Smith自適應(yīng)模糊PID控制算法的研究及仿真_圖文

1、收稿日期:2007-04-03基金項目:國家863計劃科學發(fā)展基金(2002BA901A28Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制算法的研究及仿真張明光,王 鵬,王兆剛(蘭州理工大學電氣與信息工程學院,甘肅蘭州 730050摘 要: 針對常規(guī)PID 控制器在控制具有時變、大滯后等特性的實際被控對象效果不理想的問題,綜合Smith 預(yù)估控制和自適應(yīng)模糊PID 控制的優(yōu)點,提出了一種新的控制器-Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器.介紹了組成原理,分析了在控制時變、大滯后對象時的優(yōu)點,給出了該控制器的具體設(shè)計方法.仿真結(jié)果表明,所設(shè)計的控制系統(tǒng)超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短、響應(yīng)速度快、動、穩(wěn)態(tài)性能好,適用于參

2、數(shù)變化的大時滯工業(yè)過程.關(guān)鍵詞: Smith 預(yù)估器;模糊控制;自適應(yīng)模糊PID 控制中圖分類號: TP273+ 文獻標識碼: A 文章編號:1004-0366(200801-0109-03A Study on S mith Self -adaptive Fuzzy PID ControlAlgorithm and Its SimulationZH ANG M ing -guang ,WANG Peng ,WANG Zhao -gang(College of E lectr ical and I nf or mation Engineer ing ,Lanz ho u Univers ity

3、o f Science T echnology ,Lanz hou 730050,ChinaAbstract: In or der to overcome the time -vary ing and larg e time -delay of real plants,a new ty pe of Smith Self -adaptive Fuzzy PID contr oller is proposed w hich combines the advantag es of Smith controller and Self -adaptive Fuzzy PID controller.T h

4、e structural principle is presented,the priority in co ntrolling time -var -y ing and larg e time -delay sy stem is analyzed,the design method is giv en.Simulatio n r esults show that the new system has sm aller oversho ot,shor ter adjusting tim e,faster respo nse speed and better dynamic and stable

5、 perform ances.A ll these sugg est that Smith Self -adaptive Fuzzy PID co ntro ller is adaptiv e to tho se industr ial pro cesses w ith par am eter -v ar ying and lar ge time -delay.Key words: those Sm ith Controller;fuzzy lo gic control;self -adaptive fuzzy PID co ntro l 傳統(tǒng)的Smith 控制器是基于被控對象的精確數(shù)學模型而

6、設(shè)計的,實際中往往很難獲得.因此,對于缺乏精確數(shù)學模型且參數(shù)變化的大遲延過程控制系統(tǒng),常規(guī)的Sm ith 預(yù)估控制很難取得令人滿意的效果1,2.為了削弱對于對象參數(shù)的精確性的要求,提高時變、大滯后系統(tǒng)的魯棒性及控制性能,我們提出將傳統(tǒng)的Smith 控制方法和模糊控制方法相結(jié)合,構(gòu)成Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器.1 Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器的原理1.1 Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器的原理文獻3給出并分析了Smith 預(yù)估器的原理,文獻15給出了模糊自適應(yīng)控制的原理,受到2種控制思想的啟發(fā),在傳統(tǒng)模糊控制的思想上,結(jié)合Smith 預(yù)估控制和模糊自適應(yīng)控制,以給定輸入信號

7、與Smith 預(yù)估器的差及差的變化率作為模糊控制器的輸入信號,以經(jīng)過模糊控制矯正參數(shù)后PID 控制器的輸出作為系統(tǒng)的控制輸出信號,提出了Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器.該控制器結(jié)合了模糊控制及Smith 控制的優(yōu)點,利用模糊控制克服被控對象數(shù)學模型時變、不確定的特性,利用Sm ith 控制克服被控對象的大時滯特性對系統(tǒng)控制性能不利的影響,從而提高了時變、大滯后系統(tǒng)的控制性能.系統(tǒng)經(jīng)簡化后的Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器的第20卷 第1期2008年3月甘肅科學學報J ournal of Gansu S cien cesVol.20 No.1M ar.2008原理圖如圖1所示 .圖1

8、Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器原理1.2 自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計自適應(yīng)模糊PID 控制器的設(shè)計思想是先找出PID 3個參數(shù)與誤差e 和誤差的變化ec 之間的模糊關(guān)系,在運行中不斷檢測e 和ec,再根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進行在線修改以滿足在不同e 和ec 時對控制器參數(shù)的不同要求,從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能.(1輸入、輸出變量的確定 模糊控制器采用兩輸入三輸出的形式,以e 和ec 為輸入語言變量,kp 、ki 和kd 為輸出語言變量.輸入語言變量的語言值均取為 負大 (NB 、 負中 (NM 、 負小 (N S、 0 (ZO 、 正小 (PS、 正中 (PM 、 正大 (P

9、B7種;輸出語言變量的語言值取為 負大 (NB、 負中 (NM 、 負小 (N S、 0 (ZO、 正小 (PS、 正中 (PM 、 正大 (PB7種.將偏差e 和偏差變化率ec 及輸出量量的論域選擇為在(-6,6的區(qū)間內(nèi).(2隸屬度函數(shù)的選擇 輸入變量的隸屬函數(shù)曲線見圖2、圖3.(3模糊控制規(guī)則的建立 模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和操作經(jīng)驗,建立合適的模糊規(guī)則, kp 、 ki 、 kd 的整定針 對不同的e 和ec,kp 、ki 、kd 的整定原則:( 當|e|較大時,為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能,應(yīng)取較大的kp 與較小的kd ,同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對積分作

10、用加以限制,通常取ki =0.( 當|e |處于中等大小時,為了減小系統(tǒng)的超調(diào)同時保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度,kp 應(yīng)取得小些;ki 的取值要適當;在這種情況下,kd 的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大,一般取值經(jīng)驗為|ec |較大時,kd 可取稍小;|ec |較小時,kd 可取稍大.實際中也可直接采用PD 控制.( 當|e |較小時,為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能,提高系統(tǒng)的抗干擾性,避免系統(tǒng)振蕩,kp 與ki 均應(yīng)取得大些.同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩,kd 值的選擇很關(guān)鍵,可根據(jù)|ec |來決定,當|ec |較大時,kd 可取稍小;|ec |較小時,kd 可取稍大.模糊控制規(guī)則見表1.表1 kp 、

11、ki 、 kd 的模糊規(guī)則ee cNBNM NS ZO PS PM PB NB NB/ZO/PS NB/ZO/NS NB/ZO/NB NM /ZO/NB NS /ZO/NB NS/ZO/NM ZO/ZO/PS NM NB/NM /PS NB/NM /NS NM /NS/NB NS/NS/NM NS /NS/NM ZO/ZO/NS PS /ZO/ZO NS NM /N B/ZO NM /NM /NS NM /NS/NM NS/NS/NM ZO/ZO/NS PS /PS /NS PS/PS/ZO ZO NM /N B/ZO NM /NM /NS NS /NS/NS ZO/ZO/NS PS/PS/N

12、S PM /PM /NS PM /PB/ZO PS NS/NS /ZO NS/NS/ZO ZO/ZO/ZO PS/PS/ZO PS/PS/ZO PM /PM /ZO PM /PB/ZO PM NS /ZO/PB ZO/ZO/NS PS/PS/PS PM /PS/PS NM /PS /PS PM /PM /PS PB/PM /PB PBZO/ZO/PBPS/ZO/PMPM /ZO/PMPM /ZO/PMPM /ZO/PSPB/ZO/PSPB/ZO/PB110 甘肅科學學報 2008年 第1 期2 仿真試驗以工程中常見的慣性、大滯后環(huán)節(jié)為被控對象,選其數(shù)學模型為G(s=K e - sT s +1=

13、2.8e -40s178s +1,設(shè)計了Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器、Smith 預(yù)估控制器,并作了仿真比較.為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的控制品質(zhì)及魯棒性,采用M ATLAB 對系統(tǒng)進行了在Smith 預(yù)估器模型參數(shù)與對象模型匹配和失配情況下的仿真對比研究.2.1 模型匹配時在Smith 預(yù)估器模型參數(shù)和對象模型參數(shù)一致時,采用Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器、Smith 預(yù)估控制器對系統(tǒng)進行仿真,響應(yīng)曲線如圖4.從圖4可見,Sm ith 自適應(yīng)模糊PID 控制器的上升時間比Smith 預(yù)估控制器快,調(diào)節(jié)時間短.總體看,二者控制效果都比較理想 .圖4 模型匹配系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線1-Sm

14、 ith 自適應(yīng)模糊PID 控制響應(yīng)曲線2-S mith 預(yù)估控制響應(yīng)曲線2.2 模型失配時當對象模型參數(shù)變化K =8,I =49s,T =200s,而Sm ith 預(yù)估器參數(shù)不變時,系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖5所示,通過仿真曲線可以看到,常規(guī)Smith 預(yù)估器的響應(yīng)曲線出現(xiàn)了40%的超調(diào)以及3次振蕩;而采用Smith 模糊自適應(yīng)模糊PID 控制器,雖有少許波動,但仍能很快實現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)無超調(diào),魯棒性好 .圖5 模型失配時,系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線1-Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制響應(yīng)曲線2-Smith 預(yù)估控制響應(yīng)曲線3 結(jié)論Smith 自適應(yīng)模糊PID 控制器與Smith 預(yù)估控制器相比有以下優(yōu)點

15、:(1系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快、調(diào)節(jié)精度提高、穩(wěn)態(tài)性能好;(2降低了超調(diào)量、減少了振蕩次數(shù)、動態(tài)性能優(yōu)良;(3在被控對象參數(shù)發(fā)生變化時,系統(tǒng)的魯棒性較強,控制品質(zhì)好.參考文獻:1 邊立秀,趙日暉.Fuzzy 自整定PID 參數(shù)的Sm ith 預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng)J.計算機仿真,2004,21(1:102-104.2 張平,苑明哲,王宏.大時滯系統(tǒng)自適應(yīng)模糊Smith 控制J.計算機仿真,2006,23(9:87-90.3 王建輝,齊昕,顧樹生.一類純滯后系統(tǒng)模糊Smith 控制策略的研究J.控制與決策,1998,13(2:141-145.4 張化光,何希勤.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用M .北京:北京航空航天大學出版社,2002.5 何繼愛,田亞菲.模糊自適應(yīng)整定PID 控制及其仿真J.甘肅科學學報,2004,16(1:63-66.6 韋巍.智能控制技術(shù)M .北京:機械工業(yè)出版社,2000.7 張國良.模糊控制及其M ATLAB 應(yīng)用M .西安:西安交通大學出版社,2002