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1、PID控制與模糊控制的比擬專業(yè):控制理論與控制工程班級:級班某某:X X X學(xué)號:xxxxxxxxxxxxxx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:PID控制,模糊控制,比擬Abstract : Introduced the working principle of PID control system and fuzzy control system
2、. PID controller structure is simple, implementation is simple, the control effect is good, has been widely used. And fuzzy con troller is relatively plicated, but in a lot of in tellige nt household applia nces also received a large number of applications. But for a simple system, which kind of con
3、trol method is better, is weather the intelligent control can obtain the good effect.Key words : PID control, fuzzy control, pare目錄一、問題的提出1二、PID控制器的設(shè)計2控制原理圖:2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 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4五、總結(jié)14參考文獻(xiàn):15亠、問題的提出當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反應(yīng)的概念。反應(yīng)理論的要素包括三個局部:測量、比擬和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量,與期望值相比擬,用這個
4、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丨即可。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X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根本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(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)特性與時整定。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控制器在實踐中也不斷的得到改良,下面兩個改良的例子
5、。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。現(xiàn)在,自動整定或自身整定的 PID控制器已是商業(yè)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根底,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)
6、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。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算PID參數(shù)。PID在控制非線性、時變、耦合與參數(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
7、是最好的控制器模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的根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)模式的準(zhǔn)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),如此越能達(dá)到準(zhǔn)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)雜或難以準(zhǔn)確描述的系統(tǒng),如此顯得無能為力了。 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)域由于理論研究比擬成熟、實現(xiàn)相比照擬簡單、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
8、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)展仿真控制,并對兩種控制的控制結(jié)果進(jìn)展了比擬,通過比擬明確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。1、PID控制器的設(shè)計1.PID控制原理圖:PID控制其結(jié)構(gòu)框圖如如下圖所示: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PID控制器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)形式為:Gc(s)kpkiskd s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
9、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1 模糊控制原理圖模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖如如下圖所示:
10、哩瓏控制器U控制對眾圖2:模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖模糊控制器結(jié)構(gòu)如如下圖: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)形式一個典型工業(yè)過程通??梢缘刃槎A系統(tǒng)加上一個非線性環(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:Gp(s)K es(Tis 1)(T2s 1)其中模糊控制規(guī)如此是模糊控制器的核心,是設(shè)計控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容。一個根本模糊控制器主要有三個功能:1模糊化:把準(zhǔn)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)如此模糊控制規(guī)劃表進(jìn)展模糊推理;3模糊判決:把推理結(jié)果U從模糊量轉(zhuǎn)化為可以用于實際控制的準(zhǔn)確量u。模糊規(guī)如此是由一系列的模糊條件
11、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)和根底。每條模糊條件語句都給出模糊蘊(yùn)含關(guān)系,即一條控制規(guī)如此。假如有n條規(guī)如此,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:Rii 1R1R2Rn 1Rn四、系統(tǒng)仿真本文采用的傳遞函數(shù)為:G(s) 一 e0%2s 3s 1用Simulink工具建立由PID控制器組成的系統(tǒng)仿真模型如如下圖所示,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)計模糊控制器的主要步驟為:1. 選擇偏差e、偏
12、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實際的根本論域,設(shè)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)闇?zhǔn)確量,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語言值的隸
13、屬函數(shù)選擇三角形的隸屬度函數(shù)如下面三幅圖所示:1E的隸屬度函數(shù):圖5: E的隸屬度函數(shù)2EC的隸屬度函數(shù):圖6: EC的隸屬度函數(shù)3U的隸屬度函數(shù)圖7: U的隸屬度函數(shù)控制規(guī)如此選用 Mamdain控制規(guī)如此;該控制系統(tǒng)的控制規(guī)如此如表1所示:UEECNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSNSZENMNBNMNMNSNSZEPSNSNMNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPMPMPMNSZEPSPSPMPMPBPBZEPSPSPMPMPBPB表1 :控制規(guī)如此將規(guī)如此輸入到編輯器中如圖 8所示一共有7 X 7=49條規(guī)如此,輸入后可以在
14、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 模糊推理與輸出情況,輸入各種不同的數(shù)據(jù),查看模糊推理情況與輸出數(shù)據(jù)。也可以用于檢查, 看自己輸入的規(guī)如此和有沒有錯誤。>nlr Fri lor; TESTfile £dii View Opticns1.is 呦tf (E B MB) Ifid (EC M MM) twiITlE 4M) flfld (K NS VW1 JJ NV) fl)IF |,E a FlB:i4S) IMn (U i*NM) (1>If (= b FI3) and (EC =- PSj t-wn
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20、 (U fiPfcflldJ硏 If(E 4 W| W (EC IsttieaiiaPBKl>圖8:規(guī)如此編輯器重的控制規(guī)如此EJ Rule Viewer: TEST I回 ImeWFile Edit View Options123 £ 5E78 m101112131 41 5161 71 B1 9202122曲凸25茨272B29皿right |Mo*c.leftdownInput: 0(qPlart iwinls: 1O1Opened system TEST, 42 rule?bp圖9:編輯器中 Rule Viewer圖10:編輯器中的 Surface Viewer實驗得到的結(jié)果圖形如下所示:° c 1圖11: PID控制法與模糊控制法仿真結(jié)果波形其中, 出信號。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五、總結(jié)利用MATLAB的SIMULINK 仿真工具,分別用 PID控
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