基于模糊推理的伺服系統(tǒng)自調(diào)整技術(shù)
李葉松 程善美 鄧忠華 秦憶(華中理工大學(xué)武漢430074)
【摘 要】伺服系統(tǒng)模糊自調(diào)整控制器將模式分類、模糊推理、特征量辨識(shí)等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，對(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化以及機(jī)械振動(dòng)等，經(jīng)過(guò)10余次的調(diào)整，可以將伺服系統(tǒng)速度控制器的增益自動(dòng)調(diào)節(jié)到比較滿意。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)方案是有效的。
1引 言
功率電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了伺服系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，存在著機(jī)械工況發(fā)生變化時(shí)要相應(yīng)調(diào)整控制器參數(shù)這一問(wèn)題。為了使系統(tǒng)能夠和機(jī)械負(fù)載比較好地配合，就需要人為地進(jìn)行調(diào)整，這要求具有專門(mén)的知識(shí)。因此，從應(yīng)用的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整功能是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要，也是伺服系統(tǒng)向智能化發(fā)展的趨勢(shì)。
目前自動(dòng)調(diào)整技術(shù)主要分為兩類，一是基于模型的調(diào)整技術(shù)，二是基于知識(shí)的調(diào)整技術(shù)。基于模型的自調(diào)整技術(shù)需要外加特殊的測(cè)試信號(hào)，然后根據(jù)系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)發(fā)生變化的參數(shù)。這種方法對(duì)信號(hào)的精度有一定的要求，而且相應(yīng)的計(jì)算量也較大，一般要求有運(yùn)算速度較快的微處理器。基于知識(shí)的自調(diào)整技術(shù)，是根據(jù)預(yù)先確定好的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和實(shí)時(shí)抽取的系統(tǒng)特征量確定控制器的參數(shù)，這種方法不需要外加特殊的測(cè)試信號(hào)，而只需系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)，因此對(duì)信號(hào)的要求不高，但對(duì)規(guī)則知識(shí)要求比較高，通常需要大量的精確的實(shí)際調(diào)整規(guī)則知識(shí)，因此對(duì)調(diào)整后參數(shù)的可信度需要反復(fù)驗(yàn)證。
本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了一種簡(jiǎn)單可行的參數(shù)模糊自調(diào)整方案，該技術(shù)具有計(jì)算量小、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，對(duì)于變化的負(fù)載，經(jīng)過(guò)10余次調(diào)整后，可以將控制器的增益調(diào)整到比較滿意，較好地配合了變化情況，采用一般的微處理器即可實(shí)現(xiàn)這一控制方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方案是可行的。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及自動(dòng)調(diào)整原理
圖1示出了模糊自調(diào)整控制器的結(jié)構(gòu)框圖，其中控制器由兩部分組成，控制器和自調(diào)整機(jī)構(gòu)。控制器部分為速度調(diào)節(jié)器，采用pi方式。后者是模糊自調(diào)整控制器，它包括速度指令發(fā)生器、觀測(cè)器和模糊推理器，速度指令發(fā)生器是為了防止速度響應(yīng)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊而設(shè)置的指令緩沖機(jī)構(gòu)，觀測(cè)器通過(guò)采樣實(shí)時(shí)的響應(yīng)波形，從中抽取特征值如超調(diào)量、阻尼因子等，并對(duì)這些變量進(jìn)行規(guī)格化處理。模糊化處理將輸入到模糊推理器的特征變量轉(zhuǎn)換成用語(yǔ)言符號(hào)表示的合適的語(yǔ)言值，根據(jù)模糊化后的特征量確定響應(yīng)特性的模式，再利用事先預(yù)置的模糊規(guī)則，確定伺服系統(tǒng)中速度控制器增益的調(diào)整信息。模糊推理器的輸出結(jié)果為pi參數(shù)的調(diào)整因子，如果調(diào)整因子的值大于1，新的控制器參數(shù)將要增加，如果小于1，則新的控制器參數(shù)將要減小。
模糊調(diào)整控制的時(shí)續(xù)如圖2所示，它分為兩個(gè)階段，實(shí)時(shí)觀測(cè)階段和推理計(jì)算階段。
圖3示出了實(shí)時(shí)觀測(cè)階段所采樣的響應(yīng)波形，e是給定指令ωr和反饋ωf之間的偏差，在模糊自調(diào)整中所利用的特征量定義如下：
tr為速度指令升降速時(shí)間，△ωmax為速度穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的****波動(dòng)值。
上式中，δ是超調(diào)量；d是阻尼因子，t是規(guī)格化的振蕩周期，它代表了響應(yīng)的快慢，σ是速度波動(dòng)率，它反映了系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)特性。為了準(zhǔn)確地觀測(cè)到上述的特征量，需要使觀測(cè)周期比實(shí)際的伺服控制響應(yīng)周期要長(zhǎng)。
在推理計(jì)算階段，當(dāng)從采樣觀測(cè)的數(shù)據(jù)中抽取的特征值輸入到模糊推理器后，需要對(duì)這些變量進(jìn)行模糊量化，用于表示上述模糊變量隸屬度函數(shù)的模糊集合包括s、m、b，對(duì)于這四個(gè)特征變量其隸屬度函數(shù)都是一致的。模糊推理器的輸出結(jié)果是速度pi調(diào)節(jié)器比例增益和積分增益的增量值△cp和△ci，這兩個(gè)變量具有相同的隸屬度函數(shù)和同樣的語(yǔ)言符號(hào)nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb。根據(jù)模糊規(guī)則確定兩個(gè)增量是一個(gè)模糊決策問(wèn)題。決策方法主要有三種：
1．高度法。2．中位值判決。3．加權(quán)平均判決。
為了減少計(jì)算量，采用高度法確定控制器參數(shù)的增量值，則調(diào)整后的速度控制器參數(shù)可表達(dá)如下：
3模糊推理及調(diào)整規(guī)則
為了得到準(zhǔn)確而真實(shí)地反映控制系統(tǒng)的特性的實(shí)時(shí)觀測(cè)波形，應(yīng)盡量保證使伺服驅(qū) |
