第
９
卷
第
５
期
２００７
年
５
月
技术前沿
Ｖ½½．９ Ｎ½．５
Ｍ½½． ２００７
单片机模糊ＰＩＤ自整定控制算法
的实现及仿真
冯桂宁， 蒋翔俊
（
中½地质大学机械与电子工程学院， 湖北
摘
武汉
４３００７４）
要： 介绍了单片机模糊自整定
ＰＩＤ
控制的系统结构、控制思想、控制算法以及在电液伺
服系统上的应用方法， 给出了其基于
ＭＡＴＬＡＢ
的系统仿真结果， 并对该模糊自整定
ＰＩＤ
控制
结果与传统的
ＰＩＤ
控制仿真结果进行了比较。
关键词： 单片机； 模糊自整定
ＰＩＤ
控制； 电液伺服系统；
ＭＡＴＬＡＢ
仿真
０
引言
由于液压伺服系统的固有特性
（
如死区、泄
速度控制等功½。其中智½模糊控制由单片机完
成， 并采用规则自整定
ＰＩＤ
控制算法进行过程控
制。整个系统的核心是模糊控制器，
ＡＴ８９Ｃ５１
单
片机是控制器的主½模块。电液伺服系统输出的
速 度 信 号 经 传 感 器 和
Ａ／Ｄ
½ 换 之 后 进 入 单 片 机
，
单片机则根据输入的各种½令， 并通过模糊控制
算法计算控制量， 然后将输出信号通过
Ｄ／Ａ
½换
送给液压伺服系统， 从而控制系统的速度。该模
糊控制器的硬件框图如图
１
所示。
漏 、 阻 尼 系 数 的 时 变 性 以 及 负 ½½ 干 扰 的 存 在
）
，
系统往往会呈现典型的不确定性和非线性特性。
这类系统一般很难精确描述控制对象的传递½数
或状态方程， 而常规的
ＰＩＤ
控制又难以取得良½
的控制效果。另外， 单一的模糊控制½不需要精
确的数学模型， ½是却极易在平衡点附近产生小
振幅振荡， 从而½整个控制系统不½拥有良½的
动态品质。
本文针对这两种控制的优缺点并结合模糊控
制技术， 探讨了液压伺服系统的模糊自整定
ＰＩＤ
控制方法
，
同 时 利 用
ＭＡＴＬＡＢ
½ 件 提 供 的
图
１
模糊控制器硬件框图
模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理
及控制模块和显示模块的调用等。温度信号的采
集、标度变换、控制算法以及速度显示等功½的
实现可由各子程序完成。½件的主要流程是： 利
用
ＡＴ８９Ｃ５１
单 片 机 调
Ａ／Ｄ
½ 换 、 标 度 ½ 换 模 块 以
得到速度的反馈信号， 然后根据偏差和偏差的变
化率计算输入量， 再由模糊
ＰＩＤ
自整定控制算法
得出输出控制量。启动、停止可通过键盘并利用
外部中断产生
，
有按键输入则调用中断服务程
序。该程序的流程图如图
２
所示。
Ｓ½½½½½½½
和
Ｆ½½½½
工具箱对液压伺服调节系统的模
糊自整定
ＰＩＤ
控制系统进行仿真， 并与常规
ＰＩＤ
控
制进行了比较。此外， 本文还尝试将控制系统通
过单片机的数字化处理， 并在电液伺服实验台上
进行了测试， 测试证明： 该方法½½系统的结构
简单化
，
操½灵活化
，
并可增强可靠性和适应
性， 提高控制精度和鲁棒性， 特别容易实现非线
性化控制。
１
模糊
ＰＩＤ
自整定控制器的设计
本控制系统主要完成数据采集、速度显示和
２
模糊控制器算法研究
采用模糊
ＰＩＤ
自整定控制的 目 的 是 ½ 控 制 器
收稿日期：
２００６－ １２－ １１
½够根据实际情况调整比例系数
Ｋ
½
、积分系数
Ｋ
½
½½½．½½½½．½½ ２００７．５
电子元器件应用
５９
第
９
卷
第
５
期
２００７
年
５
月
Ｅ½½½½½½½½½ Ｃ½½½½½½½½ ＆ Ｄ½½½½½ Ａ½½½½½½½½½½½
Ｖ½½．９ Ｎ½．５
Ｍ½½． ２００７
图
４
½
、
½
½
隶属½数
应的语言变量
Ｅ
、
Ｅ
Ｃ
表示成模糊量。
Ｅ
、
Ｅ
Ｃ
的基本
论域为
［－ ６
，
＋６½
，
将 其 离 散 成
１３
个 等 级 即
［－ ６
，
－ ５
，
－ ４
，
－ ３
，
－ ２
，
－ １
，
０
，
＋１
，
＋２
，
＋３
，
＋４
，
＋
５
，
＋６½
。考虑到控制的精度要求， 本设计将
［－ ６
，
＋６½
分为负大
［ＮＢ½
、负中
［ＮＭ½
、负小
［ＮＳ½
、零
［ＺＯ½
、正小
［ＰＳ½
、正中
［ＰＭ½
、 正 大
［ＰＢ½
等
７
个
语言变量， 然后由
½
、
½
½
隶属½数根据最大值法得
出相应的模糊变量。
图
２
模糊控制器程序控制流程
２．２
模糊控制规则表的建立
和微分系数
Ｋ
½
，
以达到调节½用的实时最优。该
电液伺服系统的
Ｆ½½½½
自整定
ＰＩＤ
控制系统结构如
图
３
所示。
为了简化运算和满足实时性要求， 即该调节
系统的基本控制仍为
ＰＩＤ
控制， ½½
ＰＩＤ
调节参数
由模糊自整定控制器根据偏差
½
和偏差变化率
½
½
进
行自动调整， 同时把模糊自整定控制器的模糊部
分按
Ｋ
½
、
Ｋ
½
和
Ｋ
½
分成
３
部分， 分别由相应的子推理
器来实现。
（１） Ｋ
½
控制规则设计
在
ＰＩＤ
控 制 器 中
，
Ｋ
½
值 的 选 取 决 定 于 系 统 的
响应速度。增大
Ｋ
½
½提高响应速度， 减小稳态误
差； ½是，
Ｋ
½
值过大会产生较大的超调， 甚至½
系统不稳定减小
Ｋ
½
可以减小 超 调
，
提 高 稳 定 性
，
½
Ｋ½
过 小 会 减 慢 响 应 速 度
，
延 长 调 节 时 间 。 因
此， 调节初期应适½取较大的
Ｋ
½
值以提高响应速
度， 而在调节中期，
Ｋ
½
则取较小值， 以½系统具
有较小的超调并保证一定的响应速度； 而在调节
过程后期再将
Ｋ
½
值调到较大值来减小静差， 提高
控制精度。
Ｋ
½
的控制规则如表
１
所列。
２．１
输入值的模糊化
模糊自整 定
ＰＩＤ
控 制 器 是 在
½½½½½
集 的 论 域 中
（２） Ｋ
½
控制规则设计
在系统控制中， 积分控制主要是用来消除系
统 的 稳 态 误 差 。 由 于 某 些 原 因
（
如 饱 和 非 线 性
等
）
，
积 分 过 程 有 可 ½ 在 调 节 过 程 的 初 期 产 生 积
分饱和， 从而引起调节过程的较大超调。因此，
在调节过程的初期， 为防止积分饱和， 其积分½
用应½弱一些， 甚至可以取零； 而在调节中期，
进行讨论和计算的， 因而首先要将输入变量变换
到相应的论域， 并将输入数据½换成合适的语言
值， 也就是要对输入量进行模糊化。结合本液压
伺服系统的特性， 这里选择模糊变量的模糊集隶
属½数为正态分布， 具½分布如图
４
所示。根据
该规则可把实际误差
½
、 误 差 变 化 率
½
½
（½½／½
½
）
对
图
３
模糊控制器系统结构图
６０
电子元器件应用
２００７．５ ½½½．½½½½．½½
第
９
卷
第
５
期
２００７
年
５
月
表
１ Ｋ
½
的模糊规则表
Ｋ
½
½
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＭ
ＰＳ
ＰＳ
ＺＯ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＭ
ＰＭ
ＰＳ
ＺＯ
ＺＯ
ＰＭ
ＰＭ
ＰＭ
ＰＳ
ＺＯ
ＮＳ
ＮＭ
ＰＭ
ＰＳ
ＰＳ
ＺＯ
ＮＳ
ＮＭ
ＮＭ
ＰＳ
ＰＳ
ＺＯ
ＮＳ
ＮＳ
ＮＭ
ＮＭ
ＺＯ
ＺＯ
ＮＳ
ＮＭ
ＮＭ
ＮＭ
ＮＢ
ＺＯ
ＮＳ
ＮＳ
½
½
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＢ
技术前沿
表
３
Ｋ
½
½
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＢ
ＰＳ
ＰＳ
ＺＯ
ＺＯ
ＺＯ
ＰＢ
ＰＢ
ＮＳ
ＮＳ
ＮＳ
ＮＳ
ＺＯ
ＮＳ
ＰＭ
ＮＢ
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＮＢ
ＮＭ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＳ
½
½
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
Ｖ½½．９ Ｎ½．５
Ｍ½½． ２００７
Ｋ
½
的模糊规则表
ＰＭ
ＮＭ
ＮＳ
ＮＳ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＳ
ＰＢ
ＰＳ
ＺＯ
ＺＯ
ＺＯ
ＺＯ
ＰＢ
ＰＢ
ＮＭ
ＮＢ
ＮＢ
ＮＢ
为了避免½响稳定性
，
其积分½用应该比较适
中； 最后在过程的后期， 则应增强积分½用， 以
减小调节静差。依据以上分析， 制定的
Ｋ
½
控制规
则表如表
２
所列。
表
２ Ｋ
½
的模糊规则表
Ｋ
½
½
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＢ
ＮＢ
ＮＢ
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＺＯ
ＮＢ
ＮＢ
ＮＭ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＺＯ
ＮＭ
ＮＭ
ＮＳ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＳ
ＮＭ
ＮＳ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＳ
ＰＭ
ＮＳ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＭ
ＺＯ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＭ
ＰＢ
ＰＢ
ＺＯ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
½
½
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳ
ＺＯ
ＰＳ
ＰＭ
ＰＢ
２．３
逆模糊化处理及输出量的计算
对经过模糊控制规则表求得的
Ｋ
½
﹑
Ｋ
½
﹑
Ｋ
½
采
用重心法进行逆模糊化处理
（
重心法在此就不做
详细介绍
）
的公式如下：
½
½（½）＝Ｋ
½
½（½）＋Ｋ
½
Ｔ
!
½（½）＋Ｋ
½
Δ
½（½）／Ｔ
½＝１
式中，
½（½）
为
½
采样周期时的输出，
½（½）
为
½
采 样 周 期 时 的 偏 差
，
Ｔ
为 采 样 周 期
，
通 过 输 出
½
（½）
乘以相应的比例因子
Ｋ
½
就可得出精确 的 输 出
量
½
。其公式如下：
½＝½（½）Ｋ
½
３
实验结果分析
常规
ＰＩＤ
控制时通过调节
ＰＩＤ
三个参数， 就可
（３） Ｋ
½
控制规则设计
微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入
的， 微分环节系数的½用在于改变系统的动态特
性。系统的微分环节系数½反映信号变化的趋
势， 并½在偏差信号变化太大之前， 在系统中引
入一个有效的早期修正信号
，
从而加快响应速
度， 减少调整时间， 消除振荡， 最终改变系统的
动态性½。因此，
Ｋ
½
值的选取对调节动态特性½
响很大。
Ｋ
½
值过大， 调节过程制动就会超前， 致
½调节时间过长；
Ｋ
½
值过小， 调节过程制动就会
½后
，
从而导致超调增加。根据实际过程经验，
在调节初期， 应加大微分½用， 这样可得到较小
甚至避免超调； 而在中期， 由于调节特性对
Ｋ
½
值
的变化比较敏感， 因此，
Ｋ
½
值应适½小一些并应
保持固定不变
；
然后在调节 后 期
，
Ｋ
½
值 应 减 小
，
以减小被控过程的制动½用， 进而补偿在调节过
程初期由于
Ｋ
½
值较大所造成的调节过程的时间延
长。依据以上分析
，
制定的
Ｋ
½
控 制 规 则 表 如 表
３
所列。
以得到系统比较理想的响应图， 控制效果的优良
与参数的调整有很大的关系， 也½提高快速性。
½三个参数的调整非常繁琐。而且， 如果系统环
境不断变化， 则参数又必须进行重新调整， 往往
达不到最优。而采用模糊
ＰＩＤ
控制后， 通过模糊
控制器对
ＰＩＤ
进行非线性的参数整定， 可½系统
无论是快速性方面还是稳定性方面½达到比较½
的效果。
笔者将上述
ＰＩＤ
控制及模糊
ＰＩＤ
控制分别进行
了仿真试验， 实验分别在单独模糊
ＰＩＤ
控制情况
下和模糊
ＰＩＤ
控制两种情况下进行。并在在线运
行过程中通过逻辑规则的结果处理、查表和运算
完成了对
ＰＩＤ
参数的在线自矫正。系统的偏差绝
对值以及偏差的变化绝对值的取值范围可根据实
际 经 验 分 别 确 定 为
［－ ０．１ ½½／½
，
０．１ ½½／½½
和
［－
０．０６ ½½／½
２
，
０．０６ ½½／½
２
½
，
以 而 确 定 相 对 控 制 效 果
较 ½ 时
Ｋ
½
、
Ｋ
½
、
Ｋ
½
的 取 值 范 围 为
Ｋ
½
［－ ０．３
，
０．３½
、
½½½．½½½½．½½ ２００７．５
电子元器件应用
６１
第
９
卷
第
５
期
２００７
年
５
月
Ｅ½½½½½½½½½ Ｃ½½½½½½½½ ＆ Ｄ½½½½½ Ａ½½½½½½½½½½½
Ｖ½½．９ Ｎ½．５
Ｍ½½． ２００７
Ｋ
½
［－ ０．０６
，
０．０６ ½
、
Ｋ
½
［－ ３
，
３½
。
传统
ＰＩＤ
和模糊
ＰＩＤ
实验所得的曲线分别如图
４
结束语
实验证明： 该单片机模糊
ＰＩＤ
自 整 定 控 制 器
５
及图
６
所示。从图中可以发现， 采用模糊控制策
略整定
ＰＩＤ
参数相对于普通
ＰＩＤ
控制策略， 其系统
的稳态性得到了较大的改善
，
响应时间大大减
少， 超调量也得到了一定的改善。
对于电液伺服控制系统具有较½的效果。实践中
可以根据工程控制的具½情况及对超调量、稳定
性、响应速度的不同要求， 来调整模糊
ＰＩＤ
控制
器三个参数的取值范围， 从而得到不同的控制精
度和控制效果。
总之， 本文研究的模糊
ＰＩＤ
控 制 器 具 有 以 下
一些特点：
（１）
算法简单实用， 本质上不依赖于系 统 的
数字模型；
（２）
可充分利用单片机的½件资源， 可 靠 性
高， 开发速度快；
（３）
克服了传统
ＰＩＤ
控制器操½的困难， 提高
图
５
传统
ＰＩＤ
控制阶越响应
了系统的智½化程度；
（４）
模糊
ＰＩＤ
控制器棒性½， 具有专家控制器
的特点， 并可推广应用于其它工½领域。
参考文献
［１½
［２½
［３½
［４½
图
６
模糊
ＰＩＤ
自整定控制阶越响应
杨 向 忠
．
模 糊 控 制 理 论 与 应 用
［Ｍ½．
西 安
：
西 北 工 业 大
学出版社，
２００４，７．
刘 金 琨
．
先 进
ＰＩＤ
控 制 及 其
ＭＡＴＬＡＢ
仿 真
［Ｍ½．
北 京
：
机
械工业出版社，
２００３．
谢宋和， 甘勇
．
单片机 模 糊 控 制 系 统 设 计 与 应 用 实 例
［Ｍ½．
北京： 电子工业出版社出版，
１９９９，７．
黎启柏
，
½厚 礼
．
电 液 ½ ½ 伺 服 系 统 的 比 例 一 模 糊
ＰＩＤ
控制研究
［Ｊ½．
机床与液压，
２００１，（２）：
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
ＵＭＣ
加入
ＰＦＩ
联盟以实现更简化的½功耗设计
Ｃ½½½½½½
设计系统公司
（ＮＡＳＤＡＱ
：
ＣＤＮＳ）
近
天宣布， 世界著名的半导½制造商
ＵＭＣ （ＮＹＳＥ
：
持更广泛的、整个行业范围的½功耗， 我们加入
了
ＰＯＷＥＲ ＦＯＲＷＡＲＤ ＩＮＩＴＩＡＴＩＶＥ
。 希 望 ½ 够 利
用通用功率格式简化整个½功耗设计过程， 从而
帮助我们的客户加速向高级工艺节点的迁移。
”
“ 圆 制 造 商 和 设 计 ½ 件 以 及
ＩＰ
供 应 商 之 间
晶
的紧密合½对解决½功耗设计的难题至关重要。
”
ＵＭＣ
；
ＴＳＥ
：
２３０３）
公 司 目 前 已 经 加 入
ＰＯＷＥＲ
ＦＯＲＷＡＲＤ ＩＮＩＴＩＡＴＩＶＥ （ＰＦＩ）
。 该 联 盟 由
２０
多 个
行业领先的电子公司构成， 成立的目的在于改进
通用功率格式
（ＣＰＦ）
，
以便捕获功率的根本设计
意图并将设计、实½以及验证领域联系起来。
“
ＵＭＣ
已经研发出整个行业最 全 面 的 ½ 功 耗
解决方案之一
，
½够帮助客户有效地设计出针对
消费、无线和通讯领域的½功耗以及功率管理的
应 用 ½ 件 。
ＵＭＣ
的 片 上 系 统 部 首 席 架 构 师
”
Ｃ½½½½½½
公司产业 联 盟 的 高 级 副 总 裁
Ｊ½½ Ｗ½½½½½
说
道：
“
我们十分赞赏
ＵＭＣ
公司的领导½力， 并感
谢 他 们 投 入 资 源 以 支 持
ＰＯＷＥＲ ＦＯＲＷＡＲＤ ＩＮＩ－
ＴＩＡＴＩＶＥ
的承诺。这个联盟所展现的持续产业动
力， 已足以证明其在高级技术节点简化½功耗设
计方面有多么重要。
”
Ｐ½½½½½½ Ｌ½½
说
：
“ 了延伸我们的专有技术
，
支
为
２００７．５ ½½½．½½½½．½½
６２
电子元器件应用
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