基于Matlab參數(shù)自整定PID控制器的設(shè)計與仿真_圖文

1、工業(yè)控制與應(yīng)用Industry Control and Applications自動化技術(shù)與應(yīng)用年第卷第期基于Matlab 參數(shù)自整定PID 控制器的設(shè)計與仿真王勃群，藺小林，汪寧（陜西科技大學，電氣與信息工程學院，陜西西安；陜西科技大學理學院，陜西西安）摘要：本文針對常規(guī)控制器不能在線進行參數(shù)自整定的問題，結(jié)合模糊控制技術(shù)，提出了一種模糊自整定參數(shù)的方法，并利用的模糊控制工具箱以及對其進行了仿真，結(jié)果表明設(shè)計的自整定模糊控制器具有控制精度高，超調(diào)小，動態(tài)性能好的特性。關(guān)鍵詞：模糊控制器；溫度控制；參數(shù)自整定中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）Matlab-Based Auto-Tuning

2、 PIDWANG Bo-qun1, LIN Xiao-lin2, WANG Ning1(1. Electrical & Information Engineer College of Shaaxi University of Science &Technology Xian 710021 China;2. Faculty science college of Shaaxi University of Science &Technology Xian 710021 ChinaAbstract: This paper presents a fuzzy auto-tuning

3、 method for the PID controller. Simulation with the fuzzy control toolbox of theMATLAB is also presented.Keywords: fuzzy controller; matlab; temperature control; parameters auto-tuning在選擇控制算法之前，首先必須確定控制對象，引言在控制系統(tǒng)里，如果難以獲得被控制對象的數(shù)學模型，或者被控對象是個比較復(fù)雜的非線性、時變而且又有大的滯后的系統(tǒng)，一般的控制難以達到預(yù)期的效果，而模糊控制技術(shù)在復(fù)雜、大滯后、難以建立精確數(shù)學

4、模型的非線性控制過程中表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。模糊控制是以模糊數(shù)學為理論基礎(chǔ)，它根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)或者工程科技人員的經(jīng)驗概括抽象成一系列的模糊規(guī)則，并借助于計算機來完成過程控制的方法。模糊控制具有不依賴被控對象的數(shù)學模型、超調(diào)小、動態(tài)性能好、魯棒性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)中。模糊控制器的設(shè)計由實際測量值的模糊化、構(gòu)造模糊規(guī)則和模糊決策（又稱為解模糊）三部分組成。然后根據(jù)控制對象的各種特性選擇合適的控制算法進行控制。本文選擇電阻爐這樣一個典型的控制對象，控制目的就是控制電阻爐的溫度。其次在控制算法方面，考慮到由于控制的電阻爐實際中具有非線性的特點，相當于一個時間常數(shù)很大的慣性環(huán)節(jié)，升降

5、溫緩慢，而且由于系統(tǒng)中沒有專門的降溫環(huán)節(jié)，在控制過程中當溫度超過給定值時無法降溫，只能讓電阻爐自然散熱，速度非常緩慢，單純地采用控制往往會造成過渡過程時間長，超調(diào)大所以為了達到良好的控制效果，根據(jù)實際控制對象的情況，基于一種參數(shù)自整定模糊控制算法應(yīng)運而生了。電阻爐溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后的特點。其升溫單向性是由于電阻爐的升溫保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻，因而很難用數(shù)學方法建立精確的模型，用傳統(tǒng)的單純控制方法難以達到好的控制效果。模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可調(diào)整和模糊推理系統(tǒng)二部分組成，這個控制器的實現(xiàn)思想是先找出三個參數(shù)與偏差| 31控制算法的選擇收稿日期：自

6、動化技術(shù)與應(yīng)用年第卷第期 工業(yè)控制與應(yīng)用Industry Control and Applications及偏差變化率之間的模糊關(guān)系。在運行中通過不斷檢測和，再根據(jù)模糊控制原理對三個參數(shù)進行在線修改，以滿足在不同和時對控制參數(shù)的不同要求，使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。計算量小，易于實現(xiàn)，其算法原理圖如下圖所示：下的自調(diào)整要滿足如下調(diào)整原則：（）如果系統(tǒng)溫度上升過慢且溫差變化較小，增大；（）如果系統(tǒng)溫度上升太快且很難到達穩(wěn)定值，增大；（）如果在穩(wěn)定時系統(tǒng)溫度輸出有波動，則增大K d ；（）如果系統(tǒng)輸出對干擾信號反應(yīng)敏感，減小等等；我們可以按如下的方法進行、的參數(shù)自整定：確定輸入變量，并將其模

7、糊化通過實測值與理想值比較求出誤差值及誤差變化率作為輸入變量，定義、模糊量的模糊子集為：圖參數(shù)自整定模糊PID 控制算法原理圖該算法是在在常規(guī)控制器的基礎(chǔ)上，將輸入量和經(jīng)模糊化處理，利用知識庫中的控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理和清晰化接口輸出，對參數(shù)、進行在線自整定，再由控制器給出控制信號，對被控對象實行有效的控制。，子集中元素分別代表負大，負中、負小、零、正小、正中、正大，論域為，。確定輸出變量和隸屬函數(shù)以、三個參數(shù)作為輸出變量，、模糊量的模糊子集為：，的論域為，的論域為，的論域為，?？紤]論域的覆蓋程度和靈敏度，以及為了調(diào)整方便，以上各模糊子集均選用三角形隸屬函數(shù)?？刂破鞯脑O(shè)計模糊控制器的設(shè)計的基本

8、理論模糊控制器的設(shè)計包括以下幾個步驟：（）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量（即控制量）；（）精確變量的模糊化；（）設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；（）模糊變量的精確化；（）選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)，例如量化因子，比例因子等。模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯（如“正大”，“負小”等）的集合，稱為這些變量的詞集。在此控制系統(tǒng)中把誤差分為大、中、小三個狀態(tài)，再加上正、負兩個方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個詞匯，即負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，一般用英文字母縮寫為，其中，。圖e,ec,Kp,Kd 的隸屬度

9、函數(shù)確定模糊規(guī)則控制規(guī)則的設(shè)計是設(shè)計模糊控制器的關(guān)鍵，模糊控制的核心是模糊控制規(guī)則的建立，模糊控制規(guī)則的實質(zhì)是把操作者的經(jīng)驗或者是由實驗測得的數(shù)據(jù)加以總結(jié)，得出一條條控制規(guī)則。在上面的模糊化過程中得到輸入偏差量，偏差變化率和控制量的模糊集后，就可以利用“，”的控制規(guī)則進參數(shù)自整定模糊PID 控制器的設(shè)計參數(shù)自整定模糊的目的是為了使參數(shù)、隨著偏差和偏差變化率的變化而自行調(diào)整，因而必須首先建立起它們之間的關(guān)系。通過試驗并根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，參數(shù)、在不同的和 行模糊控制器的設(shè)計。這個控制規(guī)則表建立以后存儲在計算機的內(nèi)存里，適當?shù)臅r候調(diào)用這個規(guī)則表以達到控制溫度的目的。模糊自整定控制是通過計算當前系統(tǒng)誤差和

10、誤差變化率，考慮、三者的關(guān)聯(lián)，根據(jù)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，得到、三個參數(shù)分別整定的模糊規(guī)則如下：）和在內(nèi)的實用工具箱，使其廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)的仿真研究之中。首先在的命令窗口輸入，彈出模糊推理系統(tǒng)圖形編輯器（），它主要用于設(shè)計和顯示模糊推理系統(tǒng)的基本信息，把上面表，表，表的模糊規(guī)則輸入到模糊邏輯推理系統(tǒng)中，再保存到并給出一個命名，以便在畫出的框圖時調(diào)用。表Kp 、Ki 、Kd 的模糊規(guī)則表圖參數(shù)自整定PID 模糊控制仿真框圖圖ki 的隸屬度函數(shù)（）在線參數(shù)自調(diào)整誤差和誤差變化量作為模糊控制器的輸入量，以滿足不同和對控制器參數(shù)的不同要求，根據(jù)模糊合成推理設(shè)計參數(shù)的模糊矩陣表，查出

11、修正參數(shù)代入下式計算：常規(guī)PID 控制器仿真曲線參數(shù)自整定PID 控制器仿真曲線圖系統(tǒng)框圖運行仿真結(jié)果設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G (s =K p =K p *+K p K i =K i *+K i K d =K d *+K d式中，為三個控制參數(shù)的取值，為參數(shù)基準值，為參數(shù)校正值。104se ，利用s +4工具箱，構(gòu)造，雙輸入、三輸出的模糊控制系統(tǒng)。利用上面所分析的參數(shù)自整定原理和所建的隸屬函數(shù)和控制規(guī)則在環(huán)境中實現(xiàn)仿真研究。所建立的參數(shù)自整定模糊控制仿（下轉(zhuǎn)第頁）| 33MATLAB 仿真做為國際上最為流行的仿真軟件，它提供了各種控制系統(tǒng)工具箱，包括模糊邏輯工具箱（ 在設(shè)定值附近，避免了振蕩，因而

12、這也節(jié)約了能源。結(jié)束語模糊解耦控制是解決精餾塔此類強耦合、大時滯、非線性、建模困難的工業(yè)對象控制問題較為適用的方法。而基于西門子實現(xiàn)模糊解耦控制，既具了有運行可靠，操作簡易，開發(fā)靈活等特點，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。其開發(fā)成本少，應(yīng)用范圍廣，有較好的應(yīng)用前景。參考文獻：崔建偉，陳四庚，姚銀福解耦控制在精餾塔溫度控制中圖模糊控制器控制的塔頂溫度曲線的應(yīng)用內(nèi)蒙古石油化工，（）：，：曾廣奇，胡均安，王東，等模糊控制理論與工程武漢：華中科技大學出版社，諸靜模糊控制理論與系統(tǒng)原理北京：機械工業(yè)出版社，李晉輝，郝啟堂，周玉川低壓鑄造控制系統(tǒng)中模糊在中的實現(xiàn)計算機應(yīng)用技術(shù)，（）：李楠，張德強基于的模糊控制研究遼寧工學院學報，（）：圖模糊控制器控制的塔底溫度曲線作者簡介：韓宇星（），男，碩士研究生，研究方向：綜合自動化。（上接第頁）真框圖如下圖所示，其中上面的為仿真框圖，下面的為參數(shù)自整定仿真框圖，通過示波器可以明顯的對比出兩者的控制效果，從圖可以看出參數(shù)自整定具有控制精度高，超調(diào)小，動態(tài)性能好的特性。李士勇，模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論哈爾濱：哈爾濱工業(yè)的大學出版社，師黎，控制的參數(shù)模糊自整定方法鄭州工業(yè)大學學報，（）：胡建平，用實現(xiàn)空調(diào)溫度模糊控制器的設(shè)計與仿真上海工程技術(shù)大學學報，（）：薛定宇，控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計語言及應(yīng)用北