一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法，用于解决模型参数不确定性问题，提高系统的自适应调节能力，以满足更高精度的跟踪控制需求。针对传统的模拟PID控制器不能在线实时改变参数的缺点，本发明专利技术提出用忆阻器设计PID控制器，并通过模糊算法对参数进行整定，实现了具有在线调整功能的自适应忆阻PID控制器，可以根据输入误差的大小以及误差的变化量实时的调整控制器参数，在受到负载扰动及控制模型参数变化时能够实现更好的跟踪特性，提高了控制系统的动态调节能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法


[0001]本专利技术属于自适应控制领域，具体涉及一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法，主要用于实现一种可在线调整控制器参数的忆阻PID控制器，在受到负载扰动及控制模型参数变化时能够实现更好的跟踪特性，提高了控制系统的动态调节能力。

技术介绍

[0002]控制理论形成至今，已经渗透到现代工业的各个方面。PID控制器凭借其控制逻辑简单，容易实现，具有较好的鲁棒性，成为应用最为广泛的控制器之一。然而在传统模拟PID控制器中最难控制的是如何调节比例、积分和微分三个参数，而且当参数被设定之后，一旦外部环境或者被控对象发生改变，参数调节起来十分的不便。随着现代工业的发展，被控对象变得更加复杂，涉及到时变的、非线性等控制，它们的参数未知或变化缓慢，有延时或干扰，无法建立较为精确的数学模型，这也使得传统模拟PID控制器的局限性逐渐显露。因此，开发具有自动调节参数功能的PID控制器是未来模拟PID控制器的一个重要发展方向。
[0003]忆阻器的出现为现代工业控制技术的发展带来了曙光，其具有阻变性、体积小、功耗低等优点，因此可将忆阻器引入到模拟PID控制器的设计中。由于忆阻器的阻值可以根据外部激励信号发生变化，所以只要改变控制忆阻的外部激励就可以改变模拟PID控制器比例、积分和微分三个参数的大小，这样既提高了效率，又降低了控制过程中的能量消耗。然而忆阻的阻值变化较快，如何控制外部激励的大小以及作用时间成为目前控制忆阻器的一个难点，因此亟需一种可以有效控制忆阻器阻值变化，实现自适应忆阻PID控制器的方法。

技术实现思路

[0004]为了突破传统模拟PID控制器参数调节困难的局限性，实现存在负载扰动及模型不确定时更好的跟踪特性，本专利技术提出了一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法。该方法设计了一种基于忆阻器的PID控制器，并通过模糊算法对忆阻阻值进行调节，解决了忆阻阻值调节困难的问题，与此同时，设定了合理的模糊规则，整定了控制器参数，实现了更好的跟踪特性，提高了控制系统的可动态调节能力。
[0005]为了实现本专利技术的目的，本专利技术提出一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法，其方法步骤如下：
[0006]步骤(1)：确定忆阻器的数学模型；
[0007]R
M
(x)＝R
ON
·
x+R
OFF
·
(1
‑
x)
[0008][0009]其中，R
M
(x)为忆阻器的总阻值，x为忆阻器内部状态变量，w是随着电场作用而改变的掺杂区域的厚度，D为忆阻器总的厚度，R
OFF
和R
ON
分别是w＝0和w＝D时的忆阻值。
[0010]惠普忆阻模型实际应用中离子的漂移率呈现非线性，因此，为了模拟这种非线性的离子漂移，需要在R
M
(x)右边乘上一个窗函数f(x)，以保证在忆阻器的边界处呈现线性特
性，所采用的窗函数表达如下：
[0011]f(x)＝1
‑
(2x
‑
1)
2p
[0012]其中，p是一个正整数，称为控制参数，x为忆阻器内部状态变量。
[0013]步骤(2)：对忆阻器的模型进行设计，并根据被控对象设计不同的初始值；
[0014]忆阻器的初始值设为R
INIT
，在电压初始值为0的情况下，状态变量x0的初始值可以按照以下公式进行设计：
[0015][0016]ΔR＝R
OFF
‑
R
ON
[0017]其中，R
INIT
为忆阻器的初始值，x0为状态变量的初始值,ΔR为忆阻器的最大值R
OFF
与最小值R
ON
之差。
[0018]步骤(3)：根据忆阻器的特性对忆阻PID控制器的结构进行设计；
[0019]模拟PID控制器的标准输出形式表达如下：
[0020][0021]设计三个忆阻器模型，忆阻值分别设为R
M1
、R
M2
、R
M3
，分别用它们替换传统模拟PID控制器中的K
p
、K
i
、K
d
，则忆阻PID控制器构建的表达式如下：
[0022][0023]其中，u(t)为控制器输出量，e(t)为输入误差信号。
[0024]步骤(4)：设计模糊规则，对忆阻器的参数进行整定。
[0025]模糊算法主要由模糊化接口、知识库、推理机和解模糊化接口几个部分组成。通过对当前的系统误差e以及误差的变化量ec进行模糊化，采用7个语言变量对系统误差e以及误差的变化量ec进行描述如下：[负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZE)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)]，且各输入输出量均服从三角形隶属度函数分布。通过模糊整定推理得到PID参数的整定规则，将模糊算法的输出结果ΔK
p
、ΔK
i
、ΔK
d
分别作用于三个忆阻器从而实现PID参数的在线动态调整。
[0026]最终本方法在受到负载扰动及控制模型参数变化时能够实现更好的跟踪特性，提高了控制系统的动态调节能力。
[0027]本专利技术与现有技术相比具有如下优点：
[0028](1)相比于传统模拟PID控制器，本专利技术设计的忆阻PID控制器可以解决传统模拟PID控制器参数不能实时在线调整的问题；
[0029](2)相比于直接外加激励调整忆阻阻值的方法，本专利技术结合模糊算法，无需知道忆阻的阻值大小，便可将参数调到最优，提高了忆阻器的应用范围；
[0030](3)相比于传统模糊PID控制，本专利技术不需要多次调节模糊的比例因子，操作步骤更少，实现过程更加简单方便。
附图说明
[0031]图1是本专利技术的一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器的控制框图；
[0032]图2是本专利技术的一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器的三角隶属度函数示意图；
[0033]图3是输入为阶跃信号的跟踪效果对比图；
[0034]图4是输入为阶跃信号，且在0.3s加入一个阶跃扰动的跟踪效果对比图；
[0035]图5是输入为正弦信号的跟踪效果对比图；
[0036]图6是输入为正弦信号的误差对比图；
[0037]图7是被控对象分母系数缩小50％情况下的跟踪效果对比图；
[0038]图8是被控对象分母系数增大50％情况下的跟踪效果对比图。
具体实施方式
[0039]以下结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明。但以下的实施例仅限于解释本专利技术，本专利技术的保护范围包括权利要求书限定的全部内容；任何熟悉本
的技术人员在本专利技术揭露的技术范围内，根据本专利技术的技术方案及其专利技术构思本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：步骤(1)：确定忆阻器的数学模型；步骤(2)：对忆阻器的模型进行设计，并根据被控对象设计不同的初始值；步骤(3)：根据忆阻器的特性对忆阻PID控制器的结构进行设计；步骤(4)：设计模糊规则，对忆阻器的参数进行整定。2.根据权利要求1所述的一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法，其特征在于：步骤(1)忆阻器所采用的数学模型为惠普模型，模型表达如下：R
M
(x)＝R
ON
·
x+R
OFF
·
(1
‑
x)其中，R
M
(x)为忆阻器的总阻值，x为忆阻器内部状态变量，w是随着电场作用而改变的掺杂区域的厚度，D为忆阻器总的厚度，R
OFF
和R
ON
分别是w＝0和w＝D时的忆阻值；为了模拟惠普忆阻器模型实际应用中离子的非线性漂移率，需要在R
M
(x)右边乘上一个窗函数f(x)，以保证在忆阻器的边界处呈现线性特性，所采用的窗函数表达如下：f(x)＝1
‑
(2x
‑
1)
2p
其中，p是一个正整数，称为控制参数，x为忆阻器内部状态变量。3.根据权利要求1所述的一种基于模糊算法的自适应忆阻PID控制器设计方法，其特征在于：步骤(2)中忆阻器的初始值设为R
INIT
，在电压初始值为0的情况下，状态变量x0的初始值可以按...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛耀，范凯伦，张兵，冯腾，李志俊，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：