基于模糊推理的伺服系統自調整技術

  李葉松  程善美  鄧忠華  秦憶(華中理工大學武漢430074)

  【摘  要】伺服系統模糊自調整控制器將模式分類、模糊推理、特征量辨識等技術結合起來，對于負載轉動慣量的變化以及機械振動等，經過10余次的調整，可以將伺服系統速度控制器的增益自動調節到比較滿意。實驗證明，該技術方案是有效的。

1引  言

    功率電子技術和微電子技術的發展，促進了伺服系統在工業中的應用。然而在實際應用過程中，存在著機械工況發生變化時要相應調整控制器參數這一問題。為了使系統能夠和機械負載比較好地配合，就需要人為地進行調整，這要求具有專門的知識。因此，從應用的角度出發，實現伺服系統的參數自動調整功能是實際應用的迫切需要，也是伺服系統向智能化發展的趨勢。

    目前自動調整技術主要分為兩類，一是基于模型的調整技術，二是基于知識的調整技術。基于模型的自調整技術需要外加特殊的測試信號，然后根據系統的模型結構辨識發生變化的參數。這種方法對信號的精度有一定的要求，而且相應的計算量也較大，一般要求有運算速度較快的微處理器。基于知識的自調整技術，是根據預先確定好的實際經驗規則和實時抽取的系統特征量確定控制器的參數，這種方法不需要外加特殊的測試信號，而只需系統輸入輸出信號，因此對信號的要求不高，但對規則知識要求比較高，通常需要大量的精確的實際調整規則知識，因此對調整后參數的可信度需要反復驗證。

    本文從實際應用的角度出發，提出了一種簡單可行的參數模糊自調整方案，該技術具有計算量小、容易實現的特點，對于變化的負載，經過10余次調整后，可以將控制器的增益調整到比較滿意，較好地配合了變化情況，采用一般的微處理器即可實現這一控制方案，實驗結果證實該方案是可行的。

2系統結構及自動調整原理

    圖1示出了模糊自調整控制器的結構框圖，其中控制器由兩部分組成，控制器和自調整機構。控制器部分為速度調節器，采用pi方式。后者是模糊自調整控制器，它包括速度指令發生器、觀測器和模糊推理器，速度指令發生器是為了防止速度響應產生過大的沖擊而設置的指令緩沖機構，觀測器通過采樣實時的響應波形，從中抽取特征值如超調量、阻尼因子等，并對這些變量進行規格化處理。模糊化處理將輸入到模糊推理器的特征變量轉換成用語言符號表示的合適的語言值，根據模糊化后的特征量確定響應特性的模式，再利用事先預置的模糊規則，確定伺服系統中速度控制器增益的調整信息。模糊推理器的輸出結果為pi參數的調整因子，如果調整因子的值大于1，新的控制器參數將要增加，如果小于1，則新的控制器參數將要減小。

    模糊調整控制的時續如圖2所示，它分為兩個階段，實時觀測階段和推理計算階段。

    圖3示出了實時觀測階段所采樣的響應波形，e是給定指令ωr和反饋ωf之間的偏差，在模糊自調整中所利用的特征量定義如下：

tr為速度指令升降速時間，△ωmax為速度穩定運行時的****波動值。

    上式中，δ是超調量；d是阻尼因子，t是規格化的振蕩周期，它代表了響應的快慢，σ是速度波動率，它反映了系統響應的穩態特性。為了準確地觀測到上述的特征量，需要使觀測周期比實際的伺服控制響應周期要長。

    在推理計算階段，當從采樣觀測的數據中抽取的特征值輸入到模糊推理器后，需要對這些變量進行模糊量化，用于表示上述模糊變量隸屬度函數的模糊集合包括s、m、b，對于這四個特征變量其隸屬度函數都是一致的。模糊推理器的輸出結果是速度pi調節器比例增益和積分增益的增量值△cp和△ci，這兩個變量具有相同的隸屬度函數和同樣的語言符號nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb。根據模糊規則確定兩個增量是一個模糊決策問題。決策方法主要有三種：

    1．高度法。2．中位值判決。3．加權平均判決。

為了減少計算量，采用高度法確定控制器參數的增量值，則調整后的速度控制器參數可表達如下：

3模糊推理及調整規則

    為了得到準確而真實地反映控制系統的特性的實時觀測波形，應盡量保證使伺服驅