一種基于PCC的通用模糊控制器的設(shè)計(jì)

1、一種基于PCC的通用模糊控制器的設(shè)計(jì)西北工業(yè)大學(xué)（西安 710072） 齊蓉 林輝 謝利理 李玉忍【摘要】研究基于可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC），采用離線計(jì)算、在線查表插值的方法實(shí)現(xiàn)通用模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。提出增量式/位置式模糊控制輸出算法、帶死區(qū)的模糊控制算法以及二元三點(diǎn)插值法來改善控制器的性能，通過控制表和在線部分直接下載到PCC的CPU模塊中的方法，來滿足通用性的要求。這種PCC通用模糊控制器可作為控制系統(tǒng)的一部分，也可用于控制過程分析、仿真和開發(fā)模糊控制系統(tǒng)的工具?！娟P(guān)鍵詞】模糊控制、PCCA PCC- based Universal Fuzzy Controller Design Q

2、i rong Lin hui Xie Lili Li YurenAbstract：In this paper, Universal Fuzzy Controller based on the Programmable Computer Controller ( PCC ) module, achieves prefer control function via the method of off-line inference and on-line interpolation bottom on Look-up table. the arithmetic of increment/positi

3、on and end up area fuzzy control output and the method of duality three point interpolation are used, all of this improve its performance greatly. Look-up table is stored as data module. On-line part is a function block used conveniently. Look-up table and on-line part are loaded into CPU module. Un

4、iversal Fuzzy Controller has complete functions and is easy to operate. So it can be used as one part of the industrial process control or a valuable associated software for analyzing and simulating control systems.Key words： Fuzzy control, PCC1 引言新一代的可編程計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，簡稱PCC

5、）以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強(qiáng)大等特性已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中增長速度最迅猛的工業(yè)控制設(shè)備，它能很好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的模糊控制能方便地解決工業(yè)領(lǐng)域中常見的非線性、時(shí)變、大滯后、強(qiáng)耦合、變結(jié)構(gòu)、結(jié)束條件苛刻等復(fù)雜問題。這兩者的結(jié)合，能在實(shí)際工程應(yīng)用中產(chǎn)生巨大價(jià)值。基于PCC的通用模糊控制器是以純軟件實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于PCC硬件模塊除了最基本的硬件配置（CPU、應(yīng)用程序內(nèi)存地址區(qū)）以外不需要其他的額外配置。此外，由于一般模糊控制器的設(shè)計(jì)是依據(jù)實(shí)際控制問題，設(shè)計(jì)出適合于一定被控過程的控制器，使之達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，因而它的隸屬函數(shù)、控制規(guī)

6、則以及用于控制的其它數(shù)據(jù)一旦確定并輸入到微處理器的存儲(chǔ)器中，便不會(huì)再改變。通用模糊控制器以通用化為目的，它必須可以根據(jù)用戶的需要及實(shí)際的控制對(duì)象靈活地選擇各模糊變量論域范圍、變量子集、模糊推理和去模糊化的方法。本文研究了基于新一代PCC產(chǎn)品開發(fā)通用模糊控制器的幾種算法，用離線計(jì)算、在線查表插值的方法實(shí)現(xiàn)模糊控制。為了滿足不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)控制量形式的要求，采用增量式/位置式模糊控制輸出的算法，在增量式模糊控制輸出時(shí)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)之間的無擾動(dòng)切換。為了消除由于頻繁動(dòng)作引起的振蕩，采用了帶死區(qū)的模糊控制算法。此外，一般的在線查表模糊控制器中存在著模糊量化取整環(huán)節(jié)，即當(dāng)誤差E與誤差變化率EC不等于模

7、糊語言值（例如NB，NM，NS，ZO，PS，PM或PB）時(shí)，對(duì)E和EC取整，這時(shí)從查詢表中查到的控制量U只能近似地反映模糊控制規(guī)則，因此產(chǎn)生誤差。由于量化誤差的存在，不僅使模糊控制器的輸出U不能準(zhǔn)確地反映其控制規(guī)則，而且會(huì)造成調(diào)節(jié)死區(qū)，在穩(wěn)態(tài)階段，使系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，甚至?xí)a(chǎn)生顫振現(xiàn)象。文中提出二元三點(diǎn)插值法可從根本上消除了量化誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)，克服由于量化誤差而引起的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)顫振現(xiàn)象。圖1給出了通用模糊控制器的基本組成結(jié)構(gòu)。 圖12 基于PCC的通用模糊控制器的設(shè)計(jì)2.1 離線部分設(shè)計(jì) 離線部分的算法設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：選擇模糊輸入、輸出變量的論域范圍及模糊變量子集類型；確定各模糊變量

8、的隸屬函數(shù)類型；精確輸入、輸出變量的模糊化；制定模糊控制規(guī)則；確定模糊推理算法；模糊輸出變量的去模糊化；按所需的格式保存計(jì)算結(jié)果生成查詢表。實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用的二維模糊控制器多選用受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化率EC作為輸入變量，因?yàn)樗涯軌虮容^嚴(yán)格的反映受控過程中輸入變量的動(dòng)態(tài)特性，可滿足大部分工程需要，同時(shí)也比三維模糊控制器計(jì)算簡單，模糊控制規(guī)則容易理解。對(duì)于多變量模糊控制器可利用模糊控制器本身的解耦特點(diǎn)，通過模糊關(guān)系方程分解，在控制器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦，即將一個(gè)多輸入多輸出（MIMO）的模糊控制器，分解成若干個(gè)多輸入單輸出（MISO）的模糊控制器，這樣就可采用單變量模糊控制器的設(shè)計(jì)方法

9、。本文研究了二維通用模糊控制器的設(shè)計(jì)。為了便于由用戶在線控制時(shí)決定是增量式輸出還是位置式輸出，輸出變量取調(diào)節(jié)量的變化U，這也有利于通過對(duì)調(diào)節(jié)量變化U的調(diào)整，使系統(tǒng)偏差減少。由于模糊控制器的控制品質(zhì)受控制器輸出方式的影響，對(duì)不同的受控對(duì)象提供位置式輸出和增量式輸出這兩種選擇方式。位置式輸出算法的缺點(diǎn)是輸出的u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)引起由于u(k)的大幅度變化而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。如果采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的是控制增量u(k)對(duì)應(yīng)的本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（例如閥門開度）的增量，圖2為增量式輸出模糊控制系統(tǒng)框圖，閥門實(shí)際位置的控制量即控制量增量的積累u(k

10、) = 是利用算式u(k) = u(k-1) + u(k)通過執(zhí)行軟件來完成。圖2 模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)是通過模糊推理所得，但該結(jié)果是一個(gè)模糊矢量，不能直接用于控制被控對(duì)象，必須轉(zhuǎn)換為一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以接受的精確量。將所有可能輸入狀態(tài)的非模糊輸出以同樣方法計(jì)算后形成如表1所示的查詢表，該表以數(shù)據(jù)模塊形式存入計(jì)算機(jī)程序中，當(dāng)一組輸入給定時(shí)，可由該表查出相應(yīng)的輸出值。該方法將復(fù)雜的模糊計(jì)算融進(jìn)查詢表中，在實(shí)際使用時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并使控制變得簡單明了。表1 表格形式的查詢表E ECEC1EC2EC3ECk2E1U11U12U13U1k2E2U21U22U23U2k2Ek1Uk11Uk12Uk13Uk1k

11、22.2 在線部分設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)離線運(yùn)算得到的模糊控制器的總控制表經(jīng)過系統(tǒng)在線反復(fù)調(diào)試、修改，最后以數(shù)據(jù)模塊形式存入PCC系統(tǒng)內(nèi)存中，由一個(gè)查詢?cè)摫淼淖映绦蚬芾怼？刂破鞯恼{(diào)節(jié)方式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種，輸出方式有增量式和位置式輸出兩種。如果輸出方式選擇為增量式輸出，則可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式到自動(dòng)調(diào)節(jié)方式的無沖擊切換。在給定矩型域上nm個(gè)結(jié)點(diǎn)(xi，yj)的函數(shù)值z(mì)ij = z(x i，yj) 其中i =0，1，n-1；j = 0，1，m-1，在兩個(gè)方向上的坐標(biāo)分別為x0 x1 xn-1，y0 y1 y m-1，利用二元三點(diǎn)插值公式可計(jì)算出指定插值(u，v)處的函數(shù)近似值w = z(u，v)。表1用函數(shù)形式表示為Uij = f(Ei，ECj) 其中i = 1，2，k1；j = 1，2，k2。設(shè)某個(gè)采樣周期的輸入為E、EC，則需求出U=f(E，EC)的值。選取最靠近插值點(diǎn)(E，EC)的9個(gè)結(jié)點(diǎn)，其兩個(gè)方向上的坐標(biāo)分別為：Ep Ep+1 Ep+2 及 ECq ECq+1 |e0|時(shí)，模糊控制器有適當(dāng)?shù)妮敵?。圖43 小結(jié)基于PCC通用模糊控制器的設(shè)計(jì)采用了二維模糊控制結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能確保系統(tǒng)的簡單性和快速性。它的輸入為系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC，因此它具