PID控制與模糊控制比較

1、PIDPID 控制與模糊控制的比較控制與模糊控制的比較專業(yè)：專業(yè)：控制理論與控制工程控制理論與控制工程班級：班級： 級級 班班姓名：姓名：X X X X X X學(xué)號：學(xué)號： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 摘要摘要：介紹了 PID 控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)的工作原理。PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)簡單，控制效果良好，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。而模糊控制器相對復(fù)雜，但在許多的智能化家用電器中也得到了大量應(yīng)用。但對于一個簡單的系統(tǒng)來講，哪一種控制方法更好，是不是越智能的控制就能得到越好的效果。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：PID 控制，模糊控制，比較控制，模糊控制，比較Abstract: Int

2、roduced the working principle of PID control system and fuzzy control system. PID controller structure is simple, implementation is simple, the control effect is good, has been widely used. And fuzzy controller is relatively complicated, but in a lot of intelligent household appliances also received

3、 a large number of applications. But for a simple system, which kind of control method is better, is weather the intelligent control can obtain the good effect.Key words: PID control, fuzzy control, compare目錄目錄一、問題的提出一、問題的提出.1二、二、PID 控制器的設(shè)計(jì)控制器的設(shè)計(jì).21.PID 控制原理圖：.22.PID 控制器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式.2三、模糊控制器的設(shè)計(jì)三、模糊控制器

4、的設(shè)計(jì).31模糊控制原理圖.32模糊控制器傳遞函數(shù)一般表達(dá)形式.4四、系統(tǒng)仿真四、系統(tǒng)仿真.4五、總結(jié)五、總結(jié).10參考文獻(xiàn)：.11一、問題的提出一、問題的提出當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp， Ti和 Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID 應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不

5、隨時間變化的系統(tǒng)，這樣 PID 就可控制了。其次，PID 參數(shù)較易整定。也就是，PID 參數(shù) Kp，Ti 和 Td 可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID 參數(shù)就可以重新整定。第三，PID 控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用 PID 的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問題的困擾。PID 參數(shù)自整定就是為了處理 PID 參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動整定或自身整定的 PID 控制器已是商業(yè)

6、單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 PID 控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了 PID 參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的 PID 參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。因此，許多自身整定參數(shù)的 P

7、ID 控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計(jì)算 PID 參數(shù)。PID 在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果 PID 控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點(diǎn)，PID 控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種

8、方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題。模糊控制在智能控制領(lǐng)域由于理論研究比較成熟、實(shí)現(xiàn)相對比較簡單、適應(yīng)面寬而得到了廣泛的應(yīng)用。不論是對復(fù)雜的水泥回磚窯的控制，還是在智能化家用電器中的應(yīng)用，模糊控制都充當(dāng)著重要的角色。本文針對固定系統(tǒng)，分別利用傳統(tǒng) PID 控制方法和模糊控制方法對其進(jìn)行仿真控制，并對兩種控制的控制結(jié)果進(jìn)行了比較，通過比較表明了模糊控制相比傳統(tǒng)的 PID 控制改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。二、二、PID 控制器的設(shè)計(jì)控制

9、器的設(shè)計(jì)1.PID 控制原理圖：控制原理圖：PID 控制其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖1：PID控制器結(jié)構(gòu)框圖2.PID 控制器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式控制器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式PID 控制器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)形式為：skskksGcdip)(其中 kp 為比例增益；ki 為積分增益；kd 為微分增益。調(diào)整 PID 參數(shù)，以滿足系統(tǒng)要求，從而使被控對象有更優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)。比例環(huán)節(jié)：根據(jù)偏差量成比例的調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制量，以此產(chǎn)生控制作用，減少偏差。比例系數(shù)的作用是增加系統(tǒng)響應(yīng)的速度，比例系數(shù)越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但系統(tǒng)容易產(chǎn)生超調(diào)，比例系數(shù)過小，會影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精度，系統(tǒng)響應(yīng)時間變長，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變

10、差。積分環(huán)節(jié)：用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分時間常數(shù)決定著積分環(huán)節(jié)作用的強(qiáng)度，但是積分作用過強(qiáng)的話會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分環(huán)節(jié)：根據(jù)偏差量的變化趨勢來調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制量，在偏差信號發(fā)生較大變化之前，提早引入一個校正信號，起到加快系統(tǒng)動作速度，減少調(diào)節(jié)時間的作用，調(diào)節(jié)微分參數(shù)需要注意微分作用太強(qiáng)可能會引起系統(tǒng)振蕩。三、模糊控制器的設(shè)計(jì)三、模糊控制器的設(shè)計(jì)1模糊控制原理圖模糊控制原理圖模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖2：模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖模糊控制器結(jié)構(gòu)如下圖：圖 3：模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖2模糊控制器傳遞函數(shù)一般表達(dá)形式模糊控制器傳遞函數(shù)一般表達(dá)形式一個典型工業(yè)過程通?？梢缘刃槎A系統(tǒng)加上一個非線

11、性環(huán)節(jié)（如純滯后） ，給出如下經(jīng)典控制對象傳遞函數(shù)的一般形式：) 1)(1()(21sTsTeKsGps其中模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容。一個基本模糊控制器主要有三個功能：（1）模糊化：把精確量（如偏差 e 和偏差變化 ec）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊量（E、EC） ；（2）模糊推理：按總結(jié)的語言規(guī)則（模糊控制規(guī)劃表）進(jìn)行模糊推理；（3）模糊判決：把推理結(jié)果（U）從模糊量轉(zhuǎn)化為可以用于實(shí)際控制的精確量（u） 。模糊規(guī)則是由一系列的模糊條件語句組成的，即由許多模糊蘊(yùn)含關(guān)系構(gòu)成。這些條件語句是推理的出發(fā)點(diǎn)和得到的正確結(jié)論的根據(jù)和基礎(chǔ)。每條模糊條件語句都給出模糊蘊(yùn)含關(guān)系，即一條控制

12、規(guī)則。若有 n 條規(guī)則，就把它們表達(dá)的 n 個模糊蘊(yùn)含關(guān)系(i=l，2，n)做并運(yùn)算，構(gòu)成系統(tǒng)總的模糊蘊(yùn)含關(guān)系：211RRRRininnRR1四、系統(tǒng)仿真四、系統(tǒng)仿真本文采用的傳遞函數(shù)為：5sesssG05. 021321)(用 Simulink 工具建立由 PID 控制器組成的系統(tǒng)仿真模型如下圖所示，其中比例增益 Kp 取值 5，積分增益取值 1，微分增益取值 5。選用的輸入是單位階躍信號。圖 4：Simulink 的 PID 控制器仿真圖 設(shè)計(jì)模糊控制器的主要步驟為：1.選擇偏差 e、偏差變化 ec 和控制量 u 的模糊語言變量為 E、EC 和 U。根據(jù)e、ec 和 u 實(shí)際的基本論域，設(shè)

13、定 E、EC 和 U 論域都為-3,3，可以確定出量化因子 Ke、Kc 和 K 比例因子 u。2.選取 E、EC 和 U 的各語言變量值：正大為 PB，正中為 PM，正小為 PS，為零為 E，負(fù)小為 NS，負(fù)中為 NM，負(fù)大為 NB，它們各自在論域上的模糊子集隸屬度函數(shù)均為三角形。3.選擇一種模糊判決方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量，這個過程叫做“去模糊化” ，這里采用的是“面積平分法” 。用 Simulink 工具建立由模糊控制器組成的系統(tǒng)仿真模型如下圖所示：圖 5：Simulink 的模糊控制器仿真圖 其中 Ke 取 2，Kc 取值 2，K 取值 2，反饋增益為 0.75語言值的隸屬函數(shù)選

14、擇三角形的隸屬度函數(shù)如下面三幅圖所示：（1）E 的隸屬度函數(shù)：圖 5：E 的隸屬度函數(shù)（2）EC 的隸屬度函數(shù)： 圖 6：EC 的隸屬度函數(shù)（3）U 的隸屬度函數(shù)圖 7：U 的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則選用 Mamdain 控制規(guī)則；該控制系統(tǒng)的控制規(guī)則如表 1 所示：UEECNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSNSZENMNBNMNMNSNSZEPSNSNMNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPMPMPMNSZEPSPSPMPMPBPBZEPSPSPMPMPBPB表 1：控制規(guī)則 將規(guī)則輸入到編輯器中（如圖 8 所示）一共有 77=49 條

15、規(guī)則，輸入后可以在編輯器中的 Rule Viewer（如圖 9 所示）和 Surface Viewe（如圖 10 所示）r 中查看對具體輸入的模糊推理及輸出情況,輸入各種不同的數(shù)據(jù),查看模糊推理情況及輸出數(shù)據(jù)。也可以用于檢查，看自己輸入的規(guī)則和有沒有錯誤。圖 8：規(guī)則編輯器重的控制規(guī)則圖 9：編輯器中 Rule Viewer圖 10：編輯器中的 Surface Viewer實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果圖形如下所示：圖 11：PID 控制法與模糊控制法仿真結(jié)果波形 其中，綠色為輸入信號，紫紅色為 PID 控制法的輸出信號，黃色的為模糊控制法的輸出信號。五、總結(jié)五、總結(jié)利用 MATLAB 的 SIMULINK

16、仿真工具，分別用 PID 控制法和模糊控制法對對象進(jìn)行了仿真，通過對兩者圖像的比較，我得出了一些結(jié)論。 調(diào)節(jié)過程中，由于對象選擇的是比較簡單，PID 控制法所選用的各個環(huán)節(jié)的參數(shù)比較容易調(diào)得，波形相對穩(wěn)定，出現(xiàn)的抖動小，但是波形峰值相對較大，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間稍長。 模糊控制法所選用的各個環(huán)節(jié)的參數(shù)比較難以調(diào)得，波形相對不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)抖動，不容易達(dá)到預(yù)計(jì)值，在此次試驗(yàn)中通過改變反饋的增益來調(diào)節(jié)最終波形達(dá)到穩(wěn)定的值。但是模糊控制法易去掉超調(diào)，波形峰值較小，調(diào)節(jié)時間較短。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試也可以出現(xiàn)比較穩(wěn)定、波動比 PID 控制法要小、無超調(diào)、調(diào)節(jié)時間較為短的輸出波形。對于我所選取的這一對象，最終我調(diào)出的波形，PID 控制的結(jié)果有超調(diào)，調(diào)節(jié)時間長，而模糊控制的結(jié)果沒有超調(diào)，時間比 PID 調(diào)節(jié)略微短些。綜上所述，PID 的參數(shù)雖然相較容易調(diào)得，但控制結(jié)果還是模糊控制的好。參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1李秀娟,吳于力.基于 MATLAB 墓庫控制器設(shè)計(jì)和仿真J.電子測量技術(shù),2004.,4:22-232苗敬利,李華德.模糊控制