EPS试验台模糊PID控制器设计

车江鸽，骆艳洁，麦云飞

CHE Jiang-ge，LUO Yan-jie，MAI Yun-fei

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

0 引言

EPS试验台是为了测试EPS的性能参数等而开发的机电一体化测试系统。试验内容包括转角实验，功能实验，转向力特性实验，输入输出力矩实验等。

试验台设计初期采用常规的PID控制算法，传感器等硬件采集到所需的过程变量，输入程序后，根据人工预设的Kp、Ki和Kd三个常量计算出最终控制量，再输出到相应的控制硬件中来进行控制。在实际应用中发现，EPS试验台中采用PID控制算法时，能够实现精确控制曲线的PID参数很难调节，实际上，整个调试过程中，在PID参数调整上花费了大量时间。尤其是试验台还在调整磨合的情况下，更换部分元件就需要调整一次PID参数。

为了使EPS试验台达到技术要求，并缩短调试周期，考虑将系统中使用的常规PID控制算法改为模糊PID控制算法。

1 EPS试验台系统构成

EPS试验台主要由液压伺服系统、测控系统、电控系统和机械系统组成。

液压伺服系统作为整个测试系统的动力来源和执行机构；测控系统是EPS试验台的关键，软件部分的主程序基于NI LabVIEW编写，主要实现数据采集和发生、执行元件控制、数据分析、人机交互、数据记录和状态监控等操作。数据的采集和发生使用NI的PCI-6221和PCI-6601多功能数据采集卡。EPS试验台硬件系统组成如图1所示。

图1 EPS 试验台硬件系统组成

2 模糊PID控制算法的构建

PID控制算法的增量表达形式如下：

式 中，Δ2e(k)= Δ2e(k)-Δe(k-1)。KPd=KP、KId=KPTd/TI、KDd=KPTd/TD分别为相应的比例、积分和微分增益常量。

由上式可知，模糊PID控制器的几种可能形式有：1）e、Δe同时作为模糊控制器和PID控制器的输入，模糊控制器的输出KP、KI和KD作为PID控制器的参数。如图2(a)所示。 2）由线性PID控制器和SISO模糊控制器构成的模糊PID控制器，模糊控制器的输入和输出分别为e (k)和ef(k)。如图2(b)所示。3）分别设计模糊控制器和PID控制器，误差较大时使用模糊控制器，误差较小时使用PID控制器。如图2(c)所示。4）由模糊P+模糊I+模糊D控制器构成的模糊PID控制器，控制器的输入和输出分别为e和ΔuP、Δe和ΔuI、Δ2e和ΔuD。如图2(d)所示。

图2 模糊PID控制器的四种形式

考虑到开发周期，以及系统负荷，本文选用第一种形式。即将偏差e (t)及Δe (t)作为模糊控制器输入，输出量为KP、KI和KD。算法离散变换后，模糊控制器的输入表达为E和EC。

选用第一种形式时，E和EC下的被控过程对Kp、Ki、Kd的整定要求如下：

1）|E|很大时，无论EC大小，为使系统有良好的快速跟踪性能，应取较大的Kp，同时为避免积分饱和，可取较小Kd。2）若E ·EC＞0，则说明|E|在变大。|E|较大时，应取较大Kp使|E|快速减小，同时取中等Kd，较小的Ki保证系统动态性能、稳态性能；|E|较小时，可取中等Kp以改变E变化趋势，同时取较小Kd和较大Ki避免系统振荡。3）若E ·EC＜0，说明|E|在减小。|E|较大时，可取中等Kp迅速减小|E|，同时取较小Ki和中等Kd以提高系统动态性能、稳态性能；|E|较小时，可取较小Kp，同时取较大Ki和较小Kd。

3 控制算法的LabVIEW实现

本文软件开发平台为NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW 2010，同时安装PID and Fuzzy Logic Toolkit工具包。

3.1 模糊控制器的设计

在LabVIEW主界面下，可通过菜单栏工具Control Design and SimulationFuzzy System Designer,进入模糊逻辑的图形设置界面进行输入、输出变量论域范围和各变量隶属函数以及模糊规则的设计，步骤如下：

1）模糊控制器采用“二输入三输出”形式设计，输入变量取E和EC，输出变量取KP、KI和KD。E、EC、KP、KI、KD的模糊集合取｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，记为｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，量化到[-6，6]的论域中。输入和输出的模糊隶属函数均取三角隶属函数，解模糊方法取中位数法。

2） 依据上文所述KP、KI、KD整定要求，进入Rule标签，逐条添加“IF 'E' IS 'NB' AND 'EC'IS 'NB' THEN'KP' IS 'PB' ALSO 'KI' IS 'NB' ALSO'KD' IS 'NB'”形式的模糊控制规则共计49条。调试过程中，可根据实际情况对某条模糊规则进行调整。

3）设置完成后，进入Test System标签，对设计的模糊控制器输出特性进行初步测试和分析，验证控制规则是否完备，是否有规律冲突等。

全部完成后，将设计好的模糊控制器保存为后缀名为fs的文件fpid.fs，为下一步在LabVIEW测控程序中调用做准备。

3.2 模糊控制器子VI设计

EPS试验台测控系统可实现人机交互界面、多机通信、数据处理和报表生成等功能。系统中大部分功能都以子VI的形式编写，主程序对子VI进行调用，这样设计的好处是可以将不同的功能交于不同的设计人员完成，同时也减小了程序的复杂程度以及出错的风险。本文设计的模糊PID控制器也将以子VI的形式设计。

实验时，加载控制曲线，通过数据采集卡发生控制信号，经调理后驱动液压缸或马达运动，同时数据采集卡采集从力传感器产生的反馈信号，对比反馈信号和设定值的差别，动态调整数据采集卡的控制信号，从而达到精确控制的目的。

根据实验过程可对模糊PID控制器程序进行如下设计。

1） 通过 Read Waveform from File.vi 读取编写好的控制波形文件，用来使液压缸或马达按照指定曲线运动。

2） 将传感器连接到NI 6601其中一个通道上，由LabVIEW中的数据采集VI采集力传感器数据，设定采样频率等。然后将采集到的数据与加载的控制曲线进行对比，取得E、EC的值。

3） 将前面生成的模糊规则文件fpid.fs由Load Fuzzy System.vi载入，并将取得的E、EC值连接到模糊控制器Fuzzy Controller.vi的输入端，选择模糊控制器模式为多输入多输出（MIMO）。Fuzzy Controller.vi将会在内部进行变量模糊化、推理、解模糊等一系列操作，然后将KP、KI、KD作为输出。

4） 最后将KP、KI、KD连接到用于PID控制的PID.vi上，PID.vi的输出连接到相应的控制端口既可以完成模糊PID控制。至此，模糊PID控制设计完成。程序框图如图3所示。

图3 LabVIEW 模糊PID控制器部分程序框图

4 模糊PID控制器验证

以系统中液压缸A为例，在前期的实验中，采用常规PID控制器，加载最大值为5KN的预设控制曲线时，控制效果如图4（a）所示，排除部分干扰情况，常规PID控制器的超调量在0.8KN,即14%左右，力控制曲线有较大波动。改为模糊PID控制器后，加载相似的最大值为7.6KN的预设控制曲线时，控制效果如图4（b）所示。采取模糊PID自整定控制器后，系统超调量为0.4KN，即5%左右。实验结果表明，采用模糊PID控制器后，控制精度有所提高，控制系统稳定性有所增强。

图4 常规PID控制器、模糊PID控制器力控制曲线

5 结论

本控制器的设计是在已有的EPS试验台测控系统的基础上进行。开发环境为NI LabVIEW平台，结合LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit模块能够方便的设计模糊PID控制器。将模糊PID控制器引入EPS试验台测控系统，能够使系统响应速度加快、控制精度提高、稳态性能变好，这是单纯PID控制难以实现的。开发过程中所使用的LabVIEW平台的良好软硬件结合功能、以及直观的开发环境使得模糊PID控制器的设计时间大大缩短。

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