系统软件设计方案

结合模糊控制和PID控制的优缺点，该装置设计了一种基于阈值切换的多模式控制算法，该算法综合了比例控制、模糊控制和经典PID控制的优点，弥补了纯模糊控制系统因没有积分作用而不能消除静态误差的不足，弥补了经典PID参数不能自适应调节的缺点，控制算法的结构如图2-7所示。当误差e大于设定的阈值时，用最大比例控制，可以提高系统的响应速度；当误差e小到设定阈值以下时，切换转入模糊控制，基于模糊规则自适应调节，以提高系统的阻尼特性，减小响应过程中的超调；在误差e接近设定温度时，再切换到经典PID控制，其积分作用可以消除稳态误差。这种基于阈值切换的多模式控制算法可使系统具有较快的响应速度、高精度和抗干扰变化的自适应控制。基于LabVIEW语言的虚拟仪器技术，在上位机设计了热触觉感知与复现实验装置的控制程序，程序设计框图如图2-8所示，其中e是输入误差，等于温度设定值与热触觉接触面的温度实际值之间的差值，最大比例-模糊-PID控制开关切换决策如下：

图2-7　基于阈值切换的多模式控制算法

当|e|>6℃时，执行最大比例控制，PWM控制的占控比为100%，控制制冷器全速降温或升温；1≤|e|≤6℃时，切换到模糊控制器，选择Mamdani型模糊控制器进行设计，其结构如图2-9所示。图中，Kec是量化因子，通过调节Kec，使误差的变化率的实际论域映射到区间[-1，1]；Ku是比例因子，通过调节Ku，使输出变量按一定的比例进行缩放，Ku相当于系统总的放大倍数。

在模糊控制器中，设定误差e的论域为[-6，6]，当实际的控温误差e在1≤|e|≤6℃时，模糊控制器起到控制作用；通过调节Kec，使误差的变化率映射到论域[-1，1]；输出变量u的论域是[-1，1]，根据控制系统实际情况，可以通过调节比例因子Ku，使输出变量按一定的比例进行缩放，更好地调节温控系统的响应速度和控制精度。选定7个模糊子集：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）和正大（PB），分别涵盖变量e、ec和u的论域，它们的隶属度分别如图2-10和图2-11所示。

根据控制系统实际需求，制订了49条控制规则，见表2-3，每条模糊规则都给出了一个蕴涵关系Ri（i=1，2，…，49），这49个F蕴涵关系Ri的并，就构成了系统总的模糊蕴涵关系R，即：

近似推理总输出为：

通过49条控制规则进行推理，输出u清晰化方法采用的是面积中心法，模糊推理系统的输出曲面如图2-12所示。

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图2-8　基于LabVIEW的热触觉感知与复现实验装置程序设计框图

图2-9　模糊控制器的结构

图2-10　输入变量论域的模糊子集分布

图2-11　输出变量论域的模糊子集分布

表2-3　模糊控制规则

图2-12　模糊推理系统的输出曲面