（信号与信息处理专业论文）基于模糊pid多轴同步控制技术研究.pdf

摘要 摘要 在工业控制中，多轴之间同步的好坏，直接影响生产效率和产品质量。因此， 多轴同步控制的研究具有非常重要的现实意义。 针对舞台机械中多台电机同步控制难度较大、精度较低的现状，本文研究了 一套基于模糊p i d 理论的舞台同步控制系统。该系统采用复合模糊p i d 控制方式， 将模糊控制和p i d 控制相结合，对舞台设备进行同步控制。 本人负责舞台机械设备同步控制系统的开发，主要进行的工作和创新有： 1 仔细分析了舞台机械多电机同步的软件功能需求，参考了大量的文献和通信 协议，完成了舞台机械同步控制软件的总体设计、协议制定、模块规划以及程序 接口定义。 2 分析研究了大量的关于模糊控制和p i d 控制的资料和学术论文，分析其优缺 点，对模糊p i d 算法和应用做了详细的分析，并针对本课题提出适用的方案。 3 对于模糊p i d 控制，在m a t l a b 上进行仿真，并与常规p i d 在阶跃响应、有 扰动、信号跟随、变参数情况下进行比较分析，验证模糊p i d 的优越性。 4 基于k e i lm d k 平台，开发了整个系统中执行层和管理层的模块功能，使用 c 语言开发了舞台机械同步控制模块，和其他舞台机械控制模块配套可实现舞台设 备的同步控制。 5 基于m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 8 平台，使用c 群语言开发了整套上位机 控制系统，用于测试和验证整个舞台机械控制系统，包括本文中要用到的同步控 制模块。 关键词：模糊、p i d 、舞台控制、同步 a b s t r a c t a b s t r a c t n eq u a l i t yo fs y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nm u l t i p l em o t o rd i r e c t l yi n f l u e n c e st h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n dp r o d u c tq u a l i t yi n i n d u s t r yc o n t r 0 1 s ot h es t u d yo f s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nm u l t i p l em o t o rp o s s e s s e sv e r yi m p o r t a n tr e a l i s mm e a n i n g t ol o w e rt h ec o n t r o lc o m p l e x i t ya n di m p r o v et h ea c c u r a c y , t h es y n c h r o n o u sc o n t r o l s y s t e mf o rs t a g em a c h i n e r yb a s e do nf u z z y - p i di sp r e s e n t e d ，砀en e ws y s t e ma d o p t s f u z z y - p i dc o m p o s i t ec o n t r o l l i n gm e t h o dw h i c hc o m b i n e sf u z z ya n dp i dc o n t r o l st o s y n c h r o n i z et h es t a g em a c h i n e r y m yt a s ki sm a i n l yf o rs t a g em a c h i n e r ys y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t 1 1 1 em a i ni m p r o v e m e n t sa n di n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sc a nb es t a t e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i st h es t a g em a c h i n e r ys y n c h r o n i z a t i o ns o f t w a r ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s a n dc o m p l e t e st h ed e s i g no fs o f t w a r e ，i n c l u d i n gt o t a ld e s i g n ，p r o t o c o ld e v e l o p m e n t ， p l a n n i n ga n dp r o g r a mi n t e r f a c ed e f i n i t i o nm o d u l e ； 2 as c h e m ei sp r o p o s e da f t e rr e f e r e n c i n gm a n yf u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o l a c h i e v e m e n t sa n dm a t e r i a l sa n da n a l y z i n gf u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n d a p p l i c a t i o n ； 3 r n l ef u z z yp i dc o n t r o ls i m u l a t i o ni se m p l o y e du n d e rt h es o f u v v a r em a t l a b a n d t h er e s u l ti sm o r ee f f i c i e n tc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lp i du n d e rt h ec o n d i t i o no fs t e p r e s p o n s e ，d i s t u r b a n c e ，s i g n a lf o l l o w , a l t e r a b l ep a r a m e t e r s 4 d e v e l o p e de x e c u t i v ea n dm a n a g e m e n tm o d u l ef u n c t i o no ft h ew h o l es y s t e mb a s e 6 nk e i lm d k d e v e l o pt h es y n c h r o n o u sc o n t r o lm o d u l eo fs t a g em a c h i n e r yu s i n gc l a n g u a g e i tc a nr e a l i z et h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lw i mo t h e rs t a g ed e v i c ec o n t r o l m o d u l e 5 d e s i g nt h es o f t w a r eo fas e to fp cc o n t r o ls y s t e mu s i n gc 撑l a n g u a g eb a s e do n m i c r o s o f t v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 8 i ti su s e dt o e v a l u a t es t a g em a c h i n e r yc o n t r o l s y s t e mi n c l u d i n gt h es y n c h r o n o u sc o n t r o lm o d u l e k e yw o r d s ：f u z z y , p i d ，s t a g ec o n t r o l ，s y n c h r o n i z a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特n , d n 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：堡虽丝缮日期：2 0 0 年否月1 日 论文使用授权， 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：馁鹏强导师签名： 日期：? o f 第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 多轴同步问题在垂直升船机，分部造纸机，连续轧钢机等多变量控制系统中 广泛存在。在多变量控制的实践中，有很多场合需要各受控量的控制过程相互配 合和协调，使各变量之间保持某种同步协调关系，使整个系统处在技术上合理、 经济上合算的协调工作状态中。例如，在染整机械中，要求速度上升均匀、协调， 使织物通过加工机械各部分的张力恒定。多轴同步控制问题直接影响系统的可靠 性和控制精度u 剖。 随着科学技术的不断发展，曾出现过各种各样的同步传动形式。多轴协调控 制是制造与生产过程中经常用到的很重要的控制，其中有要求几台电机的轴严格 同步传动的，如门型吊车、水闸闸门、升降桥等；有的则要求几台电机转角或转 速的比值按某一规律连续变化，如造纸机、塑料薄膜机等。在这些系统中多个电 机之间协调结果的好坏，直接影响生产效率及产品质量。因此，多轴同步( 也即 多电机同步) 一直是人们不懈研究的课题之一，具有非常重要的现实意义【4 】。 在舞台机械设备控制中，随着人们文化生活水平的提高，对舞台演出节目的 质量要求越来越高。舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势【5 。7 】。对多轴同步控 制也提出了越来越高的要求，如演艺设备中吊杆、升降台、车台等的多设备同步。 本文主要以舞台机械设备多轴同步为出发点，研究分析模糊p i e ) 算法在多轴同步 控制中的应用。 用传统控制方法对舞台机械多电机设备进行同步控制，但效果都不是很明显。 p i d 校正控制以其结构简单、工作稳定、物理意义明确、鲁棒性强及稳态无静差等 优点在现代电机控制中被广泛采用。但是，p i d 控制参数一般都是人工整定，不能 够在线进行调整。而且，一次性整定得到的p i d 参数很难保证其控制效果始终处 于最佳状态。因此根据不同的情况，必须找到一种方法能够随时在线地调整p i d 参数，改善系统动、静态性能以确保系统始终具有很好的自适应性能。 利用操作人员的实践经验和直观感觉或一些不精确的控制规则所产生的控制 策略，将状态条件和控制作用表示为一组被量化的模糊语言值，然后利用模糊数 电子科技大学硕士学位论文 学的方法，并借助计算机等手段而完成的过程控制，就是人们通常所说的模糊逻 辑控制。模糊逻辑控制简称模糊控制，实质上是一种非线性控制。模糊控制理论 能够成功地在准确和简明之间取得平衡，不仅对复杂的控制对象有了实际的描述， 而且能够高效率的对复杂事物做出正确的判断和处理，从而满足控制性能的要求。 模糊控制技术的突出优点就是能较好地仿效和描述人的思维方式、总结和反 映人的经验，对复杂事物和系统进行模糊度量、模糊识别、模糊推理、模糊控制 和模糊决策。模糊控制将专家的知识以及现场操作人员的经验转化为控制策略， 在对象参数发生变化或受外部扰动时，能够不依赖于控制对象的数学模型，而仅 从输入输出关系就能实现对控制对象的控制，与传统的控制方案相比，模糊控制 具有更强的鲁棒性和适应性。 如果将模糊控制技术与传统p i d 控制技术相结合应用到多轴系统中，通过模 糊控制在线地调整p i d 参数，对于改善多轴系统的动态响应性能和稳态性能，以 提高整个系统的稳定性，具有重要的理论价值和实际应用意义【8 】。 1 2 多轴同步主要技术研究现状 实现多轴的协调运转，通常采用两种方法：一种是机械方式，另一种是电方 式【9 , 1 0 。早在2 0 世纪初期，机械同步技术就广泛的应用于工业生产。由于机械方 式协调传动连接牢固可靠，在初期得到较为广泛的应用，但机械协调传动方式有 其固有的缺陷，对一些要求高精度动态定位的控制系统难以取得较好的效果。与 此相反，电方式的多轴协调控制使用更加灵活，精度更高，稳态性能更好，逐步 在生产实践中获得了广泛的应用。同步控制技术初期主要定位于速度的协调控制 研究，主要应用于军事、航空以及一般工业技术领域，例如它可应用于航空器的 对接，智能化雷达群、火炮群等的协调控制，柔性机械，高性能的数控技术，机 器人控制以及恶劣环境下的电机运行状况的重现和高速加工中的动态更换刀具 等。高性能的协调控制还可以提高纺织、冶金、机械、造纸、印刷等行业产品的 质量和成品率，这些都离不开多轴的协调控制。 电方式的同步控制技术多由电子控制器作为控制系统的核心，p l c 也被应用 于电方式的同步控制领域【l l 】。一般来说电方式的同步控制系统主要由控制器、驱 动器以及检测机构组成。由于永磁同步电机具有良好的调速特性，而变频器具有 很好的节能效果，变频器加永磁同步电机的模式被广泛的应用于同步控制的传动 2 第一章引言 系统。干簧管、接近开关以及编码器作为检测环节应用的也比较多，由于干簧管 和接近开关的分辨率较低，所以在高速旋转的传动系统中较少采用。对于高精度 高性能的动态跟踪场合，伺服电机无疑成为人们的首选。另外，己经有许多科学 工作者把现场总线系统应用到多轴的协调控制中，现场总线技术使传动系统成为 开放的系统，可以方便地移植于其他传动系统中，成本降低并且性能可靠，具有 现场总线功能的同步传动系统是一种发展趋势 1 2 , 1 3 。 多轴的同步控制技术主要有两种控制策略：交叉耦合控制和非交叉耦合控制 u 4 ，1 5 1 。简而言之，交叉耦合控制是指多轴系统中各电机的动态性能可以相互影响， 对其它电机具有可见性；而非交叉耦合则认为多轴之间的动态性能不会相互影响， 彼此具有一定的独立性。交叉耦合控制最主要的特点是将两台电机的速度或位置 信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号，将这个附加的反馈信号 作为跟踪信号，系统能够反映出任何一台电机的负载变化，从而获得良好的同步 控制精度，但有学者指出交叉耦合控制不适用于两台以上的电机同步控制【l6 j 。为 了适应不同系统对同步控制的不同要求，电子虚拟总轴控制、主从控制等控制策 略也被应用到不同的传动系统中。 同步控制算法是控制系统的核心，直接影响控制系统性能。除了传统的p i d 控制算法，近年来有许多科学工作者把h o o 控制 1 。丌、滑模变结构控n t l 8 】、最优控 制、模型参考自适应控制、模糊控制、神经网络与遗传算法等大批的现代控制方 法应用到多轴传动系统中，并取得了很好的控制效果。 1 3 舞台机械设备多轴同步现状 就国内舞台发展现状来看，虽有部分舞台参照了国外的舞台形式，但整体的 技术水平较低，不能满足舞台使用的各种功能要求。大部分剧院舞台的台面固定， 而且造型、风格单一，舞美呈现达不到表演的预期效果。几家比较大型的国内舞 台机械设备提供商的控制系统也多采用国外的控制方案，主要为基于p l c 的控制， 控制方式不够灵活。 对于舞台机械设备同步控制，就当前系统中人们常采用的几种控制方式，主 要有以下几种： 1 采取硬件同步方案：通过连接不同的物理部件，将不同的设备连接到一起。 这种手段多用于升降台控制系统中，采用刚性轴连接几台电机，来驱动大 电子科技大学硕士学位论文 型升降台运动。但这种方式存在很大的安全问题，随着设备长时间运行， 容易造成物理连接的断裂等等。一 2 软件集中控制方案：一些同步控制系统仅仅设置设备的运行速度相等，在 运行过程中基本不再控制速度，只是检测设备的运行状态，当一个设备停 止时，发送命令使其他同步设备一起停止，达到初略的同步效果。但这样 做存在很大的问题，一方面舞台机械不能保证完全相同，机械误差比较大， 在设备运动过程中不加以调节的话，容易形成累积误差而难以消除，造成 设备同步运行过程中高低不平。 3 第三方设备控制方案：通过采用第三方提供的同步控制卡，实现同步。同 步卡一般由国外变频器厂商提供，配套变频器来完成使用。其中比较典型 的就是采用丹麦变频器厂商丹佛斯提供的变频同步控制卡。这种方案相比 其他方案控制精度要高很多，能基本实现设备真正意义上的同步。但一般 由于采用各自变频器厂商提供的配套的变频同步控制卡，作为配件，价格 很高，小型舞台一般难以接受。同时，对于同步设备确定的舞台，此方案 比较简单，能容易的实现，但对于同步设备动态选择的场合，灵活性就成 了此方案最大的制约因素。 对于上面所述的方案，在舞台应用中都或多或少的存在一些问题，在舞台机 械设备同步控制中总是难以满足要求。 近三十年来，随着自动控制理论、电力拖动技术、液压传动技术、微电子技 术以及计算机控制技术的不断相互融合，舞台机械自动控制技术得到了迅速发展。 将自动控制原理中的知识应用到舞台机械控制中已经成为一种发展趋势。 1 4 方案可行性初步分析 对于多轴同步，主要将同步控制算法加入舞台机械控制系统中，完成舞台设 备多轴同步运行。 自动控制理论的产生可追溯到1 8 世纪中叶英国的第一次技术革命。经过一个 多世纪的发展，已逐步的由传统控制到智能控制转变。传统控制中比较经典的为 p i d 控制，当今智能控制的典型代表则主要为模糊控制、神经网络、神经模糊控制 等。而其中又以智能控制和传统控制相结合的方法，如模糊p i d 控制等，由于结 合了两者的优点，使其具有了卓越的性能，而逐渐成为当代主要的控制手段。 4 第一章引言 对于舞台同步控制系统，当前控制手段都难以很好的解决这一问题。但同步 控制作为一种过程控制手段，实际和工业控制中常见的传动控制相类似，可以将 现代控制理论运用到舞台机械同步控制上，来解决这一问题，如经典的p i d 调节 等。但在一些应用场合，需要同步的设备不能唯一确定时，p i d 调节也难以解决这 一问题，将现代控制理论应用到舞台机械控制中也成为一种趋势。 此节将首先以传统控制中的p i d 控制以及智能控制中的模糊控制做简单说明， 大致阐述其所具有的优点和不足，并介绍将两者结合形成模糊p i d 控制，及这种 复合控制带来的优势。 1 4 1p i d 控制 当今的自动控制技术基本都是基于反馈的概念。反馈理论的三个要素包括：测 量、比较以及执行。测量所关心的变量，用于和期望值相比较，并用所得的误差 纠正调节控制系统。这个理论应用到实际自动控制系统中的关键是：做出正确的 测量和比较后，如何输出控制量才能更好地纠正系统 1 9 - 2 0 1 。 p i d ( 比例积分微分) 控制器作为最早实用化的控制器，使用历史已超过5 0 年，但现在仍然是应用最广泛的工业控制器。p i d 控制器使用简单，不需要精确的 系统模型等先决条件，且控制成本很低，因而成为应用最为广泛的控制器，据不 完全统计当今控制器中超过百分之九十的控制器为p i d 控制。 在一些情况下针对特定的系统设计的p i d 控制器控制得很好，但它们仍存在一 些问题需要解决： 假如自整定以模型为基础，为了p i d 参数的重新整定在线寻找和保持好过程模 型是比较困难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引 起扰动，所以基于模型的p i d 参数自整定在工业应用不是太好。 如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特 性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个 不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法， 参数整定可靠与否存在很多问题。 p i d 在控制耦合、时变、非线性、以及结构和参数不确定的复杂过程时，工作 一般难以令人满意。最重要的是，如果p i d 控制器不能控制复杂过程，无论怎么 调参数都没用。 5 电子科技大学硕士学位论文 p i d 的优点是实现简单，但上述的缺点，导致p i d 控制器在一些复杂控制领域 难以立足，或实现效果不能令人满意。如在舞台设备同步控制系统中，由于不同 工程的机械都存在误差，采用传统的p i d 控制，需要在每个工程都重新整定p i d 参数，且当舞台设备载重不同时，设备运行速度都会有轻微的影响，使多设备同 步难以根据外部环境的变化相应的变化。 1 4 2 模糊控制 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊技术和 模糊系统理论与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了 许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们 思考问题的重要方法论 - 2 。 1 9 6 5 年美国的控制论专家l a z a d e h 教授创立了模糊集合论，为描述、研究 和处理模糊性现象提供了一种新的方法。可以利用模糊集合的理论来建立系统模 型，进而控制系统的良好运行。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，将人们 ( 主要是专家或行业能手) 的控制策略的自然语言转化为计算机能够识别、接受、 且处理的算法语言，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些 无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。让计算机在控制过程中可以比较 容易的模拟人对事物的思维、对事情的执行过程，使计算机更智能，像人类的思 维方式靠拢。 将模糊集合理论运用于自动控制中，在近年来得到了迅速的发展，其原因主 要在于对那些非线性时变的复杂控制系统，一般难以获得精确的数学模型，使常 规的控制方法难以奏效，这种情况下利用具有智能的模糊控制器由于能模拟人的 思维控制方式而给出有效的控制。例如，在化工、炼钢、经济系统、人文系统以 及医学心理系统中，要得到精密而且正确的数学模型是特别困难的。但对于这些 系统，它们却拥有大量的可以定性描述的经验或先验信息，以及仅仅用语言规定 的性能指标。而这些都是一些难以精确描述的量，应用一般的控制理论是很难实 现控制。但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的 控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当 的对策完成控制任务。于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组 条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模 仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。 6 第一章引言 随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到 自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式 也由最初在微型机( 单片机) 上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊 计算机进行直接控制。 模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制 领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难 以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究 人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。但是也应该看到，模糊控制的 理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的 突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。同 时，由于模糊控制需要制定相应的控制规则，规则越多，需要的经验越详细，规 则越难以详细制定，而对于需要精确控制的场合，单纯的模糊控制很难满足稳态 和精度的要求。 1 4 3 模糊p i d 控制 在工业生产过程中，许多被控对象随着负载变化或干扰因素影响，其对象特 性参数或结构发生变化。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操 作人员的调整经验作为知识存于计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调 整p i d 参数。这样就出现了模糊p i d 控制器【2 2 2 4 】。 利用模糊p i d 控制器，在线实时调整常规p i d 中的k p 、k ，、k d 参数，使得 这三个参数能随误差和误差变化快慢实时变化，使系统能根据外部环境自动调节 控制输出。一方面可以避免单纯采用模糊控制器精度难以提高的问题，另_ 方面 又可解决常规p i d 控制参数固定，对外界环境敏感的缺点1 2 弛引。 1 4 本文研究的主要内容和章节安排 本文主要研究采用新的控制方法，即模糊p i d 控制手段，控制多轴( 多电机) 同步运动，从而达到更好的舞美效果。 模糊p i d 主要为传统自动控制方法p i d 控制和现代智能控制方法的典型模糊 控制相结合形成的一种复合控制手段，基于模糊控制和p i d 控制，使其具有两者 的优点，使控制更稳定、平滑，鲁棒性更好。 7 电子科技大学硕士学位论文 论文的整体结构分为五个章节： 第一章为引言，通过阅读国内外大量相关文献，了解当今演出对舞美的新的 需求，针对其中对设备同步的需求和现实控制手段的相对落后，分析比较分别采 用单纯的p i d 控制和模糊控制可能存在的不足，在此基础上提出新的方案，即模 糊p i d 控制，并简要说明了其具有的优点。 第二章主要介绍模糊控制原理，了解模糊控制的一些基本知识和特点。对模 糊控制中比较关键的隶属函数和模糊集做了较为详细的说明，同时介绍了模糊控 制作为智能控制的优势；并介绍经典控制理论p i d 控制，通过模拟p i d 引出数字 p i d 调节，详细介绍了p i d 调节中三个参数k p 、k ，、k n 的作用，对后续章节模 糊p i d 中对p i d 参数的调节做铺垫。 第三章主要介绍模糊p i e ) 控制相关知识，并通过仿真结果证明模糊p i d 控制 在过程控制中的优势。 第四章作为核心章节，详细介绍了模糊p i d 控制在舞台同步控制中的应用， 给出实际的实现方法。 第五章作为总结，总结本文的工作，提出还需要改进的地方以及以后的研究 方向。 第二章模糊控制和p i d 控制 2 1 模糊系统 第二章模糊控制和p i d 控制 与传统的二值逻辑相比，模糊系统由于基于模糊逻辑，使其更加接近于人类 的思维和自然语言。原理上，模糊逻辑提供了一种有效的方式来获取现实世界中 近似的和不精确的特性。一个模糊系统中基本的部分是一个语言规则集，该规则 间通过模糊蕴涵和推理式的合成规则这两个概念相关联。本质上，模糊系统提供 了一种方法，即把基于专家知识的语言规则转换成自动的控制行为。许多试验表 明用模糊系统得出的结果远远优于用传统方法得到的结果。特别是当传统的定量 方法分析起来太复杂，或者当己知的信息源只能定性的、不精确的或不确定的描 述时，模糊系统方法显得非常有效。因此，可以认为模糊系统朝着传统的精确数 学方法和人类决策的最终交融靠近了一步。 2 1 1 模糊隶属函数 在讨论各种模糊现象时，都离不开如何建立相应的隶属函数。建立模糊隶属 函数的方法较多，不同的模糊问题有不同的方法。通常采用的方法有两种：统计 规律法和随机分割法。 ( 1 ) 统计规律法： 在概率论中经常使用统计规律计算古典概率，例如n 次试验中事件a 发生的 概率尸( 彳) 如式2 1 所示。 p ( 么) ：l i m 型型燮塑 n 。 以 ( 2 1 ) 古典概率的方法定义方法同样使合于隶属函数，其中p ( a ) 就相当于隶属函数 g ( u ) ，1 1 表示论域u 中的一群元素，“a 出现的次数”用“u 属于模糊子集a 的 次数 ： 小一l i r a 竿 ( 2 - 2 ) 9 电子科技大学硕士学位论文 由于“u e a 的次数”不可能大于n ，因此心( “) 的值在 0 ，1 之间。 上式给出了隶属函数z _ ( u ) 的计算方法，但要注意的是，隶属函数与概率的表 达式虽然相似，但它们的物理本质却不相同。概率是事件a 可能出现的几率，隶 属函数是元素u 从属于子集a 的程度。前者充满随机性，后者表露客观模糊性。 ( 2 ) 随机分割法 统计规律求得的是隶属函数的值，而不是函数，采用随机分割法可求出隶属 函数。这种方法的要点是随机分割模糊统计试验模型。在进行分割时，注意要使 用模糊概念，例如把体积划分成特大、大、较大、中、较小、小、特小等七个不 同的级别。 现采用三分法说明。所谓三分法，是指把讨论的空间q 划分成三个子空间a 1 、 a 2 、a 3 ，且设a 1 、a 2 的分界点( 面) 为毛；a 2 、a 3 的分界点( 面) 为i l 。这 样，如果确定了( 毛，n ) ，就确定了一次分割。 随机分割法把( 毛，n ) 看作一对随机变量，在抽样调查中求出毛，n 的概率分 布，再推导出隶属函数i la i ( u ) ，其中的i 是子空间数。若是3 个子空间，则i = l ， 2 ，3 使用随机分割法计算隶属函数的公式如下。 设( 毛，r 1 ) 是满足p ( 毛，n ) = 1 的一组连续随机向量，又假设( 毛，1 1 ) 的每次取 值对应一个映射e ，有 毛，1 1 ) ：q u = 底层设备初始化：主要用于完成对底层设备的初始化，如设备时钟、用于 通信的c a n 底层，如图中所描述的c a n 接收接口和c a n 发送接口。 命令数据解析器：将上位机或操作台传来的控制命令进行解析，通过中间 件和命令生成器生成对设备同步要求的初始控制命令。 状态数据解析器：根据需同步的设备重新配置c a n 滤波器，使同步控制 器能接收其他“被同步设备 传来的状态数据，其中状态数据主要包括设 备的运行状态以及设备的位置信息。 模糊p i d 控制器：通过对“被同步设备位置信息的解析、比较生成新的 控制命令，通过c a n 发送接口将相应的调节命令发送给“被同步设备”。 电子科技大学硕士学位论文 4 5 2 系统通信协议设计 图4 4 软件功能模块图 通信协议，主要是以太网和c a n 网络的应用层协议，它提出了一个易于构建 的网络，直接面向舞台的控制系统。为舞台系统各设备之间的互联，提出了一个 低成本的方案。 对于以太网和c a n 网络而言，其通信协议基本一致，方便对常用命令的透明 传输。主要区在操作对象上，详见表4 3 。 表4 2 命令发送的报文帧结构 4 b y t e 1 b 、，t e 1 b y t em b y t e 操作对象多帧标志命令字 命令参数1 】， 命令参数2 】 命令参数涧 ( 可选) 帧结构解析如下： 操作对象：由目标组地址、目标地址、源组地址、源地址、功能号等组成。 主要用于标识此帧源地址和目的地址，以及此帧的功能，以区分是用于传 输命令数据、状态数据、还是应答等信息。操作信息的详细格式请见表 第四章模糊p i d 控制器设计 4 _ 3 。需注意的是：采用以太网传输时，需传输操作对象的四个字节，而 对于c a n 网络而言，由于c a n 长帧d 长度为2 9 ，忽略前两位，将操作 对象作为c a n 帧d 发送。方便c a n 接收器的滤波。 多帧标志：用于指示此帧是否需要分多帧传输。由于c a n 帧最长为8 字 节，为了可以传输长帧，特以此位作为标识，内加序列号用于指示长帧信 息。 命令字：是帧标志符中功能码( f u n c i d ) 的参数0 。其决定了对应功能码 的具体操作。 命令参数：命令参数是命令字为了实现某项特定功能而附带的参数约束选 项。它是一个可选项，长度为m ，m 可以为0 ，最大不能超过7 字节。 报文标识符指定了数据通讯中的源节点g r p i d 、m a c i d 和目标节点g r p i d 、 m a c i d ， 并指示了报文的功能以及所要访问的逻辑设备。报文标识符被分为源 节点组地址( s r c g r p l d ) 、源节点地址( s r c m a c i d ) 、目标节点组地址( d e s t g r p l d ) 目标节点地址( d e s t m a c i d ) n 四e 位、功能码( f u l l d ) 和保留位( r e s r v e ) 7 个 部分，如表4 3 所示。 1 ) m a ci d ( 节点地址) 为舞台控制设备( 包括主站和从站) 在舞台网络上 的唯一标识，节点地址值的范围为0 x 0 0 0 x 3 f 。由节点地址的分配可以知 道一个舞台子网络中最多可容纳6 3 个节点( 其中0 x 3 f 节点保留给广播 使用) 。在舞台报文的标识符中指定了发送节点( 源节点s r c m a c i d ) 和 接收节点( 目标节点d e s t m a c i d ) 的编号。因此在每次的通讯过程中， 通信双方都必须以s r c m a c i d 和d e s t m a c i d 的值作为报文滤波的依据。 2 1 g r p i d ( 组地址) 用于区分舞台设备每一个子网络。舞台控制网络中最多 可以存在1 6 个子网络，其中g r p i d l 5 为系统保留的子网序号，应用程序 不允许使用。每一个子网络可以容纳6 4 个舞台逻辑单元。如果一个子网 的数目超过6 4 个，那么允许一个子网占用多个g r p d 。每一个组的 m a c i d0 为网关地址。多少个子网就有多少个网关地址。 3 ) 分段标志位标志当前帧是否需要分段传输。如果该位为0 表示该帧不会分 段传输，为l 表示该帧会分段传输。在分段传输的每一个帧中数据中 s e g f l a g 必须为1 ，即使当前分段为最后一个分段。 4 ) 保留位占用标识符i d 5 、i d 2 4 和i d l 3 共三位。这三位是为通信协议将来 电子科技大学硕士学位论文 升级用的。通信程序不应该使用这三位。每个位写入时写0 ，读出来的数 据无效。 表4 3 命令发送的报文帧结构 d 2 8i d 2 7d 2 6 ) 2 5i d 2 4 目标组地址( ：9 e s t g r p i d ) 保留 i d 2 3m 2 2d 2 1 ) 2 0d 1 9d 1 8 目标地址( d e s t m a c i d ) d 1 7d 1 6m 1 5i d l 4d 1 3 帧 源组地址( s r c g r p i d ) 保留 标 d 1 2d 1 1d 1 0) 0 9 ) 0 8 ) 0 7 识 源地址( s r c m a c i d ) 符 i d 0 6d 0 5 保留保留 i d 0 4d 0 3i d 0 2d 0 1) o o t y p e( 功能号) f u n i d i u r = 0 d l c s e g f l a g b y t e l b y t e 2 数 b y t e 3 据 b y t e 4 部 b y t e 5 分 b y t e 6 b y t e 7 5 ) t y p e ：响应标识位，分配1 位，占用标识符位i d 4 。该位用于区分帧类 型为命令帧还是响应帧，并说明是否需要应答本帧，如表4 4 所示。 第四章模糊p i d 控制器设计 表4 4 响应标志位 t y p e 含义 0 用于命令帧，本帧需要应答。但对于广播帧，此值无意义 1 用于响应帧，本帧不需要应答；或不需要应答的命令帧( 如广播帧) 。 6 ) f u n i d ：功能码，分配4 位，占用标识符位i d 3 i d 0 ，如表4 5 所示 表4 5 功能码 帧d 编号d 3d 2d 1d o 功能定义f u n l d 功能码 功能码用于指示舞台报文需要实现的功能，接收报文的节点根据报文中的功 能码进行相应的处理。在舞台协议规范中所使用的功能码如表4 - 6 所示。 表4 - 6 功能码列表 f 佃 功能表述 0 x 0 0r e s e e保留功能码 0 x 0 1c m主站向从站发送的命令 0 x 0 2 r q s t 主站向从站请求的常规性数据 0 x 0 3a c k从站向主站确认命令或请求 0 x 0 4n a c k 从站向主站非确认命令或请求 0 x 0 5l 蹦i t 从站向主站发送限位状态 0 x 0 6i o 主站向从站发送常规i o 数据请求 0 x 0 0 x fi e s e e 保留功能码 在舞台协议规范中，舞台报文的数据部分主要用于传送与功能码相关的参数。 c a n 总线的报文数据，最大不能大于8 b ，但是当前协议通过分段传输的方式( 即 通过某种协议来实现大于8 字节数据的传输) 来实现多余8 b 数据的传输。 4 5 3 设备同步控制器软件 对于同步控制器软件设计，如图4 5 所示。 首先初始化程序，主要针对芯片外设以及内部状态机或变量的初始化。芯片 3 7 电子科技大学硕士学位论文 外设主要为两个c a n 接口，一路为s t m 3 2 自带的c a n ，用于连接管理层设备， 我们标记为c a n l ，一路c a n 为外接c a n 收发器m c p 2 5 1 5 ，主要用于连接被同 步设备，我们标记为c a n 2 。同时，还需要初始化定时器，用于定时采集位置数据， 用于送入模糊p i d 控制器以控制。 设备初始化完成后，开始进入主函数循环，循环执行流程如图4 - 3 所示： 1 程序判断c a n l 中是否有消息，假如有消息，取出送入命令解析器解析， 在命令解析器中，如果判定为同步控制命令，将生成对每个被同步设备的 控制命令，并将控制命令传入c a n 2 发送缓冲接口中，等待发送控制命令。 2 程序判断c a n 2 中是否有消息，假如有消息，说明为被同步设备传入的状 态或应答数据，将数据取出送入命令解析器解析，在命令解析器中，如果 判定为状态数据，将取出其中的位置信息存入相对应的被同步设备数据结 构体中。 3 程序检查当前是否有设备需要同步控制，假如有，判断是否定时时间已到， 定时时间到，将被同步设备的位置数据送入模糊p i d 控制器中用于计算， 并输出相应的控制量，将生成对被同步设备的速度调节命令，并传入 c a n 2 发送缓冲接口中，等待发送。 4 程序判断c a n l 发送缓冲中是否有数据需要发送，假如有，将送入s t m 3 2 自带的c a n 控制器发送数据。 5 程序判断是否c a n 2 发送缓冲中是否有数据需要发送，假如有，将送入 m c p 2 5 1 5c a n 控制器中发送数据。 需要注意的是：对于c a n 的发送接收，不管是s t m 3 2 自带的c a n 控制器还 是外接的m c p 2 5 1 5 控制器，其内部自带的c a n 发送或接收缓冲都极其有限，如 s t m 3 2 的c a n 发送缓冲有三个，接收缓冲只有两个。对于这种设备通信数据量大， 需实时交换数据的环境，硬件自带的发送接收缓冲一般都不够用，经常会出现接 收溢出或发送中新数据覆盖旧数据的情况出现，在控制中这种情况是不容许出现 的。此设计中对两路c a n 接口都采用软件缓冲机制，即在软件中自己设计合适长 度的f i f o ，当有数据需要发送时，先存入f i f o 中，主程序循环扫描f i f o 中是否 有数据，有的话将f i f o 中的数据放入c a n 控制器用于发送。同理，接收也有其 自带的f i f o ，中断接收，将接收到得数据放入接收f i f o 中，主程序循环扫描接 收f i f o 中是否有数据，有将送入相应的命令控制器用于解析。 第四章模糊p i d 控制器设计 程序的编写采用a r m 公司的k e i l 编译器，软件工程如图4 - 6 所示。 c a n 接口l 数 据接收处理 是 有有效数据 解析命令，并生 成针对被同步设 各的控制命令 生成待发送的应答 或控制命令，存入 相应的c a n 发送缓冲 i 霹 生成待发送的应答 或控制命令，存入 相应的c a n 发送缓冲 屈否需要同步控追 设备且同步控制时 间间隔已到达 皂l 。 疋l ；p t d 黼 1 ；制器 根据模糊p id 控制 结果生成待发送 给被同步设备的 调节命令 存入相应的c a n 发送 缓冲 i 否 i c a n 接口1 数 据发送处理 c a n 接口2 数 据发送处理 注意：c a n 接口1 主要用于接收管理层发来的数据，一般指设备同步控制命 令数据。c a n 接口2 主要为与同步设备构成的小型c a n 网络，用于发送命令 给被同步设备，同时通过该接口接收被同步设备传来的状态数据 图4 - 5 设备同步控制器软件框图 3 9 电子科技大学硕士学位论文 图4 _ 6 模糊p d 工程图 如图4 - 6 所示，即为模糊p i d 控制器软件在k e i l 下的工程图。其中，b s p 中主 要用于存储芯片所需的初始化文件包括堆栈等的初始化。l i b 中主要为s t 公司 提供的同件库，方便对于芯片外设的操作，包含了很多的外设，如定时器、g p i o 、 s p i 等。d r i v e 目录中则主要存放工程需要用到的外设的驱动文件，包括两路c a n 驱动( s t m 3 2 自带的c a n 控制器和m c p 2 5 1 5 控制器驱动) 、c a n 发送接收f i f o 、 定时器、存储芯片a t 2 5 0 4 0 等的驱动，此目录中程序很多都需要调用l i b 目录下的 驱动来完成。对于m i d 目录，则主要为设备的中间层处理，对c a n 通信协议的解 析、对c a n 发送接收缓冲的管理( 查询接收缓冲，有数据用于处理、查询发送缓 冲，用于发送数据) ：a p p 目录主要存储系统核t l , 功能，包括模糊查询、p i d 控制、 命令解析。 4 5 4 模糊自适应p i d 结构设计 在p i d 控制中，比例增量增大可以加快响应速度，减少系统稳态误差，提 高控制精度，但是k ，过大会使系统产生超调，甚至导致不稳定。积分作用主要是 消除系统的静态误差，加强积分作用，有利于减小系统静差，但是过强的积分作 等豢熊躲呲一卵曲口攀嗣m，巨浒 些丑审郇自 ； 盥哼 第四章模糊p i d 控制器设