參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制的SIMULINK仿真

1、第24卷 第2期2006年4月沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofShenyangNormalUniversity(NaturalScience)Vol124,No.2Apr.2006文章編號:1673-5862(2006)02-0170-03參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制的SIMULINK仿真張亞琴(沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧沈陽 110034)摘 要:針對常規(guī)二自由度PID控制在過程參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)中的不足之處,采用模糊控制理論改進(jìn)常規(guī)二自由度PID控制方式,提出一種參數(shù)自調(diào)整的模糊控制方案#并建立參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型,進(jìn)行

2、計(jì)算機(jī)仿真,仿真結(jié)果表明參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制較之常規(guī)二自由度PID控制更加能夠滿足對不確定復(fù)雜工況的高指標(biāo)控制要求#關(guān) 鍵 詞:二自由度PID;參數(shù)自調(diào)整;模糊控制;SIMULINK仿真模型中圖分類號:TP273.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0 引 言PID調(diào)節(jié)器以其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠被廣泛用于過程控制系統(tǒng)中,但它不具有使/目標(biāo)值跟蹤0和/干擾抑制0兩方面特性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的能力,難以獲得滿意的控制效果#為此,人們提出了性能優(yōu)良的二自由度PID調(diào)節(jié)器,而二自由度PID調(diào)節(jié)器又難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)整#模糊集合理論源于人腦的信息處理方式思維方法上的模糊性,擅長處理結(jié)構(gòu)化知識,不需要建立對象精確的數(shù)學(xué)

3、模型,對系統(tǒng)參數(shù)有較好的魯棒性#所以,將模糊技術(shù)與二自由度PID控制相結(jié)合,可以發(fā)揮模糊邏輯能夠處理結(jié)構(gòu)化知識的優(yōu)勢,突出PID控制簡便實(shí)用、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出控制性能優(yōu)良的控制器,可以應(yīng)對過程的參數(shù)時(shí)變、負(fù)荷干擾,并具有真正的/自適應(yīng)0能力#而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在實(shí)際工作中能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),可通過MATLAB系統(tǒng)中提供的仿真環(huán)境的系統(tǒng)建模和仿真工具Simulink,對系統(tǒng)進(jìn)行仿真或線性化分析,使復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得簡單和直觀,進(jìn)而幫助設(shè)計(jì)者分析和解決問題,指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、修改和完善,筆者對所設(shè)計(jì)的參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制系統(tǒng),應(yīng)用Simulink進(jìn)行了仿真,收到了良好的效果,對實(shí)際

4、應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義#1 參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制1.1 給定值前饋(FF)型二自由度PID控制系統(tǒng)FF型二自由度PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示#圖1 FF型二自由度PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)令 F1(s)=KP1+T+TDS, F2i(s)=-KP(A+BTDS)則F1為主控制器的傳遞函數(shù),F2為前饋補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)#擾動值D到輸出量Y的傳遞函數(shù)為WDY=1+F1(s)G(s)給定值R到輸出量Y的傳遞函數(shù)為WRY=121+F1(s)G(s)1.2 參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制系統(tǒng)將PID控制與模糊控制相結(jié)合,運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法,把控制規(guī)則的條件、操作用模糊集表示,并把這些

5、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)作為知識存入收稿日期:2005-12-01:(),第2期 張亞琴:參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制的SIMULINK仿真171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,運(yùn)用模糊推理來實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的最佳調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)對不確定復(fù)雜工況的高指標(biāo)控制要求#為此,提出了一種新的模糊自調(diào)整控制方案#它由一個FF型二自由度PID控制器和一個模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)組成,模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)根據(jù)輸入信號(即偏差e)大小、方向以及變化趨勢等特征,通過模糊推理作出相應(yīng)決策,在固定A、B值的條件下,在線調(diào)整Kp、Ki、Kd三個參數(shù),以期取得滿意的控制效果#

6、Kp=u2+9; Ki=u3+0.765; Kd=u4+0.153;error=u1;errord=(error-error-1)/ts;errori=errori+error*ts;u=Kp*error+Kd*errord+Ki*errori;error-1=error;2.2 模糊控制器利用GUI建立模糊推理系統(tǒng),文中采用的模糊PID控制器是兩輸入三輸出控制器,Kp、Ki、Kd對應(yīng)調(diào)節(jié)PID控制程序中的u2、u3、u4#選取誤差E和誤差變化率EC作為模糊系統(tǒng)的輸入語言變量,其論域均為-3,-2,-1,0,1,2,3,語言符號為:NB,ZO,PB#模糊系統(tǒng)的輸出語言變量為KP,KI,KD,其

7、論域分別為-3,3、-0.6,0.6、-013,0.3,語言符號為:NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,解模糊化方法采用mom法#將建立的FIS結(jié)構(gòu)與整個Simulink模型系統(tǒng)連接起來,從而實(shí)現(xiàn)Simulink模型系統(tǒng)對FIS結(jié)構(gòu)的調(diào)用#2.3 參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制的SIMULINK仿真模型取KpA=7.2及KpBTd=5,參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制的SIMULINK仿真模型如圖2所示#2 參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制的SIMULINK仿真模型選取某廠加熱爐為研究對象,其傳遞函數(shù)為e-3s48s+12.1 用于PID控制的M函數(shù)G(s)=為了實(shí)現(xiàn)PID控制器

8、中Kp、Ki、Kd三個參數(shù)的在線調(diào)整,采用調(diào)用M函數(shù)的形式來編寫PID控制器#仿真程序如下:functionu=zyy1(u1,u2,u3,u4,u5)persistenterrorierror-1ts=0.1ifu5=0 errori=0; error-1=0;end圖2 SIMULINK仿真模型172沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 第24卷3 仿真結(jié)果利用圖2所示的仿真模型,可以得到以下2種情況的仿真結(jié)果,如圖3和圖4所示#參數(shù)自調(diào)整的模糊二自由度PID控制較之常規(guī)二自由度PID控制,更加能夠滿足對不確定復(fù)雜工況(如工業(yè)爐的裝爐量的不同等)的高指標(biāo)控制要求#參考文獻(xiàn):1林瑞全,邱公偉.增益

9、自調(diào)整的神經(jīng)元二自由度PID控制的SIMULINK仿真模型J.計(jì)算機(jī)仿真,2002(1):20-22.張井崗,劉志遠(yuǎn),陳志梅,等.時(shí)滯系統(tǒng)的二自由度控制J.信息與控制,2002(4):325-328.張化光,孟祥萍.智能控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:129-133.廉小親.模糊控制技術(shù)M.北京:中國電力出版社,2003:105-156.李家界,付 萍,片錦香,等.參數(shù)自調(diào)整模糊控制在爐溫控制中的應(yīng)用J.控制工程,2004(1):14-16.雷翔霄,魯五一,熊紅云.用繼電自整定實(shí)現(xiàn)模糊PID智能控制J.自動化與儀器儀表,2004(3):58-60.WANGYN,ZHANG

10、CF.Genetic-basedNeurofuzzynetworkcontrolforcomplicatedindustrialprocessJ.ControlTheoryandApplication,1999,25(6):886-891.HANZG.DirectAdaptiveControlforNon-linearSystemsJ.SAMS,1997,2(8):301-315.23圖3 K=215時(shí)的仿真曲線4567圖4 T=70時(shí)的仿真曲線4 結(jié) 論通過分別改變對象K及T的值,可以看出,8SimulinkSimulationofParameterSelf-RegulativeFuzzyT

11、wo-Degree-of-FreedomPIDControllerZHANGYa-qin(CollegeofPhysicsScienceandTechnology,ShenyangNormalUniversity,Shenyang110034,China)-o-ffreedomPIDcontrollerintheprocessparametertime-Abstract:Inviewofthedeficiencyofconventionaltwo-degreevaryingsystem,adoptthefuzzycontroltheorytoimproveconventiontwo-degre

12、e-o-ffreedomPIDcontrollermode,proposesaparametersel-fregulativefuzzycontrolplan,andestablishSIMULINKsimulationmodelofparametersel-fregulativefuzzytwo-degree-o-ffreedomPIDcontrollersystem,thenthemodelwassimulatedonthecomputer.Simulationresultsshowtheparametersel-fregulativefuzzytwo-degree-o-ffreedomPIDcontrollercansatisfyhightargetcontrolrequiremen