模糊控制論文參數(shù)自整定模糊PID控制器設(shè)計(jì)

1、模糊控制論文 參數(shù)自整定模糊pid控制器設(shè)計(jì)時(shí)間 2010年6月16日參數(shù)自整定模糊pid控制器設(shè)計(jì)【摘要】在借鑒傳統(tǒng)pid控制應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場基礎(chǔ)上，引進(jìn)模糊規(guī)則的調(diào)用方式。根據(jù)偏差絕對值和偏差變化率絕對值的改變，在線調(diào)節(jié)pid參數(shù)，最后進(jìn)行matlab仿真，經(jīng)過比較傳統(tǒng)pid控制與模糊pid動態(tài)性能的差異，驗(yàn)證模糊pid動態(tài)性能得到明顯的改善?！娟P(guān)鍵詞】模糊pid、控制器、matlab仿真（simulink）傳統(tǒng)pid (比例、積分和微分)控制原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域。但是pid控制器也存在參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定過程，最優(yōu)參數(shù)選取比較麻煩的缺點(diǎn)，對一些系統(tǒng)參數(shù)

2、會變化的過程，pid控制就無法有效地對系統(tǒng)進(jìn)行在線控制。不能滿足在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)pid參數(shù)隨之發(fā)生相應(yīng)改變的要求，嚴(yán)重的影響了控制效果。本篇文章介紹了對模糊pid控制性能改善，它不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型，能夠在線實(shí)時(shí)修正參數(shù)，使控制器適應(yīng)被控對象參數(shù)的任何變化。并對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明模糊pid控制使系統(tǒng)的性能得到了明顯的改善。1、傳統(tǒng)pid與模糊pid的比較pid控制pid控制器問世至今憑借其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握、得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，采用pid控制技術(shù)最為方便。pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)

3、計(jì)的核心。它是根據(jù)被控過程的特性來確定pid控制器的參數(shù)大小。pid控制原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣，但pid控制器的參數(shù)整定是一件比較困難的事。合理的pid參數(shù)通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員在線整定。在控制對象有很大的時(shí)變性和非線性的情況下，一組整定好的pid參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。為此，需要引入一套模糊pid控制算法。模糊pid控制所謂模糊pid控制器，即利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對pid控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想的控制效果。模糊pid控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、pid控制器等幾個(gè)重要組成部分。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號，計(jì)算實(shí)

4、際位置和理論位置的偏差e以及當(dāng)前的偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出pid控制器的比例、積分、微分系數(shù)。2、模糊pid原理工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量采用的仍然是pid算法，pid參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對象特性為基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識存

5、入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動調(diào)整pid參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能pid控制器。這種控制器把古典的pid控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。這種控制必須精確地確定時(shí)象模型，首先將操作人員長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理便可對pid參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整。模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息(如評價(jià)指標(biāo)、初始pid參數(shù)等)作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況(即專家系統(tǒng)的輸入條件)，運(yùn)用模糊推理，即可自動實(shí)現(xiàn)時(shí)pid參數(shù)的最佳調(diào)整，這就

6、是模糊自適應(yīng)pid控制。模糊自適應(yīng)pid控制器目前有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致。3、模糊控制器的仿真設(shè)計(jì)模糊控制器模糊語言變量設(shè)計(jì) 參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊pid的kp調(diào)節(jié) 參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊pid的ki調(diào)節(jié) 參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊pid的kd調(diào)節(jié)語言值選擇及隸屬函數(shù)設(shè)計(jì) fc1輸入輸出變量的隸屬函數(shù) fc2輸入輸出變量的隸屬函數(shù) fc3輸入輸出變量的隸屬函數(shù)模糊規(guī)則集的設(shè)定fc1的模糊推理規(guī)則 fc1的模糊規(guī)則觀察器 fc1模糊推理輸入輸出關(guān)系曲線fc2的模糊推理規(guī)則 fc2的模糊規(guī)則觀察器 fc2模糊推理輸入輸出關(guān)系曲線fc3模糊推理規(guī)則 fc3模糊規(guī)則觀察器 fc2模糊推理輸入輸出關(guān)系曲線系統(tǒng)simu

7、link模型的建立與仿真分析參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊pid控制系統(tǒng)simulink仿真模型傳統(tǒng)pid控制單位階躍響應(yīng)模糊控制子系統(tǒng)simulink模型pid控制器子系統(tǒng)的simulink模型 pid參數(shù)計(jì)算模塊參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊pid控制下單位階躍響應(yīng)曲線pid參數(shù)調(diào)節(jié)過程說明：從如圖所示的參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊pid控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線可以看出，系統(tǒng)超調(diào)量為10%，比pid控制的超調(diào)量少了一半，但峰值時(shí)間為2s，比pid控制要長。所以參數(shù)自調(diào)節(jié)模糊pid控制在改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)，犧牲了其動態(tài)性能。4、模糊控制pid控制的應(yīng)用：1、將模糊pid控制應(yīng)用于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，任務(wù)是將送風(fēng)溫度和空調(diào)房間內(nèi)的溫度(

8、回風(fēng)溫度)控制在各自的設(shè)定目標(biāo)值附近。分別設(shè)計(jì)了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度模糊pid控制系統(tǒng)和室內(nèi)溫度(視為回風(fēng)溫度)模糊pid控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)冷凍水閥門的開度來控制送風(fēng)溫度，通過調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制室內(nèi)溫度。應(yīng)用所設(shè)計(jì)的模糊pid控制器對送風(fēng)溫度和空調(diào)房間的溫度(即回風(fēng)溫度)進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線控制，控制結(jié)果表明模糊pid控制器設(shè)計(jì)合理，采用模糊控制器能夠取得比pid控制更好的控制效果。2、鍋爐及熱力系統(tǒng)的氧腐蝕是鍋爐安全運(yùn)行的一大隱患，目前常用的減緩或消除鍋爐中氧腐蝕的方法是熱力除氧。影響熱力除氧器除氧效果的主要因素有溫度、壓力和水位，這三者之問具有非線性、時(shí)變性和耦合性等特點(diǎn)，因此，除氧器

9、的精確控制成為國內(nèi)外很多學(xué)者關(guān)注的問題。對于熱力除氧器系統(tǒng)大滯后、大慣性、非線性以及難以建立精確的動態(tài)數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，采用模糊控制算法與傳統(tǒng)的pid控制算法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了熱力除氧器溫度控制系統(tǒng)。為了檢測所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的性能，采用仿真軟件matlab的模糊工具箱結(jié)合simulink動態(tài)仿真分別對模糊pid控制算法和pid控制算法仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，模糊pid控制系統(tǒng)能較好地滿足除氧工藝要求，提高了熱力除氧器溫度控制系統(tǒng)的精度和工作效率。3、電加熱爐是一個(gè)非線性、時(shí)變的復(fù)雜對象，常規(guī)的pid控制難以達(dá)到控制要求。為此提出了fuzzypid復(fù)合控制方案，對電加熱爐的爐溫進(jìn)行控。電加熱爐是一

10、個(gè)非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)解析式表示其特性十分困難，采用模糊-pid復(fù)合控制器，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高穩(wěn)態(tài)精度。這種復(fù)合策略是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成pid控制。將兩者合理結(jié)合，既具有傳統(tǒng)pid控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有模糊控制器快速、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并可以迅速消除系統(tǒng)誤差，保證了系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)特性，能達(dá)到較好理想的控制效果。5、模糊控制pid控制的優(yōu)點(diǎn)：對于難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的非線性系統(tǒng)的控制，傳統(tǒng)的控制理論和控制方法具有很大的局限性，作為智能控制的重要組成部分，模糊控制可以解決具有非線性、不確定性、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，因而在非線性系統(tǒng)控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。針對控制對象的大慣性、大時(shí)延特點(diǎn)，采用了串級控制策略；針對對象的非線性、不確定性，主控器采用了模糊自整定pid參數(shù)的方式，經(jīng)仿真驗(yàn)證具有良好的動、靜態(tài)特性，特別是在魯棒性方面大大優(yōu)于常規(guī)的pid控制器。6、總結(jié)：常規(guī)pid控制時(shí)通過調(diào)節(jié)pid 3個(gè)參數(shù)，就可以得到系統(tǒng)比較理想的響應(yīng)圖，控制效果的優(yōu)良與參數(shù)的調(diào)