一類模糊PID自適應控制器的設計與仿

1、£ 塊呀y(tǒng)angtze university畢業(yè)設計（論文）題目名 稱一類模糊pid自適應控制器的設計及仿真題目類型畢業(yè)設計學生姓名院 （系）電子信息學院專業(yè)班級指導教師 輔導教師日 期 2014年3月3日至2014年5月30日目錄長江大學畢業(yè)論文（設計）任務書i畢業(yè)設計（論文）開題報告ii長江大學畢業(yè)設計（論文）指導教師審查意見ix長江大學畢業(yè)設計（論文）評閱教師評語xi畢業(yè)設計（論文）答辯記錄及成績評定xii摘要xiv1前言11pid簡介11.2模糊控制簡介21.3本文研究的意義和目的22國內外現(xiàn)狀簡介43 matlab工具箱簡介63matlab系統(tǒng)的應用63.2 simluli

2、nk i具箱63.3模糊邏輯工具箱63.4 matlab環(huán)境下的simulink的應用73.4.1 matlab環(huán)境中啟動simulink的方法73.4.2打開simulink 模型窗口的方法73.4.3 simulink仿真基本步驟74模糊pid自適應控制器的設計94經(jīng)典pid94.2模糊控制器的設計要求94.3模糊控制原理114.4常規(guī)模糊控制器的設計124.4.1 一維模糊控制器124.4.2二維模糊控制器144.5 pid模糊控制器154.5.1二維模糊控制器154.5.2多維模糊控制器164.6模糊pid控制系統(tǒng)結構及原理174.7 pid控制器參數(shù)自整定原則184.8各變量隸屈度函

3、數(shù)的確定194.9建立模糊規(guī)則表225利用matlab對模糊pid控制系統(tǒng)進行仿真315建立系統(tǒng)結構仿真框圖315.2仿真結果分析336結論與總結38參考文獻38致謝4041附錄長江大學畢業(yè)論文（設計）任務書學院（系）專業(yè)班級學生姓名指導教師/職稱1 畢業(yè)論文（設計）題目：一類模糊pid自適應控制器的設計及仿真2畢業(yè)論文（設計）起止時間：2014年3月3 ej2014年5月30日3畢業(yè)論文（設計）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分）參考書：1、自動控制原理，李友善；2、matlab教程，羅建軍；3、基于matlab的系統(tǒng)分析與設計一神經(jīng)網(wǎng)絡，樓順天;4、智能控制及其matlab實現(xiàn)，李國勇；

4、5、先進pid控制及其matlab仿真，劉金琨；6、中國期刊網(wǎng)上相關雜志中的相關文獻。4 畢業(yè)論文（設計）應完成的主要內容1、分析傳統(tǒng)pid控制的基本原理以及pid控制器的局限性；2、分析模糊控制的模型構成及算法；3、分析和設計模糊pid控制器；4、利用matlab對模糊pid控制系統(tǒng)進行仿真并分析仿真結果;5、撰寫畢業(yè)設計論文。5畢業(yè)論文（設計）的目標及具體要求設計一類模糊pid自適應控制器，并對控制系統(tǒng)進行仿真實驗研究, 通過仿真實驗分析設計的正確性和有效性。6完成畢業(yè)論文（設計）所需的條件及上機時數(shù)要求計算機一臺；matlab軟件一套；200機時。任務書批準日期2014年2月20_0教研

5、室（系）主任（簽字）任務書下達日期 2014年2月 遼日指導教師（簽字）完成任務日期 2014年5月辺日學生（簽名畢業(yè)設計（論文）開題報告題目名稱一類模糊pid自適應控制器的設計及仿真院 （系）電子信息學院專業(yè)班級學生姓名指導教師 輔導教師開題報告日期 2014年3月15日一類模糊pid自適應控制器的設計及仿真學生：，電子信息學院指導教師：，電子信息學院1題目來源傳統(tǒng)pid控制器結構簡單，具有一定的魯棒性，容易實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無靜差，控制 精度高，能滿足大工業(yè)過程的要求。因此，長期以來廣泛應用于工業(yè)過程控制，并 取得了良好的控制效果。但是，實際上，大多數(shù)工業(yè)過程不同程度的存在非線性、 大滯后、參數(shù)時

6、變性和模型不確定性，因而普通的pid控制器難以獲得滿意的控制 效果。模糊控制不要求被控對象的精確模型u適應性強，為了克服傳統(tǒng)pid控制器 的缺點，人們將模糊控制與pid控制器結合起來，揚長避短，研究出了多種模糊pid 控制器，木文采用的參數(shù)自適應模糊pid控制器即為其中的一種。2研究目的和意義在工業(yè)生產過程屮，許多被控對彖受負荷變化或干擾因素影響，其對彖特性參 數(shù)或結構易發(fā)生改變。自適應控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對彖特征參數(shù)，實時 改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質指標保持在最佳范圍內，但其控制效果的好壞取 決于辨識的模型的精確度，這對于復雜系統(tǒng)是非常困難的。因此，在工業(yè)生產過程 中，大量采用的

7、仍然是pid算法。pid參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對彖特 性為基礎。在工業(yè)過程控制中，pid控制是歷史最悠久的，生命力最強的一種控制方式。 它是迄今為止最通用的控制方法。常規(guī)pid控制器結構簡單，參數(shù)意義清晰明確, 可靠性高，容易實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無靜差，控制精度高，能滿足大工業(yè)過程的要求。然而 在生產現(xiàn)場中，大多數(shù)工業(yè)過程不同程度的存在非線性、大滯后、參數(shù)時變性和模 型不確定性，因此常規(guī)pid參數(shù)整定方法繁雜，其參數(shù)往往整定不良、性能欠佳,對運行工況的整定性差。而模糊控制不要求被控對彖的精確模型且適應性強，為了 克服傳統(tǒng)pid控制器的缺點，人們將模糊控制與pid控制器結合起來，揚長避短, 研究

8、出了多種模糊pid控制器。隨著計算機技術的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調整經(jīng)驗作為 知識存入計算機中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算機能自動調整pid參數(shù)，這樣就出現(xiàn) 了專家pid控制器。該控制器把占典的pid控制與先進的專家系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)系 統(tǒng)的最佳控制。這種控制方法必須精確地確定對彖模型，將操作人員（專家）長期 實踐積累的經(jīng)驗知識用控制規(guī)則模型化，并運用推理對pid參數(shù)實現(xiàn)最佳調整。由于操作者經(jīng)驗不易精確描述，控制過程屮各種信號量及評價指標不易定量表 示，專家pid方法受到局限。模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運用 模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，

9、并把這些模糊控 制規(guī)則及有關信息（如評價指標、初始p1d參數(shù)等）作為知識存入計算機知識庫屮， 然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況（集專家系統(tǒng)的輸入條件），運用模糊推理, 即可自動實現(xiàn)對pid參數(shù)的最佳調整，這就是模糊自適應pid控制。因為其采用模 糊推理的方法實現(xiàn)pid參數(shù)b、b和也的在線自整定，不僅保持了常規(guī)pid控制系 統(tǒng)原理簡單、使用方便、控制精度好等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、整定性、控 制精度更好，是目前較為先進的一種控制系統(tǒng)。采用matlab對模糊自整定pid 參數(shù)控制系統(tǒng)進行計算機仿真可快速方便地實現(xiàn)多種規(guī)則和參數(shù)的準確仿真效果， 極大地提高模糊自整定pid參數(shù)控制系統(tǒng)設計的效

10、率和準確性。3閱讀的主要參考文獻及資料名稱1 席愛民模糊控制技術.西安電子科技大學出版社，20082 易繼錯，侯媛彬.智能控制技術（第五版）1.北京：北京工業(yè)大學出版社，20043 楊三青，王仁明，曾慶山.過程控制.華中科技大學出版社，20084 吳懷宇，廖家平.自動控制原理.華中科技大學出版社，20075 宋雪玲，劉朝英，沈英才.魯棒pid控制在過熱器溫度控制中的應用研究j.河北工業(yè) 大學學報，2005. 86 朱海鋒，楊智，張名宙.儀用ptd參數(shù)自整定控制器設計與應用j.自動化儀表，2005, 26(7):10-127 章衛(wèi)國.先進控制理論與方法導論m.西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.

11、8 孫洪城，李大字，翁維勤.過程控制工程.北京：高等教育岀版社，20069 熊靜琪計算機控制技術.北京：電子工業(yè)出版社，200310 劉金琨.先進ptd控制及其mat lab仿真m 北京：電子工業(yè)出版社,200311 黃峰,汪岳峰.模糊參數(shù)自整定pid控制器的設計與仿真研究j.光學精密工程,2004, 12 (2)： 235-23912 曹剛.ptd控制器參數(shù)整定方法及其應用研究d.浙江：浙江大學信息工程學，200413 殷云華，樊水康，陳閩鄂.自適應模糊pid控制器的設計和仿真j.北京：火力與指 揮控制.2008. 97-9914 趙永娟,孫華東.基于mat lab的模糊pid控制器的設計和

12、仿真j 北京：微計算機 信息.2009. 48-4915 陳曉沖，王萬平.常規(guī)pid控制和模糊自適應pid控制仿真研究j.廣州：機床與液 壓.2004. 65-6616 何克中，李偉.計算機控制系統(tǒng).北京：清華大學出版社，2000.17 胡壽松.自動控制原理.北京：科學出版社，2001.18 于海生.微型計算機控制技術.北京：清華大學出版社，1999.3內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向最初的氣動式pi控制器于1934-1935年間誕牛于?？怂共_和泰勒公司o 1939年，泰勒儀器公司生產出第一臺商用pid控制器。同年，?？怂共_公司推出了由 george.philbrick發(fā)明的pid控制器

13、：“sbatligo30”。20世紀30年代的pi/pd控制器 是在當時工業(yè)的強烈需求推動下不斷發(fā)展的，同時技術的發(fā)展還受到當時的系統(tǒng)化 和抽象派思想所左右，工程設計人員逐步意識到測量裝置的重要性。mason與black 分別在設計氣動式控制機構和電子負反饋放大器時意識到，當系統(tǒng)閉環(huán)后必須在反 饋回路上增加信號測量裝置。1948年?？怂共_公司推出了改進型pid控制器: “mdoel 40 sbatiotg.clarridge 于 1950 年設計出串行 pid 控制器“transettri-act, 此后這種控制器成為了 pid控制器的一種標準形式。pid控制器誕生的隨后幾十年里，大約90%

14、左右的控制元件都是氣動式的。從 20世紀50年代中期起，電子元件逐步取代氣動式控制元件。1959年福克斯波羅公 司推出了電子式pid控制器，到20世紀60年代初，絕大多數(shù)控制儀器公司均提供 了數(shù)字式pid控制器。直到現(xiàn)在，很多控制學術機構、高校以及控制儀器公司不斷 開發(fā)出新的pid控制器調試軟件包、硬件模塊和pid控制器整定技術。從最初的氣動式pid控制器誕生到發(fā)展至fi前的數(shù)字式微處理芯片pid控制模 塊、pid控制軟件包，以及智能pid控制、專家pid控制等先進復合pid控制系統(tǒng) 可以看出，pid控制是在社會生產需求的強烈激勵下產生并不斷發(fā)展的，pid控制 的發(fā)展與控制學科以及與其相關的計

15、算機技術、信息技術、生命科學等新興學科技 術的發(fā)展是密不可分的。近十年來，國際控制界對pid控制的研究熱情又重新高漲 起來，一些重要的國際權威控制雜志不斷岀版有關pid控制器設計理論和應用方而 的論文。pid控制有著光明的應用前景，在未來的控制工程中仍將扮演重要角色， 同時將成為各種復雜控制器的基本單元。我們今天所熟知的pid控制器產生并發(fā)展于19151940年期間。盡管1940年 以來，許多先進控制方法不斷推出，但pid控制器以其結構簡單，對模型誤差具有 魯棒性及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應用于冶金化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過 程控制中。據(jù)日本電氣計量器工業(yè)會先進控制動向調查委員會1990年

16、統(tǒng)計，在日本 有91%的控制的控制回路采用的是pid控制器控制。在美國，據(jù)估計有90%以上的 工業(yè)控制器采用的是pid調節(jié)器。而在我們國家現(xiàn)在pid功調節(jié)器的應用就更加普 遍。雖然隨著控制理論的發(fā)展和控制手段的更新，許多基于現(xiàn)代控制理論的新型控 制器不斷出現(xiàn)，但pid控制仍是最重要的控制方法。據(jù)估計：我們國家過程工業(yè)中 需要約50萬個pid智能的pid控制器。pid調節(jié)器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式 幾個階段，目前正經(jīng)歷由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展階段； 這些數(shù)字化、智能化的控制器有著傳統(tǒng)的模擬控制器無法比擬的優(yōu)點，女n：可以靈 活的改變控制參數(shù)可以靈活的改變控制策略等。隨著工

17、業(yè)的發(fā)展，對彖的復雜程度 不斷加深，尤其對于大滯后、時變的、非線性的復雜系統(tǒng)；其中有的參數(shù)未知或緩 慢變化；有的帶有延時或隨機干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學模型或模型非常粗 糙。加之，人們對控制品質的要求日益提高，常規(guī)的pid控制的缺陷逐漸暴露出來。 對于時變對彖和非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的pid控制更是顯得無能為力。因此常規(guī)pid控 制的應用受到很大限制和挑戰(zhàn)，人們在對pid應用的同時，也對其進行了各種改進。5主要研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路(1)模糊控制器存在動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)精度之間固有的矛盾，采用pd和pi的線 性組合方式，構建模糊pid控制器；在系統(tǒng)響應過程中，模糊pid的比例、積分

18、和 微分控制參數(shù)相互關聯(lián)、相互影響，使控制規(guī)則的提取和控制參數(shù)的整定復雜化，木文 采用變論域設計思想，在模糊pid中引入一種自組織調整機構，設計了一種自適應模 糊pid控制器。6完成畢業(yè)設計所必須具備的工作條件及解決的辦法matlab軟件模糊邏輯工具箱simlulink工具箱結合自適應模糊pid控制器的性能要求，pid控制的理論基礎以及模糊控制原理進行設計，利用matlab進行仿真。7工作的主要階段、進度與時間安排3月14日3月20 fh網(wǎng)上查資料、完成文獻翻譯、開題報告；3月21 h4月10 r：查看相關資料及進行方案論證，做好計劃；4月11 h5月10 結合理論資料進行思考，運用軟件工具進

19、行設計和仿真, 得出結論；5月10日5月20日：完成畢業(yè)論文初稿；5月20日6月1日：畢業(yè)論文及相關文檔定稿、審查、評閱；6月2 h6月3 r：畢業(yè)設計答辯指導教師審查意見長江大學畢業(yè)設計（論文）指導教師審查意見學生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文（設計）題fl一類模糊pid自適應控制器的設計與仿真指導教師職稱評審日期評審參考內容：畢業(yè)論文（設計）的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量， 質量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎和專業(yè) 知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文（設計）是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位 論文的水平，是否同意參加答辯。評審意見：指導教師簽名

20、:評定成績（百分制）：分長江大學畢業(yè)設計（論文）評閱教師評語學生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文（設計）題目一類模糊pid自適應控制器的設計與仿真評閱教師職稱評閱日期評閱參考內容：畢業(yè)論文（設計）的研究內容、研究方法及研究結果，難度及工作量，質 量和水平，存在的主要問題與不足。學牛掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力， 畢業(yè)論文（設計）是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。評語：畢業(yè)設計（論文）答辯記錄及成績評定學生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文（設計）題目一類模糊pid自適應控制器的設計與仿真答辯時間年月口時答辯地點一、答辯小組組成答辯小組組長：成員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（

21、分條摘要列舉）學生回答情況評判三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：分畢業(yè)論文（設計）最終成績評定（依據(jù)指導教師評分、評閱教 師評分、答辯小組評分和學校關于畢業(yè)論文（設計）評分的相關規(guī) 定）等級（五級制）：答辯小組組長（簽名）:秘書（簽名）：年 月日院（系）答辯委員會主任（簽名）：院（系）（蓋章）一類模糊pid自適應控制器的設計及仿真學生：，電子信息學院指導教師：，電子信息學院摘要常規(guī)pid控制不具有自適應能力，因此對于時變、非線性等控制對象很 復雜的系統(tǒng)控制效果不佳。運用模糊技術與pid控制相結合的控制方式，能夠設計 出各種模糊控制器。為提高復雜系統(tǒng)的控制性能，本文介紹了一種模糊自調整

22、 pid控制器，以提高控制精度。我們要求簡單卻具有魯棒性的控制算法來實現(xiàn)控 制。將pid控制與模糊控制的簡便性、靈活性以及魯棒性融為一體，構造了一 個自適應模糊pid控制器。并且為了提高控制的精度，木文在參數(shù)自適應模糊pid控制器的基礎上, 利用模糊推理的方法實現(xiàn)了對ptd參數(shù)的在線自動整定，并且在matlab軟件 下將該控制器在某系統(tǒng)中的應用進行了研究，仿真結果表明，參數(shù)自適應模糊 pid控制能使系統(tǒng)達到滿意的控制效果，對進一步應用研究具有較大的參考價 值。關鍵字自適應；pid控制器;模糊ptd； matlab仿真the design and simulation of adaptive f

23、uzzy pidcontrollerstudent:ruiling zhao, the college of electric and informationinstructor: tao li, the college of electric and informationabstractjas the conventional pid control doesn't have the self-adaptive ,the control effect of time-varing and nonlinearity, we have already take the control

24、method that combine fuzzy technology with pid control, and design various the fuzzy controlle匸 we propose a simple but robust program for control. this paper presents a novel method to design the fuzzy pid control in order to improve the system performance for complex systems in which the normal pid

25、 controller is not suitable in such case. to increase the accuracy this paper designed an improved flc (fuzzy logic controller) for self tuning pid control.in order to increase the accuracy of the controller , in the paper, based on parameter adaptive fuzzy pid controller, a fuzzy inference method i

26、s utilized to realize automatic regulating pid parameter, and the application of the controller in some system is studied with matlab. the results of simulation indicate that the controller gives a good control performance and has a high reference value for further applications. where the proportion

27、al, integral and differential gains are tuned online based on fuzzy inference rules.keywords adaptive; pid controller; fuzzy pid; matlab simulation1前言1.1 pid簡介pid （proportional integral derivative）控制是fl前工業(yè)上應用最廣泛深入的控制 方法。多數(shù)控制回路都是應用該方法或在其基礎上進行較小的變形來控制。pid調 節(jié)器及其改進型是工業(yè)控制屮最常見的控制器。雖然從20世紀初p1d控制誕生以 來，計算機技術

28、和信息技術飛速發(fā)展，控制理論與控制技術取得了令人矚目的成就， 一些先進控制策略不斷推出。pid控制器優(yōu)點：結構簡單，易實現(xiàn)、性能良好、對模型誤差具有魯棒性，適 應性強，能夠適應各種控制對彖，參數(shù)的整定，在大多數(shù)控制過程中能夠獲得令人 滿意的控制性能。傳統(tǒng)pid的主要缺陷有：（1）自整定要以模型為基礎。人們遇到的工控問題越來越復雜，被控對彖是一 些大滯后、參數(shù)時變、強干擾的復雜系統(tǒng)時，無法獲得精確的數(shù)學模型，使用常規(guī) 的pid控制無法獲得良好的效果。（2）由于它的控制性能依賴于pid控制器的三個參數(shù)以及對系統(tǒng)模型的 精確性，pid在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結構不確定的復雜過程時， 控制效果

29、不佳。當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，控制性能會產生較大的變化，控制特 性可能變壞，嚴重時可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（3）若自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和由 過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，故受到干擾的影響控制器會產生超調, 產生一個不必要的自適應轉換。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pid 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。如此廣泛應用pid控制器但同時又有如此多的控制器由于控制器本身的設 計局限，未能達到用戶要求，這給控制理論研究和控制理論應用于實際帶來了前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。1.

30、2模糊控制簡介模糊控制是建立在人工的直覺和經(jīng)驗的基礎上的。對于一個熟練的操作人員， 他往往對被控系統(tǒng)的了解不是通過精確的數(shù)學表達式，而是憑借豐富的實踐經(jīng)驗， 采取適當?shù)膶Σ邅砜刂埔粋€復雜過程。若能將這些熟練操作員的實踐經(jīng)驗加以總結, 并用語言表達出來，就會得到一種定性的、不精確的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)字將 其定量化，就轉化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論。模糊控制尚無統(tǒng)一的定義。從廣義上，可將模糊控制定義為：“以模糊集合理 論、模糊語言變量及模糊推理為基礎的一類控制方法”，或定義為：“釆用模糊集 合理論和模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結合，模擬人的思維方式，對難以建立 數(shù)學模型的對彖實施的

31、一種控制方法”。模糊控制具有一些明顯的特點：（1）模糊控制不需要被控對彖的數(shù)學模型。模糊控制是以人對被控對彖的控制 經(jīng)驗為依據(jù)而設計的控制器，故無需知道被控對彖的數(shù)學模型。（2）模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制釆用人類思維屮 的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理導 出。這些模糊量和模糊推理是人類智能活動的體現(xiàn)。（3）模糊控制易于被人們接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，模糊規(guī)則是用語 言來表示的。（4）魯棒性和適應性好。模糊控制器的主要缺陷是：模糊控制器對輸入變量的處理是離散的，而且沒有 積分環(huán)節(jié)，所以本身無法消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)課差，控制精度不如pi

32、d控制。1.3本文研究的意義和目的在工業(yè)過程控制中，pid控制是歷史最悠久的，生命力最強的一種控制方式。它是迄今為止最通用的控制方法。常規(guī)pid控制器結構簡單，參數(shù)意義清晰明確, 可靠性高，容易實現(xiàn)，無靜態(tài)誤差，控制精度高，能滿足大工業(yè)過程的要求。然而 在生產現(xiàn)場中，大多數(shù)工業(yè)過程不同程度的存在非線性、大滯后、參數(shù)時變性和模 型不確定性，因此常規(guī)pid參數(shù)整定方法繁雜，其參數(shù)往往整定不良、性能欠佳, 對運行工況的整定性差。而模糊控制不要求被控對彖的精確模型且適應性強，為了 克服傳統(tǒng)pid控制器的缺點，人們將模糊控制與pid控制器結合起來，揚長避短, 研究出了多種模糊pid控制器。隨著計算機技術

33、的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調整經(jīng)驗作為 知識存入計算機中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算機能自動調整pid參數(shù)，這樣就出現(xiàn) 了專家pid控制器。該控制器把古典的pid控制與先進的專家系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)系 統(tǒng)的最佳控制。這種控制方法必須精確地確定對彖模型，將操作人員（專家）長期 實踐積累的經(jīng)驗知識用控制規(guī)則模型化，并運用推理對pid參數(shù)實現(xiàn)最佳調整。由于操作者經(jīng)驗不易精確描述，控制過程屮各種信號量及評價指標不易定量表 示，專家pid方法受到局限。模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運用 模糊數(shù)學的基本理論和方法，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)則及有關信息（如評價

34、指標、初始pid參數(shù)等）作為知識存入計算機知識庫中， 然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況（集專家系統(tǒng)的輸入條件），運用模糊推 理，即可自動實現(xiàn)對pid參數(shù)的最佳調整，這就是模糊自適應pid控制。因為其采 用模糊推理的方法實現(xiàn)pid參數(shù)際、k和匕的在線自整定，不僅保持了常規(guī)pid控 制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、控制精度好等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、整定性、 控制精度更好，是目前較為先進的一種控制系統(tǒng)。然而，在眾多新的模糊控制技術方法不斷涌現(xiàn)之后，人們更清楚地認識到模糊 控制研究中而臨的許多理論問題已經(jīng)成為模糊控制技術廣泛應用的嚴重障礙，其中 就包含有如何解決“控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)pid控制器的模糊

35、控制器設計”問題。本文 在介紹前人研究工作的同時，將側重于研究“優(yōu)于傳統(tǒng)pid控制器的模糊pid控制 器”的設計模塊。第3頁（共38頁）2國內外現(xiàn)狀簡介最初的氣動式pi控制器于1934-1935年間誕生于?？怂共_和泰勒公司。1939 年，泰勒儀器公司生產出第一臺商用pid控制器。同年，?？怂共_公司推出了由 george.philbrick 發(fā)明的 pid 控制器：“sbatligo30”。20 世紀 30 年代的 pi/pd 控制 器是在當時工業(yè)的強烈需求推動下不斷發(fā)展的，同時技術的發(fā)展還受到當時的系統(tǒng) 化和抽象派思想所左右，工程設計人員逐步意識到測量裝置的重要性。mason與 black

36、分別在設計氣動式控制機構和電子負反饋放大器時意識到，當系統(tǒng)閉環(huán)后必 須在反饋回路上增加信號測量裝置。1948年?？怂共_公司推出了改進型pid控制 器:“mdoel 40 sbatiotgclarridge 于 1950 年設計出串行 pid 控制器“transet triact”， 此后這種控制器成為了 pid控制器的一種標準形式。pid控制器誕生的隨后幾十年里，大約90%左右的控制元件都是氣動式的。從 20世紀50年代中期起，電子元件逐步取代氣動式控制元件。1959年福克斯波羅公 司推出了電子式pid控制器，到20世紀60年代初，絕大多數(shù)控制儀器公司均提供 了數(shù)字式pid控制器。直到現(xiàn)在，

37、很多控制學術機構、高校以及控制儀器公司不斷 開發(fā)出新的pid控制器調試軟件包、硬件模塊和pid控制器整定技術。從最初的氣動式pid控制器誕生到發(fā)展至目前的數(shù)字式微處理芯片pid控制模 塊、pid控制軟件包，以及智能pid控制、專家pid控制等先進復合pid控制系統(tǒng) 可以看出，pid控制是在社會生產需求的強烈激勵下產生并不斷發(fā)展的，pid控制 的發(fā)展與控制學科以及與其相關的計算機技術、信息技術、生命科學等新興學科技 術的發(fā)展是密不可分的。近十年來，國際控制界對pid控制的研究熱情又重新高漲 起來，一些重要的國際權威控制雜志不斷岀版有關pid控制器設計理論和應用方而 的論文。pid控制有著光明的應

38、用前景，在未來的控制工程中仍將扮演重要角色， 同時將成為各種復雜控制器的基本單元。今天所熟知的pid控制器產生并發(fā)展于19151940年期間。盡管1940年以來， 許多先進控制方法不斷推出，但pid控制器以其結構簡單，對模型課差具有魯棒性 及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應用于冶金化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制 中。據(jù)日本電氣計量器工會先進控制動向調查委員會1990年統(tǒng)計，在日本有91% 的控制的控制回路采用的是pid控制器控制。在美國，據(jù)估計有90%以上的工業(yè)控 制器采用的是pid調節(jié)器。而在我們國家現(xiàn)在pid功調節(jié)器的應用就更加普遍。雖 然隨著控制理論的發(fā)展和控制手段的更新，許多基于現(xiàn)代控

39、制理論的新型控制器不 斷出現(xiàn)，但pid控制仍是最重要的控制方法。據(jù)估計：我們國家過程工業(yè)中需要約 50萬個pid智能的pid控制器。pid調節(jié)器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式幾個階段， 冃前正經(jīng)歷由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展階段;這些數(shù)字化、 智能化的控制器有著傳統(tǒng)的模擬控制器無法比擬的優(yōu)點，女口：可以靈活的改變控制 參數(shù)可以靈活的改變控制策略等。隨著工業(yè)的發(fā)展，對彖的復雜程度不斷加深，尤 其對于大滯后、時變的、非線性的復雜系統(tǒng)；其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的 帶有延時或隨機干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學模型或模型非常粗糙。加之，人 們對控制品質的要求口益提高，常規(guī)的pid控制

40、的缺陷逐漸暴露出來。對于時變對 象和非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的pid控制更是顯得無能為力。因此常規(guī)pid控制的應用受 到很大限制和挑戰(zhàn)，人們在對pid應用的同時，也對其進行了各種改進。3 matlab工具箱簡介3.1 matlab系統(tǒng)的應用matlab是mathworks公司1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟 件，到目前它已發(fā)展成為國際公認最出色的數(shù)學應用軟件。其強大的擴展功能為各 領域的應用提供了基礎。它面向控制領域推出的建?？梢暬δ躶imulink和模糊 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、控制系統(tǒng)等工具箱為控制系統(tǒng)的仿真提供了有力的支持，極大的 推動了仿真研究的發(fā)展。整個matlab系統(tǒng)由兩部分組成，

41、一是matlab基本部分，二是各種功能 性和學科性的工具箱?；静糠职〝?shù)組、矩陣運算，代數(shù)和超越方程的求解，數(shù) 據(jù)處理和傅里葉變換，數(shù)值積分等。工具箱實際就是用matlab基本語句編寫的 各種子程序集，用于解決某一方面的專門問題或實現(xiàn)某一類的新算法，系統(tǒng)的強大 功能由它們表現(xiàn)出來。3.2 simlulink 工具箱simulink是matlab的工具箱之一，提供交互式動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分 析的圖形環(huán)境。它可以針對控制系統(tǒng)、信號處理及通信系統(tǒng)等進行系統(tǒng)的建模、仿 真、分析等工作。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合 系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。利用simulink進

42、行系統(tǒng)的建模仿真，最 大的優(yōu)點就是易學、易用，同時可以利用matlab提供的豐富的仿真資源。simulink的工作環(huán)境是由庫瀏覽器(simulink library browser)與模型窗口 組成的，庫瀏器為用戶提供了進行simulink建模與仿真的標準模塊庫與專業(yè)工 具箱，而模型窗口是用戶創(chuàng)建模型的主要場所。3.3模糊邏輯工具箱模糊邏輯工具箱包含了進行模糊分析與模糊系統(tǒng)設計的各種途徑。工具箱提供 了生成和編輯模糊推理系統(tǒng)(fis)常用的工具函數(shù)，如newfis、addmf> addrule等， 它包括了生成新的fis、給fis各變量加入隸屈度函數(shù)、規(guī)則等功能，用戶可以用 命令調用這些

43、函數(shù)生成新的fis。工具箱還提供了圖形用戶界而(gui)編輯函數(shù), 利用它用戶可以更直觀迅速的生產fis。在matlab環(huán)境屮鍵入fuzzy,敲回車鍵， 屏幕上就會出現(xiàn)一個基本的fis編輯器，用戶可以在窗口菜單中修改它的各種特性, 如改變輸入、輸岀的變量數(shù)、編輯隸展度函數(shù)、編輯模糊規(guī)則等，從而生成新的fis 文件。3.4 matlab環(huán)境下的simulink的應用3.4.1 matlab環(huán)境中啟動simulink的方法(1) 在matlab的命令窗口中輸入simulink；(2) 單擊matlab工具條上的simulink圖標。3.4.2打開simulink模型窗口的方法(1) 在matlab

44、菜單或庫瀏覽器菜單中選擇file|new；(2) 單擊庫瀏覽器的圖標。即可打開一個名為untited的空的模型窗口。整個模型創(chuàng)建窗口的組成是：菜單欄，工具欄，編輯窗口和狀態(tài)欄。(1) 菜單欄：與windows菜單欄類似，其中simulation 一項在仿真配置中很 重要。(2) 工具欄：能實現(xiàn)標準的windows操作及用于與simulink仿真相關的 操作。(3) 狀態(tài)欄：以圖例，“ready”表示建模已完成；“100%”表示編輯框模型 的顯示比例；“ode45”表示仿真所采用的算法。3.4.3 simulink仿真基本步驟創(chuàng)建系統(tǒng)模型及利用所創(chuàng)建的系統(tǒng)模型對其進行仿真是simulink仿真的

45、兩 個最基本的步驟。（1）創(chuàng)建系統(tǒng)模型創(chuàng)建系統(tǒng)模型是用simulink進行動態(tài)系統(tǒng)仿真的第一個環(huán)節(jié)，它是進行系 統(tǒng)仿真的前提。模塊是創(chuàng)建simulink模型的基本單元，通過適當?shù)哪K操作及 信號線操作就能完成系統(tǒng)模型的創(chuàng)建。為了達到理想的仿真效果，在建模后仿真前 必須對各個仿真參數(shù)進行配置。（2）利用模型對系統(tǒng)仿真在完成了系統(tǒng)模型的創(chuàng)建及合理的設置仿真參數(shù)后，就可以進行第二個步驟一 利用模型對系統(tǒng)仿真。運行仿真的方法包括使用窗口菜單和命令運行兩種；對仿 真結果的分析是進行系統(tǒng)建模與仿真的重要環(huán)節(jié)，因為仿真的主要r的就是通過創(chuàng) 建系統(tǒng)模型以得到某種計算結果o simulink提供了很多可以對仿真

46、結果分析的輸 出模塊，而且在matlab屮也有豐富的用于結果分析的函數(shù)和指令。本章以simulink仿真的基本步驟為主線來對simulink這一仿真工具作 簡單的介紹。由于simulink的功能極其龐大，不可能面面俱到（比如，關于模型 調試、結果分析、優(yōu)化仿真等相關內容在這里沒有作介紹）。4模糊pid自適應控制器的設計4.1經(jīng)典pid如圖4rin(圖4. 1 典型的pid控制系統(tǒng)結構圖典型的pid的公式為：況 a)=km)+tdde(t)dt式中：e(t)=r(t)y(t)為系統(tǒng)的誤差(參考輸入r與系統(tǒng)輸出y(t)的差值)；kp 為比例增益，td為微分吋間常數(shù)；匚為積分吋間常數(shù)?；驅懗蓚鬟f函數(shù)

47、形式：g($)u(s)e(s)經(jīng)典pid控制，由于kp、td、ti參數(shù)的數(shù)值|古|定，既使合理調節(jié)整定這三個 參數(shù)，往往還是不能滿足伺服系統(tǒng)的要求。所以必須考慮與其他方法相結合的方法。4.2模糊控制器的設計要求模糊控制系統(tǒng)與其他數(shù)字控制系統(tǒng)一樣，由控制器(含有開發(fā)好的模糊控制算 法軟件的計算機或由專用集成電路構成的模糊控制芯片）、輸入輸出接口（如 a/dq/a轉換裝置）、執(zhí)行機構（如伺服電動機、閥門、開關等）、被控對彖（如 機械設備、機器人等）和測量裝置（例如溫度和壓力傳感器、數(shù)碼盤等）這五個基 本環(huán)節(jié)組成，嚴格地說，這五部分都與模糊控制器的設計有關。首先被控對彖決定 了模糊控制器輸入輸出的結

48、構；然后模糊控制器的輸入結構又決定了哪些物理量需 要檢測，哪些物理量需要經(jīng)過a/d轉換器送入控制器，而模糊控制器的輸出結構自 然決定了執(zhí)行機構的設計，這就引出了設計模糊控制器的一個重要問題，即模糊控 制器設計有哪些基本要求？（1）模糊控制器的結構選擇。所謂模糊控制器的結構選擇，就是確定模糊控制 器輸入、輸出變量。正如前面所說的那樣，模糊控制器的結構對整個模糊控制系統(tǒng) 的性能有很大的影響，因此必須根據(jù)被控對彖的具體特性與要求來合理選擇。（2）模糊控制器是模擬人類控制特征的一種語言型控制器，它在某種程度上體 現(xiàn)了人的思維方式。但客觀世界屮并沒有現(xiàn)成的控制規(guī)則，它需要設計者根據(jù)控制 器的結構，從大量

49、的觀察和實驗數(shù)據(jù)中，或從專家知識與熟練操作人員的經(jīng)驗中提 取，經(jīng)去偽存真、去粗取精的過程，形成一系列有模糊條件語言描述的語言控制規(guī) 則。因此，模糊控制器又稱為模糊語言控制器。在許多情況下，模糊規(guī)則的提取和 選擇是一個繁復的過程，往往摻雜著設計者的許多主管思維，因而作為設計者本身 應該盡量避免或減弱這種主觀性的影響。（3）確定模糊控制器中的模糊化和反模糊化的方法。盡管模糊控制器中的控制 規(guī)則是由模糊語言構成的，但經(jīng)過測量裝置（傳感器）采樣得到的輸入量，以及執(zhí) 行機構所能接受的輸出控制量都應該是確定的。（4）模糊控制器參數(shù)的確定。在具體設計模糊控制器時，還需要確定輸入輸出 的論域。（5）模糊控制軟

50、件開發(fā)。通常情況下，模糊控制器是以運行計算機算法程序的 方法體現(xiàn)的。由于計算機控制過程是一個離散時間執(zhí)行過程，它需要把連續(xù)時間過 程離散化，因此，模糊控制器的輸岀往往是以增量形式岀現(xiàn)的。離散過程必然涉及 采樣周期的選擇，與常規(guī)控制算法一樣，采樣周期的選擇對控制器的性能有較大的 影響。4.3模糊控制原理模糊控制的基本原理框圖如圖4.2所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖所 示，模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序實現(xiàn)。實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描 述如下：微機經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到課 差信號e, 一般選誤差信號作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號e的精確量 進

51、行模糊化變成模糊量。謀差e的模糊量可用相應的模糊語言表示，得到謀差e的 模糊語言集合的一個子集e （e是一個模糊矢量），再由e和模糊關系r根據(jù)推理的 合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量u,即u = e r圖4.2 模糊控制原理框圖由圖4.2可知，模糊控制系統(tǒng)與通常的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要差別是采用 了模糊控制器。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣， 主要取決于模糊控制器的結構、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法及模糊決策的方 法等因素。模糊控制器的組成框圖如圖4.3所示數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫輸出解模糊接口 輸入-模糊化接口圖4.3 模糊控制器的組成框圖4.4常規(guī)模糊控制器的設計4

52、.4.1 一維模糊控制器一維模糊控制器是一種最為簡單的模糊控制器，在這種控制器屮，輸入、輸出 變量均只有一個。假設模糊控制器的輸入變量為e,輸出變量為u。此時，模糊規(guī)則 有如下形式：規(guī)則 1： ifeis al then u is b1規(guī)貝 ij 2： ifeis a2 then u is b2iii規(guī)貝in： if e is an then u is bn這里al ,a2 ,an和bl ,b2,bn均為輸入、輸出論域上的模糊子集。例 如，對于加熱爐溫度控制系統(tǒng)有：規(guī)則1：若加熱溫度太高，則減小加熱裝置開度規(guī)則2：若加熱溫度偏高，則稍許減小加熱裝置開度對于上而所列的多個規(guī)則，其模糊關系為n7?

53、(e,u) = |jaixbii=l圖4.4為一維模糊控制系統(tǒng)。圖中：r(t)給定值;e(t)偏差；u(t)控制器輸出控制量；ke、ku偏差e(t)及模糊控制器輸出u的增益系數(shù)。圖4.4 一維模糊控制系統(tǒng)在實際系統(tǒng)中，控制問題大多是動態(tài)跟蹤或恒值調節(jié)問題，因此在一維模糊控 制器中，輸入量通常是系統(tǒng)的跟蹤或調節(jié)誤差，輸出則為某種控制量或控制量的增 量。這種模糊控制器的特點是簡單明了，但往往控制效果不佳。這是因為對于這類 控制器，只要偏差相同，則無論當前偏差是在快速增大或在快速減小，執(zhí)行的控制 行為是相同的。這必然導致系統(tǒng)的控制性能變差。值得注意的是控制系統(tǒng)中有關偏差的概念。參看圖4.4,若令則稱

54、上式所表達的偏差為正偏差；若令e(t)=r(t)-c(t)則表達的偏差為負偏差。由于正偏差與負偏差符號相反，因而在限定模糊控制 器的規(guī)則時，其規(guī)則后件的作用(圖中控制變量u(t)就要考慮偏差的定義。4.4.2二維模糊控制器二維模糊控制器是最為常見的一類模糊控制器，它有兩個輸入量xl ,x2,個輸 出量y。模糊規(guī)則的一般形式為if xl is 人 and x2 is 人 then y is bq這里a；,尤和用分別為輸入、輸岀論域上的模糊子集；模糊控制器只有一個輸出時，q=l。若有n條規(guī)則，則規(guī)則模糊關系為/?(x,y) = |jamr：i =在實際控制系統(tǒng)屮，xl 一般取系統(tǒng)偏差；x2取為偏差

55、的變化。由于二維模糊控 制器同時考慮到偏差和偏差的變化的影響，因而其在性能上優(yōu)于一維模糊控制器， 這也許是二維模糊控制器最常用的原因。此時模糊控制器的輸出量是輸入量偏差和 偏差變化的非線性函數(shù)(非線性映射)，因此可以將它看做非線性pd控制器，參 看圖4.5。圖4.5 pd二維模糊控制系統(tǒng)4.5 pid模糊控制器4.5.1二維模糊控制器在一般模糊控制系統(tǒng)屮，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡便性與快速性，通常釆用 二維模糊控制器結構形式。而這類模糊控制器以系統(tǒng)偏差e和偏差變化e為輸入語 言變量，因此它具有類似于常規(guī)pd控制器的特性，無法消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，不 能獲得無差控制，這就有必要將積分作用引入模糊控

56、制器屮。模糊積分引入方法如下：(1) 采用pi模糊控制系統(tǒng)結構，參看圖4.6。系統(tǒng)屮，模糊控制器的兩個輸入量為偏差e及偏差積分因此該系統(tǒng)具有 常規(guī)pi控制器的特性。對于恒值給定，系統(tǒng)能實現(xiàn)無差控制。圖4.6 pi二維模糊控制系統(tǒng)(2) 采用常規(guī)pi控制器和模糊控制相結合的系統(tǒng)，參看圖4.7。常規(guī)pi控制器輸出ui(t)與二維模糊控制器輸岀uf(t)相疊加，作為混合型模糊pid 控制器的總輸出,即u(t)=ui(t)+uf(t)o圖4.7 混合型pid控制結構(3) 對偏差c進行積分的pid模糊控制系統(tǒng)結構，參見圖4. 8。這種pid模糊控制系統(tǒng)結構屮，設置了一個單獨的傳統(tǒng)積分器，對偏差c積分，其輸出ui(t)與二維模糊控制器的輸出uf(t)相疊加，即u(t)=ui(t)+ur(t)。圖4. 8 對偏差e積分的pid模糊控制系統(tǒng)結構4.5.2多維模糊控制器類似pid控制，可以同時把系統(tǒng)的偏差，偏差變化和偏差積分作為模糊控制器 的輸入變量；也可以把系統(tǒng)的偏差、偏差變化和偏差變化的變化作為模糊控制器的 輸入變量(通常偏差變化是指在一個采樣周期內偏差的變化量，它反映了偏差的快 慢及方向，是偏差的速度；偏差變化的變化是指偏差的加速度)