第3卷第4期 深圳信息职业技术学院学报Vo1.3 No.42005年12月Journal of Shenzhen Institute of Information TechnologyDec. 2005自适应模糊PID控制在倒立摆系统中的应用刘义’,陈广义2(1.广东工业大学自动化学院,广东广州510090;2.佛山科学技术学院自动化系,广东佛山528000) 摘要:本文在倒立摆系统的非线性动力学数学模型基础上,设计了一种自适应模糊PID控制器,对PID参数进行动态整定,并对一级倒立摆系统进行了控制研究。通过Simulink仿真实验表明,与传统PID控制方法相比较,其响应速度和超调量等性能指标得到显著改善。关键词:倒立摆;自适应;模糊PI D; Simulink;仿真中图分类号:TP273 文献标识码:A文章编号:1672-6332 (2005) 04-41-04倒立摆系统以其自身高阶次、不稳定、多变 十”日 mL(m+M)g0一mL 量、非线性和强藕合特性为系统的平衡提出了难 一-1(m+M)+MM厂I(m+M)+MM厂‘ l” 题。常规PID控制器因其设计原理简单、有较好动we任-- MZL 2g1+m L'‘weXI (M+M)+mML2B+I(m+M)+mML2 u静态特性等优点,在实际现场中运行的控制系统仍(1) 然有较广泛的使用,但常规的PID控制算法在处理(1)是二元联立二阶常微分方程,如果取状 非线性、时变对象、未知对象模型等较复杂系统时态变量为:难以获得较好的控制效果。本文运用模糊PID技术实现对一级倒立摆摆杆、小车的控制,以期达到更二=[IX x2 x3 x4 J任[0、。/dx ]',即摆好的控制效果。杆的角度和角速度以及小车的位置和速度四个状态变量。则系统状态方程为:1一级倒立摆系统数学模型的建立mL 倒立摆的数学模型在文献「1]中已有介绍,x,一I (M+M)+MML2本文采用的是深圳固高科技有限公司GLIP2002型系列倒立摆装置,直接给出一级倒立摆系统(图I+ML2 (2)1)的非线性动力学方程:x,十二甲-一一二二二一,一一丁丁丁丁uI (m+M)+MML-将(2)写成向量和矩阵的形式,就成为线性系 统的状态方程:二二Ax + Bu,其中二是四维的状态向量,而系统矩阵A和输人矩阵B为下列形式:res010旧rO飞es A叹00 |川...一eswe --.In月 Bes一一.C U00 . 月, es0 b0川 eses 0 esd.I(3) L J L J 其中参数 讯 b 、d为下列表达式确定的常 图1一级倒立摆系统数: Fig.1 Single-invetred pendulum system 〔收稿日期〕2005-08-05 [作者简介]刘义(1981〕一),男(汉),湖北洪湖人,硕士研究生,E-mail; tiuyizdh@163.com 深圳信息职业技术学院学报第3卷I(m+M)+mML'`I (m+M) +mMLzI +mL2-MT 9d二(4)b=I(m+M)+na心I(m+M)+mML2选择摆杆的倾斜角度和小车的水平位置x作为倒立摆杆/小车系统的输出,则输出方程为:a=mgL(m+M)刀止 c=一 图2自适应模糊PID控制器原理图Fig.2 Self-adaptive Fuzzy-PID control schematic|价中匆面玉不几渔 [PI月J侧川月r..eseseseses口eseseseses闭门月月 飞. . 1 口es J r..es...Lr......L 00 l00态特性,应加大Kp, Ki的值,同时为避免产生振 Cx y 一一 -- --00曰es(5)荡,Kd的取值应与Idel"系起来。esL司 倒立摆杆/小车系统的参数如下 m=0.07kg, L=0.2m,M=1.32kg, g=10m/s^2,得到系统矩阵A和输人矩阵B为:r..旧r.门.0 1(门)月.0.es...A .00川es.‘we.十.38.1825 -一| Bes-2.8037 .es . .0 00川 --eses.|es.0 了于 6 、, ‘ . 、J .L-0.384700引 ..」L0.7477. . J 至此,得到一级倒立摆系统的状态空间形式的 线性数学模型。 2自适应模糊PID控制器的设计 2.1控制器结构 PID控制器结构[z[简单、鲁棒性较强,但在静态和动态性能之间,跟踪设定值与抑制扰动能力之间存在矛盾*使得系统不能获得更好的控制效果。在这里,控制系统引人模糊自调节机构,找出PID三个参数与误差e和误差导数de之间的模糊关系,在运行中不断检测e和de,根据模糊控制原理,在PID初值基础上来对三个参数进行在线修改,以满足不同的e和de对控制参数的不同要求,而使被控对象有良好的动稳态性能,以获得更满意的控制效果,自适应模糊PID控制系统原理如图2所示。2.2自适应参数调节原则从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精 度等方面来考虑,针对不同阶段lel, Idel,参数调节原则〔,]〔‘]如下:(1)当l el较小时,为保证系统具有良好的稳 (2)当lel中等大时,应减小Kp,增大Ki, Kd适中,以保证系统的响应速度,并控制超调。( 3)当lel较大时,不论de变化趋势,都应该考虑控制器的Kp取较大值,以提高响应的速度;为了防止Idel瞬时过大,Kd应该取较小值;另外,为了控制超调,此时Ki也应该取值很小。2.3模糊控制规则设计对于倒立摆的控制分为对摆杆角度和对小车位 置的控制,并且以摆杆角度为主控制,只有在摆杆取得平衡的前提下,然后再考虑对小车位置的控制。本文即以摆杆角度偏差e和角度偏差变化率de作为输人来构造模糊控制器,其语言变量值取{NBNM NS ZE PS PM PB}七个模糊值;选择输出语言变量为Kp, Ki, Kd,其语言变量值也取{NBNM NS ZEPSPMPB}七个模糊值。结合前述参数调节原则,可以得到以下模糊控制规则[5]表I:3系统仿真仿真实验建立在Ma tlab中的Simulink和Fuzzy工具箱〔6],先进行PID参数初值的确定,本文采用临界稳定法[[7[进行整定,对如前所述的一级倒立摆系统进行临界稳定参数整定,可以得到一组初值Kp=500, Ki=50, Kd=20。再进行模糊控制器的设定,选择控制器类型为Mamdani型,e, de隶属函数采用高斯型函数,Kp, Ki, Kd均采用三角形隶属函数[810为了便于直观比较模糊PI D方法与常规PID方法的控制效果,将模糊PID控制器和常规PID控制器部分封装起来,其系统仿真模型如图3:第4期刘义、陈广义:自适应模糊PID控制在倒立摆系统中的应用43表1模糊控制规则表《Kp/Ki/Kd)Tab. l. Fuzzy control rules table (Kp/Ki/Kd )认NBNMNSZEPSPMPBNBPB/ZE/PBPB/PB/PMPB/PB月'SPB/PS/PSPM/PM/ZEPM/PS/PMPS/ZE/PBNMPB/ZE/PSPB月'M/PMPB/PM/PSPM/PM/PSPM月'S/ ZEPS/PS/PSZE/ZE/PSNSPM/ZE/NSPM/PS/NMPM/PM/NSPS月'S/ ZEZE/ZE/ZEZE/ZE/PSZE/ZE/PSZEPS/ZE/NMPS/ZE/NMZE/PS/NSZE/ZE/ZEZE/NS/NMNS/ZE月'SNS/ZE/PMPSZE/ZE/NMZE/ZE/NMZE/ZE/ZEZE/NM/ZENS/NM/PSNM/ZE/PMNM/ZE/PMPMZE/ZE/NSZE/NS/NSNS/NS/PSNS/NM/PSNM/NM/PSNB/NM/PMNB/ZE/PSPBZE/ZE/NSZE/NS/ ZENS/NM/PSNM/NB/PSNB/NB/PMNB/NB/PBNB/ZE/PS1s.…10 工 - l l - 工1.-.〔E …… )x S ______L_____ _二_____L_____ 0二日二.上‘二 ̄二 ̄二‘二‘二‘二00. 552t (s)图6两种控制下的位移变化响应图3系统仿真模型图 Fig.6 Response of displacement 's variationbetween two control methodsFig.3 System's simulation model口一_一.20 ̄一 ̄一 ̄-. ̄---一-纬’一一一一一一一一一一一一一一一一_- F=PID. 一其仿真结果如图4、图5、图6、阵 l一‘一PID, }一5r{:}一「。,。一分巴-一:{I’1一一一尸目)仍}。止}一1了止斗于::::10,--一 ̄-.--一 ̄一 ̄-一 ̄一 ̄ ̄一一一 ̄一.一一-一一-一一一式--一_--一一}_一}一卫二1.f l二-一-一一,-一一一一下,0 0.5 1 1.5 2 2.5. . ’l月、二口1. ,.杏 t (s)t (s)图7两种控制下的速度变化响应 图4两种控制下的角度变化响应Fig.7 Response of velocity's variation between two control methodsFig.4 Response of angle's variation between two control methods 从图4、图5、图6、图7可以直观地看出,I}一Il—FUZZY-P旧与传统PID控制相比,采用自适应模糊PID控制方(仍工Pll一一一P旧仍J)1叮几J’人l1!.法取得了较好的控制效果,从系统的性能指标上,l..二}{介:{一 .一.可以看出系统具有更好的快速性,而且上升时间利.仁,一.l} 二. l.!‘.1.!.利一 睁l一!口lf快,过渡时间更短,超调量也减小,并且还具有良一 .l一llll一 .l一lll!{ r.1l1l好的抗干扰性。4结语 图5两种控制下的角速度变化响应Fig.5 Response of angular velocity's variation本文研究了采用自适应模糊PI D控制器对于具bet ween two control methods有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强藕合特性44深圳信息职业技术学院学报第3卷的一级倒立摆进行控制的方法。仿真实验表明:通过在PID控制中加人模糊逻辑,实现了PID控制参数的在线调节,增强了PID控制器的自适应性。另外,此方法具有超调量小、快速、抗干扰性强等特点,是实现复杂系统控制的有效方法。参考文献(References)川固高摆系统与自动控制实验(实验教程).固高科技(深圳)有限公司,2002, 42-48.Googl e pendulum system. 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This method can be used to control the single -inverted pendulum system. TheSi mulinksimulation expeirments show there are some improvements in the response speed and overshot,comparedwith conventional PID control method.Keywords; inverted pendulum; PID;fuzzy-PID;simulink; simulation(责任编辑:易思平)