智能PWM控制的機(jī)車制動控制單元的設(shè)計(jì)

近年來，智能控制無論是理論上還是技術(shù)應(yīng)用上均得到了長足的發(fā)展，隨之不斷涌現(xiàn)將智能控制方法和常規(guī)PID控制方法融合在一起的新方法，形成了許多智能PID控制器。這些智能控制器不僅具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力，而且還有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高、為現(xiàn)場工程設(shè)計(jì)人員所熟悉等特點(diǎn)。目前主要有4種智能PID控制：基于專家智能PID控制、基于模糊推理的PID控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制、基于遺傳算法的PID控制。

在本系統(tǒng)中，采用基于模糊推理的PID控制來實(shí)現(xiàn)對機(jī)車制動氣缸壓力的精確控制。基于模糊推理的PID控制就是運(yùn)用Fuzzy Sets理論和方法將操作人員或者專家的整定經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識總結(jié)成為Fuzzy規(guī)則模型，形成微機(jī)的查詢表格及解析式，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理來實(shí)現(xiàn)PID控制。在PID控制算法基礎(chǔ)上增加求采樣時刻的偏差E和偏差變化率Ec，參數(shù)的Fuzzy自校正思想是根據(jù)被控對象的響應(yīng)在采樣時刻的E和Ec來確定kP，k1，kD三參數(shù)修正的方向和大小。其算法過程是利用對應(yīng)的規(guī)則集將控制指標(biāo)模糊化，然后利用他與知識庫中的模糊規(guī)則進(jìn)行匹配，如有規(guī)則被匹配，則執(zhí)行該規(guī)則的結(jié)果部分，就可以得到相應(yīng)的參數(shù)修正值。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的PID算法是根據(jù)壓力目標(biāo)值與實(shí)際值之差的比例值、積分值、微分值來確定控制量的大小。其算式為：

式中，e(t)，e(t-1)分別為第t次及第t-1次采樣偏差值；pout(t)為第t次的控制量輸出值；kP，kI，kD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。合適的kP，kI，kD參數(shù)直接關(guān)系到控制的精度。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，將在現(xiàn)場獲得的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識總結(jié)成為IF(條件)、THEN(結(jié)果)形式的模糊推理規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息(如初始的PID參數(shù))存入計(jì)算機(jī)。根據(jù)檢測回路的響應(yīng)情況，計(jì)算出采樣時刻的偏差E和變化率Ec，運(yùn)用模糊推理，進(jìn)行模糊運(yùn)算，即可得到該時刻的kP，kI，kD，實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。

Fuzzy-PID就是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試得到在PID參數(shù)預(yù)整定值k′P，k′I，k′D，再利用模糊規(guī)則實(shí)時在線整定PID控制器的三個修正參數(shù)△kP，△kI和△kD，實(shí)現(xiàn)對壓力的優(yōu)化控制。模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進(jìn)行的，因此控制器首先要對輸入量進(jìn)行模糊化處理。在所設(shè)計(jì)的Fuzzy-PID控制器中，輸入、輸出變量的語言值均分為7個語言值：{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，他們分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。隸屬度函數(shù)采用靈敏性強(qiáng)的三角函數(shù)，如圖3所示。

偏差E的基本論域?yàn)閇-5 kPa，+5 kPa]，偏差變化率Ec的基本論域?yàn)閇-0.5，+0.5]，△kP的基本論域?yàn)閇-1，1]；△kI的基本論域?yàn)閇-0.002，0.002]；△kD的基本論域?yàn)閇-1，1]。以上各變量的模糊量分別為E，Ec，△kP，△kI和△kD，其論域均為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。輸入量E，Ec的量化因子為：ke=1.2，kec=12。

總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，得到了針對kP，kI，kD三個參數(shù)分別整定的模糊控制表，見表2、表3和表4。

在本系統(tǒng)中，根據(jù)偏差E和偏差變化率Ec，取得相應(yīng)的語言值，根據(jù)表1～表3的整定規(guī)則表，經(jīng)過公式法模糊決策，分別得到3個修正參數(shù)△kP，△kI，△kD的模糊量，然后△kP，△kI，△kD要進(jìn)行去模糊化取得精確量，去模糊化有幾種方法，一般用重心法比較合適，由公式可得：

其中u為模糊判決后的輸出量，uN(xi)為隸屬度函數(shù)，xi為論域中的元素。