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电阻点焊模糊自适应PID控制器设计

编辑:天津市金桥焊材集团有限公司  时间:2012/05/18  字号:
摘要:电阻点焊模糊自适应PID控制器设计
    为了提高电阻点焊的质量,必须提高焊机的动特性[1]。常规PID控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高的特点,加之设计容易、适应面宽,是过程控制中应用最广泛的一类基本控制器,但是工业生产过程中被控对象的负荷多变、干扰因素复杂,有时由于这些参数的变化无常,往往没有确定不变的数学模型和规律可循。模糊控制器具有能适应被控对象非线性和时变的优点,而且鲁棒性较好。但是它的稳态控制精度较差,控制不够细腻,难以达到较高的控制精度,尤其在平衡点附近。同时,它也缺少积分控制作用,不易消除系统的静差。为了弥补这些缺陷,本文采用把PID控制器跟基本模糊控制器相结合,充分发挥他们各自的优点,使被控系统获得良好的动特性,并且能自动实现对PID参数的最佳调整,从而获得了更好的控制效果。
    2   模糊自适应PID控制器的原理
    模糊自适应PID控制器的结构图如图1所示。由图1可以看出模糊自适应PID控制器由常规PID控制部分和模糊推理两部分组成。模糊控制器实际上是由三个分模糊控制器组成的,分别对三个参数KP、KI、KD进行调节,然后分别经过模糊化、近似推理和清晰化后,把得出的修正量△KP、△KI、△KD分别输入PID调节器中,对三个系数进行实时在线修正,从而使被控对象有良好的动、静态性能。
    <!--[endif]-->
    3  模糊自适应PID控制器的设计
    按照常规模糊控制器的设计步骤, 来对模糊PID自适应控制器进行设计[2]。
    3.1  确定控制器的输入变量和输出变量
    本控制系统主要是对焊接电流进行控制。由于模糊控制器的控制规则是根据人的手动控制规则提出的,而一般来说人对误差最敏感,其次是误差的变化,所以本系统模糊控制器的输入变量定为电流的误差Ie(即实际焊接电流值与被测焊接电流值之差)和电流误差变化率Iec,输出变量为PID调节参数的修正量△KP、△KI、△KD。
    3.2  模糊控制规则的设计
    模糊控制器设计的好坏其中控制规则的设计是关键一项,控制规则的设计包括以下三部分内容:控制器输入和输出变量词集表示的选择,定义各模糊变量的模糊子集以及如何建立模糊控制规则表。
    3.2.1   控制器输入和输出变量词集表示选择
    选择“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”等七个词汇。设计时为了方便一般采用英文缩写,表示为:
    {NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。
    3.2.2   定义模糊变量的模糊子集
    电流误差Ie的基本论域为(-5000, +5000),电流误差变化率Iec的基本论域为(-10000,+10000),KP的基本论域为[-0.6,+0.6],KD的基本论域为[-0.012,+0.012],KI的基本论域为[-1.2, +1.2]。
    本文的输入和输出变量的模糊子集论域都定为[-6,+6]。系统采用常见的三角隶属函数,两个函数的大小取适中值0.5,以避免过大造成的控制精度低和过小所造成的系统不稳定。输入和输出变量隶属度函数如图2所示。
    由图2中所表示的e、ec、△KP、△KI、△KD隶属度函数,可以得出各个变量的语言赋值表。如表1所示。
    <!--[endif]-->3.2.3  建立模糊控制器的控制规则
    模糊控制器应首先根据专家经验知识库来建立PID的三个参数与电流误差Ie、电流误差变化率Iec之间的模糊关系,再通过系统运行过程中不断对Ie和Iec进行检测,由模糊控制规则对PID三个参数实行在线自适应调整。
    PID算法的三个参数会影响系统的稳定性、响应速度、超调量及稳态精度[3]。通过多次操作的经验总结和多次操作的数据处理,结合理论分析可以归纳出电流误差Ie、电流误差变化率Iec 跟三个输出变量之间,有如下关系[4]:
    当电流误差绝对值的大小较大时, 取较大的KP,这样可以使得系统的时间常数和阻尼系数减小,能够加快系统的响应速度。KP也不能过大,否则会导致系统不稳定;为避免系统在开始时可能引起的超范围控制作用,KD 的取值应该较小,以便加快系统的响应,并去掉积分作用避免出现较大的超调。
    当电流误差绝对值的大小处于中等大小时,KP的值取较小,使系统响应的超调减小;此时KD的取值对系统比较关键,KD的取值要恰当来保证系统的响应速度;此时可适当增加一点KI,但不能过大。
    当电流误差绝对值的大小较小时, 取较大的KP和KI,以使系统具有良好的稳态性能;为避免系统在平衡点出现振荡,KD的取值应恰当。
    基于以上总结出的输入变量Ie与三个参数KP、KD、KI之间的定性关系,并考虑电流误差和电流误差变化率的影响,综合得出表2、表3和表4,这些就是调节修正PID调节器三个参数的模糊规则。
    4
    4     模糊推理系统编辑器
    模糊推理系统编辑器(FIS Editor)是关乎模糊系统框架、主体结构等总体大局设计的编辑器,它可以编辑、设计、修改整个系统架构,增减系统输入、输出变量的个数,调整模糊系统的维数。本文采用的是Mamdani型两输入三输出的二维模糊系统。编辑好的FIS编辑器界面,如图3所示。
    5     结束语
    本文设计的模糊控制器将电流有效值与电流设定值之间的偏差以及偏差变化率作为输入变量,PID参数的修正量△KP、△KI、△KD作为输出量,通过模糊自适应PID控制算法实现恒流控制。自适应模糊PID控制能使系统控制响应快、控制稳定,且具备了良好的动态性能,这在实际的过程控制中具有参考价值。
    参考文献
    [1] 史彩云,刘照伟,董天顺等。 电阻点焊PID控制程序设计[J]. 焊接设备与材料, 2010(06): 39~44.
    [2] 诸静。 模糊控制原理与应用[M]. 北京: 机械工业出版社。 2005, 6.
    [3] 薛定宇。 控制系统计算机辅助设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.
    [4] 白钢,李韬,杨舜等。 基于模糊逻辑算法的点焊恒电流控制系统研究[J]. 电焊机,2006,36(1): 58~60.
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