基于ARM9架构的模糊控制器实现

【摘要】PID控制算法是最通用的控制策略，在工业控制中80%以上的控制回路具有PID结构。虽然当前控制理论和控制技术在信息技术、集成电路制造技术高速发展的推动下有了很大的发展，如自适应控制、神经网络和模糊控制以及最优控制等，但是数字PID控制仍然是一种稳定的、可靠的、实现简单的控制方法，广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。普通PID控制有很多优点，例如：结构简单、可靠性高、稳定等，更加适用在确定数学模型的控制系统中。但是当被控对象模型很难被确定时，一般的PID控制就无法实现精确的控制。模糊PID控制是智能控制方法中较常见的一个，其对数学模型的依赖性弱，不需要建立过程精确的数学模型，因此现在被广泛的采用。

【关键词】模糊PID控制;ARM;参数自整定;模糊规则

1.系统原理概述

普通PID控制有很多优点，例如：结构简单、可靠性高、稳定等，更加适用在确定数学模型的控制系统中。但是单相异步电动机运行时候很难确定它的模型和参数，因而一般的PID控制无法实现精确的控制。模糊PID控制是智能控制方法中较常见的一个，其对数学模型的依赖性弱，不需要建立过程的精确数学模型，而是借助专家的知识和经验，来调节PID的三个参数，因此本文选用了模糊PID作为主控制器的算法。

PID控制的关键是确定PID参数，该方法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其实现思想是先找出PID各个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于用控制器实现。 模糊PID是在传统PID的基础上，不断的检测e和ec，当系统存在误差，自身可以依照模糊规则表进行在线调整，因此模糊控制设计的重点建立合适的模糊规则表，而模糊规则表是总结专家的知识和实际经验，才能得出。

根据专家的经验和进行的仿真，以及比例系数、积分系数、微分系数对系统的影响，总结了Kp的模糊规则表如表1-1所示，Ki的模糊规则表如表1-2所示，Kd的模糊规则表如表1-3所示。

表1-1 Kp的模糊规则表

Table 1-1 The fuzzy rule table of Kp

ec

Kp

e NB NM NS ZO PS PM PB

NB PB PB PM PM PS ZO ZO

NM PB PB PM PS PS ZO NS

NS PB PM PM PS ZO NS NS

ZO PM PM PS ZO NS NM NM

PS PS PS ZO NS NS NM NB

PM PS ZO NS NM NM NM NB

PB ZO ZO NM NM NM NB NB

表1-2 Ki的模糊规则表

Table1-2 The fuzzy rule table of Ki

ec

Kp

e NB NM NS ZO PS PM PB

NB NB NB NB NM NS ZO ZO

NM NB NB NM NS NS ZO ZO

NS NB NM NS NS ZO PS PS

ZO NM NM NS ZO PS PM PM

PS NS NS ZO PS PS PM PB

PM ZO ZO PS PS PM PB PB

PB ZO ZO NS PM PM PB PB

在得到了上述三个参数的模糊规则表之后，这里需要说明的是，PID控制参数的变化是在一个基础之上变化，也就是说模糊PID输出的是一个差值，然后作用到PID控制器上，最终得到PID控制器的三个参数，有如下公式，其中，，为预整定值。

表1-3 Kd的模糊规则表

Table1-3 The fuzzy rule table of Kd

ec

Kp

e NB NM NS ZO PS PM PB

NB PS NS NB NB NB NM PS

NM PS NS NB NM NM NS ZO

NS ZO NS NM NM NS NS ZO

ZO ZO NS NS NS NS NS ZO

PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO

PM PB NS PS PS PS PS PB

PB PB PM PM PM PS PS PB

2.系统硬件设计

本设计选用的控制芯片为三星公司推出的32位控制器S3C2440A，其采用ARM920T内核，实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构，主频可达400MHz，因此它的指令执行效率非常的快，最高可达到300MIPS。具有低功耗，高性能的特点。同时它还具有一些常用模块的功能接口，可以很容易的进行硬件设计， 主要包括以串口通信模块、实时时钟、IIC总线的EEPROM模块、键盘模块及LCD屏等，电路是完成系统功能的基础，控制器硬件结构如图1所示。

图1 自整定模糊PID 控制器硬件结构

图2 主程序流程图

3.系统的软件设计

控制系统基于Linux平台，控制界面采用Qt Designer开发工具进行开发，在Qt Designer中可以方便地拖动集成的控件完成界面的布局与设计，在本设计中数据输入采用Spin Box控件，窗口文字与测量数值显示采用Label控件，控制按钮采用Push Button控件。

开始按钮和停止按钮用于启动和停止PID控制器，采用多线程方法实现。当一个操作耗时很长或使程序进入不断循环时，整个系统都会等待在这，不会进行下一步的操作，此时程序不会响应按键或其它的操作，而使用多线程的技术，将耗时长或不断循环的操作置于一个新的线程，可以提高图形界面的响应速度。在本设计中，将数据采集、模糊PID运算置于一个新的线程中，采用静态整型变量st做为触发信号，当st置1时启动控制器;当st置0时停止控制器。在系统运行时图形控制界面线程会常驻内存，其主程序流程如图2所示。

参数自整定模糊PID控制器软件设计， 采用了功能强大的嵌入式实时操作系统Linux内核作为核心， 输入输出采用了QT人机界面，PID算法采用参数自整定模糊PID算法.设计中包含了IIC读写任务（用于将数据保存在非易失性内存）、串口通信任务（用于PC机管理），实现远程监控，和QT任务（用于显示数据及人机交互）， 多任务间的通信采用了Linux中的管道机制， 方便地实现了数据交换。本文设计的模糊PID控制算法是系统的输出数据进行处理，引用上节介绍的设计好模糊控制器之后，将得到、、模糊控制表存入ARM处理芯片中，然后通过查询模糊控制表得到对应的控制变量，流程图如图3所示。

图3 模糊PID算法流程

4.系统的仿真

本系统是基于ARM9（三星S3C2440）处理器搭建的， 在搭建好硬件平台之后，开始编写程序并经过不断调试，直至得到满意的输出。实现PID参数模糊自整定的仿真运算，首先对被控对象进行抽象建模，得出数学模型并运行后将结果在示波器上显示出来，其中数学模型为为：。选择阶跃信号作为给定值， 其后加入模糊PID控制环节构成单闭环控制系统。首先取一初值，然后不断调试，在设计中比例因子的选择为=6，= 0.01， 解模糊因子的选择为=0.7，= 0.1，=0.2。

图4 常规PID系统仿真结果

分别对常规PID和模糊PID控制系统进行仿真，仿真结果如下图4，5所示，可以看出，在对三阶线性系统的控制中，模糊自适应PID控制要比常规PID控制效果好，系统输出稳定且超调量较小，但模糊PID控制存在一定的稳态误差。当系统存在误差时，系统根据模糊规则确定模糊PID的参数从而达到稳定输出的目的。

图5 模糊PID系统仿真结果

5.结束语

本文基于功能强大的ARM9处理器自行设计了参数自整定模糊PID 控制器，ARM处理器能够在嵌入式系统领域用的非常广，因为其拥有丰富的外设接口，并且能够嵌入主流的操作系统，也减少了软件的设计难度。随着嵌入式技术的不断地发展，基于ARM处理器的模糊PID控制器在实践中的应用势必将会越来越广泛。

参考文献

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