實(shí)時(shí)T-S型模糊控制器設(shè)計(jì)及其在CAN總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要： 本文提出了一種實(shí)時(shí)模糊控制算法，并應(yīng)用到基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，且給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場控制單元的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、精度高的特點(diǎn)，在現(xiàn)場控制中有效可行。

引言
隨著模糊控制理論的發(fā)展，Takagi-Sugeno模型(簡稱T-S模型)的出現(xiàn)將模糊控制的研究推向了一個(gè)高潮。實(shí)踐證明，具有線性后件的T-S模糊模型以模糊IF~THEN規(guī)則的形式充分利用系統(tǒng)局部信息和專家控制經(jīng)驗(yàn)，可以任意精度逼近實(shí)際被控對象。但是，由于T-S模型以及相應(yīng)模糊控制器的建立需要確定較多的參數(shù)且推理復(fù)雜，使得該模型僅用于理論分析，實(shí)際使用的T-S型模糊控制器至今未見報(bào)道。現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，形成了控制網(wǎng)絡(luò)。由于其適應(yīng)了控制系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化發(fā)展的趨勢，因而顯示出強(qiáng)大的生命力，成為控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。
基于上述考慮，本文通過對T-S模型推理過程的簡化得到了一種實(shí)用的模糊控制算法，并將該算法與現(xiàn)場總線技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的實(shí)時(shí)模糊運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

模糊控制器的設(shè)計(jì)
對于復(fù)雜被控對象而言，在系統(tǒng)局部信息或?qū)＜铱刂平?jīng)驗(yàn)可得到的情況下，通過系統(tǒng)辨識、經(jīng)驗(yàn)歸納等方法得到多條規(guī)則作為T-S型模糊控制系統(tǒng)的參考規(guī)則庫。對于任意實(shí)時(shí)輸入，利用模糊模式識別技術(shù)在規(guī)則庫中尋找一條與該輸入最匹配的規(guī)則(控制規(guī)則中心)，并以之為基礎(chǔ)，對整個(gè)參考規(guī)則庫進(jìn)行動(dòng)態(tài)簡化，從而得到控制量。其模糊控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 規(guī)則簡化的模糊控制系統(tǒng)

圖2 基于CAN總線的模糊運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

對于給定被控對象，考慮如下一組模糊參考規(guī)則：
(1)
其中，為輸入語言變量；是第i條參考規(guī)則中與前件輸入變量對應(yīng)的語言變量值；為后件輸出量，是第i條規(guī)則的后件系數(shù)。將參考規(guī)則中的前件語言真值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)論域中的模糊數(shù)形式，則上述條規(guī)則可寫成如下矩陣形式：

其中，L是用模糊數(shù)表示的規(guī)則前件語言值；P是規(guī)則的后件系數(shù)陣；X、Y分別是輸入和輸出向量。
假設(shè)在任意采樣時(shí)刻K，系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸入精確量為Xk=(x1k x2k L xnk)，經(jīng)過模糊化，按照最大隸屬度原則，可得到一組輸入語言值XkL=(L1k L2k L Lnk)等價(jià)的模糊數(shù)形式為
XkL=(l1k l2k L lnk) (2)
下面，將從參考規(guī)則庫中尋找與該輸入組合最接近的規(guī)則，也即“控制規(guī)則中心”。
把矩陣寫成行向量的形式，即
L=(L1 L2 L Lm)T (3)
其中，Li=(li1 li2 L lin)稱為模糊模式。這樣，L矩陣確定了m個(gè)模糊模式。需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，m個(gè)模式應(yīng)覆蓋整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出空間，也即模糊模型應(yīng)該是完備的。
計(jì)算(3)式與每一模糊模式L之間的Euclid距離及最大Euclid距離，
(4)
采用最大隸屬度原則，即可求得“控制規(guī)則中心”；也就是說，如果存在mLa(XkL)=max[mL1(XkL), mL2(XkL), L , mLm(XkL)]則認(rèn)為實(shí)時(shí)輸入XkL優(yōu)先隸屬于La模式，可得“控制規(guī)則中心”為Ra。其中，
為實(shí)時(shí)輸入關(guān)于模糊模式的隸屬度。
以規(guī)則Ra為基礎(chǔ)，可將參考規(guī)則庫簡化為

其中，b1,b2,L,bm為適當(dāng)?shù)暮蠹壤禂?shù)。
考慮到實(shí)際輸入XkL與各模糊模式之間的差別，取，利用重心法解模糊，可得控制器的輸出為
(5)
其中，為第i條規(guī)則的前件強(qiáng)度。
上述簡化T-S型模糊控制器處理方法的優(yōu)點(diǎn)在于：
(1)突出了“控制規(guī)則中心”在整個(gè)控制器輸出中的基礎(chǔ)性作用，使得控制更符合專家經(jīng)驗(yàn)。
(2)選用作為簡化規(guī)則的后件比例系數(shù)，充分考慮了輸入組合與各模糊模式之間的不完全一致性。
(3)在線推理和運(yùn)算工作量的減少，使控制器的實(shí)時(shí)性得到了提高。
需要注意的是，在(5)式中，變量系數(shù)會(huì)隨著實(shí)時(shí)輸入的變化而變化，原因在于不同的輸入對應(yīng)著不同的“控制規(guī)則中心”。因此，從整體來看，該模糊控制器又是一個(gè)變結(jié)構(gòu)的控制器。

基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
在雕刻機(jī)、數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)叉車、柔性制造系統(tǒng)等應(yīng)用場合，往往要求各個(gè)電機(jī)能夠在不同條件下以不同的速度協(xié)調(diào)運(yùn)行，分別實(shí)現(xiàn)不同精度的定位等功能，目前多采用集中控制方式，但是，其存在響應(yīng)速度慢、抗干擾能力差、對數(shù)據(jù)通信可靠性要求高等固有缺點(diǎn)。同時(shí)，現(xiàn)有控制器一般采用單片機(jī)、86系列微控制器等作為硬件核心，盡管價(jià)格便宜，但由于運(yùn)算速度和存儲容量的限制，一般適用于簡單控制過程和“慢”過程，在一些加工工藝復(fù)雜、動(dòng)作協(xié)調(diào)要求高的場合，其應(yīng)用十分有限。 本文設(shè)計(jì)了以CAN總線為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理器為硬件平臺的模糊運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能很好解決這一問題，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
硬件結(jié)構(gòu)
在一些多電機(jī)或多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，每個(gè)電機(jī)或軸的位置、速度等都必須單獨(dú)地受一個(gè)更高級別的控制器控制，且同一個(gè)過程單元中的幾個(gè)電機(jī)之間可能也需要傳遞一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，可以通過CAN總線將多個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)控制器和主控制器互連起來，主控制器在一個(gè)更高的層次上，向各個(gè)電機(jī)發(fā)送參考運(yùn)動(dòng)信息(設(shè)定位置、速度，力矩等)，并且等待來自測量器件的反饋。同時(shí)，各運(yùn)動(dòng)控制器之間也可以交換必要的數(shù)據(jù)信息。實(shí)現(xiàn)上述功能的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)控制單元以TI公司的TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器芯片為硬件核心，它主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，以及通過CAN總線收發(fā)器與其它現(xiàn)場控制單元及主控制器之間的通信；TPIC82501為CAN總線收發(fā)器，符合CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，主要負(fù)責(zé)把TMS320LF2407A發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議格式，且將之發(fā)送到CAN總線上供主控制器和其它控制單元使用，同時(shí)，接收從CAN總線上來的數(shù)據(jù)供TMS320LF2407A做進(jìn)一步的處理；IR2103S、IR2144和大功率MOSFET管，共同構(gòu)成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)控制單元

圖4 無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

控制程序可在TI公司的數(shù)字信號處理器系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境CC2000下以C語言或匯編語言的形式編寫，然后寫入TMS320LF2407A的片內(nèi)Flash EEPROM。TMS320LF2407A利用片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換單元或數(shù)字I/O通道輸入采樣數(shù)據(jù)，通過片內(nèi)CAN控制模塊接受主控制器的位置、速度等信息，經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算，得到相應(yīng)的控制量，通過片內(nèi)的事件管理器模塊產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腜WM脈沖輸出至MOSFET管，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。
軟件結(jié)構(gòu)
在現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)控制單元中，初始化程序和模糊控制算法實(shí)現(xiàn)程序分別采用TMS320LF2407A的匯編語言和C語言編制。電流檢測、位置檢測、PWM輸出都采用中斷方式來實(shí)現(xiàn)；運(yùn)行速度、位置等參考值由主控制器、上位機(jī)或其它現(xiàn)場單元提供，通過電路板上的CAN收發(fā)器輸入LF2407A；電機(jī)的運(yùn)行速度、相電流、軸位置等信息分別通過LF2407A的捕獲單元、片上A/D轉(zhuǎn)換器、正交脈沖編碼電路等得到；對電機(jī)的控制通過LF2407A的事件管理器模塊EVA、EVB輸出具有適當(dāng)占空比的PWM脈沖給大功率MOSFET管來實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)行結(jié)果
為驗(yàn)證本文算法的有效性，我們設(shè)計(jì)了以CAN總線為基礎(chǔ)、TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器為核心的三相無刷直流電機(jī)的速度控制系統(tǒng)，如圖4所示。參考速度由主控制器通過CAN總線輸入，系統(tǒng)采用電壓PWM調(diào)制策略。
圖中三相無刷直流電機(jī)的定子繞組為三相星形、定子每相感抗為40mH、相阻抗為190mΩ、在5000rpm時(shí)，最大允許電流是4.3A、轉(zhuǎn)矩常數(shù)為17.2mNm/A。采用本文介紹的控制系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩從減少為；設(shè)定轉(zhuǎn)速為800rpm和400rpm時(shí)，轉(zhuǎn)速波形分別達(dá)到了預(yù)定的要求。雖然本文控制器采用了實(shí)時(shí)模糊推理，增加了計(jì)算量，但是，由于使用了簡化T-S模型和數(shù)字信號處理器作為軟件和硬件基礎(chǔ)，保證了實(shí)時(shí)性和較高的控制精度。

結(jié)語
本文對T-S模糊模型進(jìn)行了研究，著眼于控制系統(tǒng)綜合的容易實(shí)現(xiàn)、快速響應(yīng)、實(shí)時(shí)性等指標(biāo)，通過對模型進(jìn)行合理簡化，得到了一種實(shí)時(shí)模糊控制算法，同時(shí)，針對目前廣泛使用的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，介紹了一種采用CAN總線實(shí)現(xiàn)多電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的分布式智能系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所得到的基于CAN總線的模糊控制器具有較高的精確度，較好的實(shí)時(shí)性和動(dòng)特性。