊推理模塊、知識(shí)庫以及特征識(shí)別模塊，利用知識(shí)庫以及推理模塊更新系數(shù)k_p,k_i,k_d，并在整定周期結(jié)束時(shí)計(jì)算整定周期中曲線的上升時(shí)間、衰減比、震蕩周期的性能指標(biāo)，判斷性能指標(biāo)，若性能指標(biāo)符合度在接受范圍內(nèi)時(shí)，則整定過程停止。

作為對(duì)上述一種基于模糊推理的專家自整定PID控制器的進(jìn)一步描述，步驟3中的停止條件設(shè)為opt＝1或opt>0.8，若整定失敗，則選取最大的opt對(duì)應(yīng)的控制器參數(shù)作為次優(yōu)參數(shù)實(shí)行。

作為對(duì)上述一種基于模糊推理的專家自整定PID控制器的進(jìn)一步描述，使用模糊推理機(jī)，引入規(guī)則觸發(fā)度，使專家系統(tǒng)能夠以并行觸發(fā)方式工作。

作為對(duì)上述一種基于模糊推理的專家自整定PID控制器的進(jìn)一步描述，在規(guī)則觸發(fā)度中定義負(fù)飽和高斯函數(shù)、正飽和高斯函數(shù)以及正態(tài)高斯函數(shù)，并行捕獲特征識(shí)別模塊輸入的特征向量，并且與知識(shí)庫的規(guī)則對(duì)比，以獲得權(quán)值；所述的性能指標(biāo)符合度利用推理模塊，結(jié)合規(guī)則觸發(fā)度的權(quán)值更新系數(shù)k_p,k_i,k_d。

本方法將模糊推理機(jī)制引入專家PID系統(tǒng)，提出了基于模糊推理的專家PID控制器，其推理規(guī)則表達(dá)簡潔規(guī)范，即使在整定失敗時(shí)仍能推理出次優(yōu)的控制器參數(shù)。其定義了規(guī)則觸發(fā)度、指標(biāo)符合度等概念，以PID控制器整定為目標(biāo)，定義專家系統(tǒng)規(guī)則，通過識(shí)別控制對(duì)象的輸出特征，自動(dòng)整定PID的參數(shù)。該規(guī)則觸發(fā)度用以實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的特征識(shí)別，捕獲特征向量，以及與中波形特征典型值的相關(guān)度進(jìn)行對(duì)比。本方法在PID控制器參數(shù)的自整定應(yīng)用中具有較強(qiáng)的有效性和實(shí)用性，即使在整定失敗的情況下也可以使用一個(gè)次優(yōu)參數(shù)替代，克服整定失敗的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體實(shí)施框圖；

圖2是采用本發(fā)明方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖；

圖3為控制對(duì)象的典型階躍響應(yīng)曲線；

圖4為規(guī)則觸發(fā)度中定義的三個(gè)高斯函數(shù)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參見圖1，本發(fā)明的專家系統(tǒng)由知識(shí)庫、模糊推理、特征識(shí)別和PID四部分組成。u,y分別為控制對(duì)的輸入與輸出，參考值r為周期的方波訓(xùn)練信號(hào)，其幅值為y的額定值的10％-20％。tp為方波的半個(gè)周期，定義為專家PID系統(tǒng)的整定周期(tuning period)。

PID控制器輸出u，即

式中，

分別為誤差，誤差積分，誤差微分項(xiàng)；

k_p,k_i,k_d分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)。

其工作原理是：特征識(shí)別采用數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)算法、過零檢測(cè)等算法，計(jì)算上升時(shí)間、衰減比、震蕩周期等性能指標(biāo)。特征識(shí)別是專家系統(tǒng)推理的依據(jù)。

參見圖3，控制對(duì)象的典型階躍響應(yīng)曲線。t_z1,t_z2,…,t_z(i),…為(r-y)過零時(shí)刻，(t_p1,y_p1),(t_p2,y_p2),…,(t_p(i),y_p(i)),…為y拐點(diǎn)。

u,y各項(xiàng)性能指標(biāo)定義如下：

上升時(shí)間tr＝t_z1；

超調(diào)量O_VR＝(y_p1-r)/r，考慮到r＝0時(shí)，將OVR重新定義為O_VR＝(y_p(i)-r)/(r-y₀)，y0為參考r改變時(shí)，y的初值；

諧振周期OSC＝(t_z3-t_z1)/2，剔除OVR(i)＝(y_p(i)-r)/(r-y0)<0.1時(shí)t_p(i)，將OSC重新定義為O_SC＝(t_pN-t_p1)/N，其中N滿足OVR(N)>0.1,OVR(N+1)<0.1；

靜差e_ss＝y(tǒng)(∞)-r,重新定義均值靜差

tz(n-1)為上一過零點(diǎn)時(shí)刻；

衰減比

同樣地，對(duì)控制器輸出，定義震蕩周期u_OSC、單調(diào)性u(píng)_Mon及穩(wěn)態(tài)控制器輸出u_ss。

本發(fā)明所提出的模糊推理機(jī)，引入了規(guī)則觸發(fā)度的概念，使整個(gè)專家系統(tǒng)能夠以并行觸發(fā)的方式工作。

參見圖3，定義三種高斯函數(shù)，其中，

gauss1為負(fù)飽和高斯函數(shù)，gauss3為正飽和高斯函數(shù)。

捕獲的特征向量ev(j)與表1中波形特征典型值rv(i,j)的相關(guān)度Corr(i,j)定義如下。

if r_v(i,j)＝＝0

ρ(i,j)＝e_v(j)

C_orr(i,j)＝gauss_k(ρ(i,j),0,σ)

else

ρ(i,j)＝e_v(j)/r_v(i,j)

C_orr(i,j)＝gauss_k(ρ(i,j),1,σ)

其中g(shù)auss_k為圖4所定義的高斯函數(shù)。各特征量和規(guī)則對(duì)應(yīng)的高斯函數(shù)如表1所示

表1各特征量對(duì)應(yīng)的gauss_kk值

規(guī)則觸發(fā)度uG(i)定義為

式中：N為特征變量的個(gè)數(shù)，這里N＝8，G_Coeffs(j)≤1，為各項(xiàng)特征變量所占的權(quán)重，權(quán)重為表示特征變量在該規(guī)則中的確定性，若該特征變量是規(guī)則的主要“體現(xiàn)”變量，則認(rèn)為權(quán)重為1，若與規(guī)則無關(guān)，則認(rèn)為權(quán)重為0，各特征量對(duì)應(yīng)的權(quán)值如表2所示。

表2各特征量對(duì)應(yīng)權(quán)重

由此，k_p,k_i,k_d更新系數(shù)分別計(jì)算如下：

G_p＝uG(1)-uG(2)；

G_i＝uG(3)-uG(4)；

G_d＝uG(5)-uG(6)；

kp,ki,kd更新公式如下：

k_p＝(1+G_p)*k_p1；

k_i＝(1+G_i)*k_i1；

k_d＝(1+G_d)*k_d1；

k_p1,k_i1,k_d1分別為上一個(gè)整定過程中的k_p,k_i,k_d。性能指標(biāo)符合度定義為opt＝uG(7)。

若性能指標(biāo)符合度在接受范圍時(shí)，則整定過程即可停止。停止條件可設(shè)為opt＝1或opt>0.8，若整定失敗，則可選取最大的opt對(duì)應(yīng)的控制器參數(shù)作為次優(yōu)參數(shù)采用，避免了一般專家PID整定失敗而無法找到控制器參數(shù)的情況。

為便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。