基于模糊PID控制的仿真設(shè)計(jì)參考模板

1、基于模糊PID的控制器的仿真設(shè)計(jì)學(xué) 院: 信息學(xué)院專(zhuān) 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 自動(dòng)化趙娟 學(xué) 號(hào)： 職 稱(chēng)： 080104021044彭文亮講師1 / 55中國(guó)·珠海二一二年五月北京理工大學(xué)珠海學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信承諾書(shū)本人鄭重承諾：我所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)基于模糊 PID的控制器的仿真設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開(kāi)展研究取得的成果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。承諾人簽名： 日期： 年 月 基于模糊PID的控制器的仿真設(shè)計(jì)摘 要PID（比例 積分 微分）控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)

2、。而對(duì)于一些多變量、非線(xiàn)性、時(shí)滯的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制器并不能達(dá)到預(yù)期的效果。 隨著模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展，模糊控制的思想逐漸得到控制工程師們的重視，各種模糊控制器也應(yīng)運(yùn)而生。而單純的模糊控制器有其自身的缺陷控制效果很粗糙、控制精度無(wú)法達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。但利用傳統(tǒng)的PID控制器和模糊控制器結(jié)合形成的模糊自適應(yīng)的PID控制器可以彌補(bǔ)其缺陷；它將系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的誤差和誤差變化率反饋給模糊控制器進(jìn)而確定相關(guān)參數(shù)，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制效果。 論文介紹了參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)方法和步驟。并利用MATLAB 中的SIMULINK 和模糊邏輯推理系統(tǒng)工具箱進(jìn)行了控制系統(tǒng)的仿真研究，并簡(jiǎn)要地分析了

3、對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：經(jīng)典PID控制 模糊控制 自適應(yīng)模糊PID控制器 參數(shù)整定 MATLAB仿真The simulation and design-based fuzzy PID controlABSTRACTPID(Proportion Integration Differentiation) control, with lots of advantages including simple structure, good stability and high reliability, is quite suitable to establish especially the cont

4、rol system which accurate mathematical model is available and needed. However, taken multivariable, nonlinear and time-lag into consideration, traditional PID controller can not reach the expected effect. Along with the development of Fuzzy Mathematics, control engineers gradually pay much attention

5、 to the idea of Fuzzy Control, thus promoting the invention of fuzzy controllers. However, simple fuzzy controller has its own defect, where control effect is quite coarse and the control precision can not reach the expected level. Therefore, the Fuzzy Adaptive PID Controller is created by taking ad

6、vantage of the superiority of PID Controller and Fuzzy Controller. Taken this controller in use, the corresponding error and its differential error of the control system can be feed backed to the Fuzzy Logic Controller. Moreover, the three parameters of PID Controller is determined online through fu

7、zzification, fuzzy reasoning and defuzzification of the fuzzy system to maintain better working condition than the traditional PID controller. Meanwhile,the design method and general steps are introduced of the Parameter self-setting Fuzzy PID Controller. Eventually, the Fuzzy Inference SystemsToolb

8、ox and SIMULINK toolbox are used to simulate Control System. The results of the simulation show that Self-organizing Fuzzy Control System can get a better effect than the Classical PID controlled evidently. Keywords: Classic PID control Fuzzy Control Parameters tuning the Fuzzy Adaptive PID Controll

9、er MATLAB simulation目 錄摘 要IABSTRACTII1緒論11.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求11.2本設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題21.3研究的主要內(nèi)容32方案選擇及可行性分析42.1方案的選擇42.2方案可行性分析53 PID算法及參數(shù)介紹63.1 PID算法介紹63.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響84設(shè)計(jì)原理104.1模糊邏輯與模糊控制的概念104.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理104.3模糊推理方式124.4模糊控制器的結(jié)構(gòu)134.5模糊控制器的隸屬函數(shù)144.6模糊推理方法205方案設(shè)計(jì)225.1模糊PID控制器組織結(jié)構(gòu)和算法的確定225.2模糊

10、PID控制器模糊部分設(shè)計(jì)236模糊PID控制器的MATLAB仿真286.1.模糊控制部分的fuzzy inference system仿真287結(jié)論37參考文獻(xiàn)38謝 辭39附錄401緒論隨著越來(lái)越多的新型自動(dòng)控制應(yīng)用于實(shí)踐,其控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)加到被控系統(tǒng)上,控制系統(tǒng)的被控量,經(jīng)過(guò)傳感器、變送器通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng),傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是

11、不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器,電加熱控制系統(tǒng)要采用溫度傳感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器,儀表,已經(jīng)很多,產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。比如,工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上,或按一定的規(guī)律變化,以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器可以根據(jù)PID控制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié),從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。 經(jīng)典PID控制的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制,又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史,它因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控

12、制的主要技術(shù)之一,現(xiàn)今也在很多領(lǐng)域有應(yīng)用。尤其是當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型,控制理論的其它技術(shù)難以采用,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)又必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定時(shí),應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),全世界過(guò)程控制領(lǐng)域使用的控制器84%仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過(guò)90%。1.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一。由于其算法簡(jiǎn)單，魯棒性好和可靠性高被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。在PID 控制中。一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題是PID 參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間)的整定。參數(shù)整定的優(yōu)劣不但會(huì)影響到控制質(zhì)量，而且還會(huì)影響

13、到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線(xiàn)性、時(shí)變等不確定性干擾。常規(guī)PID 控制器經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)整定不良、控制性能欠佳，且對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性較差等情況。針對(duì)以上問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在尋求PID 控制器的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。模糊控制是一類(lèi)應(yīng)用模糊集合理論的控制方法，不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因而特別適用于一些大滯后、時(shí)變、非線(xiàn)性的復(fù)雜系統(tǒng)。將模糊控制和傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合組成模糊PID 控制器，不但具有PID 控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，又兼有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)控制領(lǐng)域十分活躍的一支分支。本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求以及優(yōu)點(diǎn)： 1.模糊控制完

14、全在操作人員經(jīng)驗(yàn)控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，無(wú)需建立數(shù)學(xué)模型，能夠解決不確定系統(tǒng)的一種有效途徑。 2.模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性，被控對(duì)象參數(shù)的變化對(duì)模糊控制的影響不明顯，可用于非線(xiàn)性、時(shí)變、時(shí)滯的系統(tǒng)，并能獲得優(yōu)良的控制效果。 3.由離散計(jì)算得到控制查詢(xún)表，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、快速性。 4.控制的機(jī)理符合人們對(duì)過(guò)程控制作用的直觀描述和思維邏輯，是人工智能的再現(xiàn)，屬于智能控制。1.2本設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題國(guó)內(nèi)在模糊控制方面也同樣取得了顯著成果。1986年，都志杰等人用單片機(jī)研制了工業(yè)用模糊控制器。隨后，何鋼、能秋思、劉浪舟等人相繼將模糊控制方法成功地應(yīng)用在堿熔釜反應(yīng)溫度、玻璃窯

15、爐等控制系統(tǒng)中。 在社會(huì)生活領(lǐng)域中體現(xiàn)在模糊控制技術(shù)在家電中的應(yīng)用，所謂模糊家電，就是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)，在電腦或者芯片的控制下實(shí)現(xiàn)可模仿人的思維進(jìn)行操作的家用電器。幾種典型的模糊家電產(chǎn)品如下： 模糊電視機(jī) 這類(lèi)電視機(jī)可根據(jù)室內(nèi)光線(xiàn)的強(qiáng)弱調(diào)整電視機(jī)的亮度，根據(jù)人與電視機(jī)的距離自動(dòng)調(diào)整音量，同時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)電視機(jī)的色度、清晰度和對(duì)比度。 模糊空調(diào)器模糊空調(diào)器可以靈敏地控制室內(nèi)的溫度。日本研制了一種模糊空調(diào)器，利用紅外線(xiàn)傳感器識(shí)別房間信息（人數(shù)、溫度、大小、門(mén)開(kāi)關(guān)等），從而快速調(diào)整室內(nèi)溫度，提高了舒適感。 模糊微波爐日本夏普公司生產(chǎn)的RE-SEI型微波爐，內(nèi)部裝有12個(gè)傳感器，這些傳感器能對(duì)食物的重量、

16、高度、形狀和溫度進(jìn)行測(cè)量，并利用這些信息自動(dòng)選擇化霜、再熱、燒烤和對(duì)流4種工作方式，并自動(dòng)決定烹制時(shí)間。 模糊洗衣機(jī)以我國(guó)生產(chǎn)的小天鵝模糊控制全自動(dòng)洗衣機(jī)為例它能夠自動(dòng)識(shí)別洗衣物人重量、質(zhì)地、污臟性質(zhì)和程度采用模糊控制技術(shù)來(lái)選擇合適的水位、洗滌時(shí)間、水流程序等，其性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。 模糊電動(dòng)剃刀日本三洋、松下公司推出了模糊控制電動(dòng)剃刀通過(guò)利用傳感器分析胡須的生長(zhǎng)情況和面部輪廓自動(dòng)調(diào)整刀片并選擇最佳的剃削速度。在工業(yè)爐方面、石化方面、煤礦行業(yè)、食品加工行業(yè)領(lǐng)域模糊控制應(yīng)用也很廣泛。模糊控制主要有以下幾個(gè)發(fā)展方向： (1) Fuzzy-PID復(fù)合控制 Fuzzy-PID復(fù)合控制是將模

17、糊控制與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合的控制方法，以此達(dá)到較高的控制精度。它比單用模糊控制和單用PID控制均具有更好的控制性能。 (2)自適應(yīng)模糊控制 自適應(yīng)模糊控制能自動(dòng)地對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行修改和完善，以提高控制系統(tǒng)的性能。它具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，對(duì)于那些具有非線(xiàn)性、大時(shí)滯、高階次的復(fù)雜系統(tǒng)有著更好的控制效果。 (3)專(zhuān)家模糊控制 專(zhuān)家模糊控制是將專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)與模糊控制相結(jié)合的產(chǎn)物。引入專(zhuān)家系統(tǒng)可進(jìn)一步提高模糊控制的智能水平。專(zhuān)家模糊控制保持了基于規(guī)則的方法和模糊集處理帶來(lái)的靈活性，同時(shí)又把專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)的知識(shí)表達(dá)方法結(jié)合進(jìn)來(lái)，能處理更廣泛的控制問(wèn)題。 (4)神經(jīng)模糊控制 模糊控制規(guī)則和隸屬函數(shù)

18、的獲取與確定是模糊控制中的“瓶頸”問(wèn)題。神經(jīng)模糊控制是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制方法。該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，來(lái)獲取并修正模糊控制規(guī)則和隸屬函數(shù)。 (5)多變量模糊控制 多變量模糊控制有多個(gè)輸入變量和輸出變量，它適用于多變量控制系統(tǒng)。多變量耦合和“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題是多變量模糊控制需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 1.3研究的主要內(nèi)容在工業(yè)控制中，PID控制是工業(yè)控制中最常用的方法。為了使控制器具有較好的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，可以采用模糊控制理論的方法。模糊控制已成為智能自動(dòng)化控制研究中最為活躍而富有成果的領(lǐng)域。其中，模糊PID控制技術(shù)扮演了十分重要的角色，并目仍將成為未來(lái)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之

19、一。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)基于模糊 PID的控制器的仿真設(shè)計(jì)，要求具有良好的性能。2方案選擇及可行性分析2.1方案的選擇方案一：經(jīng)典PID控制系統(tǒng)：P控制：這類(lèi)控制輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，輸入偏差越大輸出越大。單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定剩余誤差存在的場(chǎng)合。在工業(yè)生產(chǎn)中，比例控制規(guī)律使用較為普遍，它是控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是不能最終消除剩余誤差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用。PI控制：克服剩余誤差的辦法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制。積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)

20、時(shí)間的積分成正比。它的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積，一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。所以，積分控制可以消除剩余誤差。PD控制：當(dāng)被控對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被控變量沒(méi)有立即發(fā)生變化，而是有一個(gè)時(shí)間上的延遲。因此要引入比例、微分作用，即PD控制。它比單純的比例作用更快。尤其是對(duì)容量滯后大的對(duì)象，可以減小偏差的幅度，節(jié)省控制時(shí)間顯著改善控制質(zhì)量。PID比例積分微分：最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制，即PID控制。它集三者之長(zhǎng)，既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除剩余誤差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅

21、度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變，比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使振蕩幅度減小。由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，積分作用可以慢慢把剩余誤差克服掉，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定，只要，三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。然而伴隨著新的控制系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，PID控制策略在控制非線(xiàn)性、時(shí)變、強(qiáng)耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，控制效果不理想。因此，它的應(yīng)用受到了很大程度上的限制。方案二：模糊PID控制系統(tǒng)利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入

22、計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，即智能PID控制器。這種控制器把古典的PID控制與先進(jìn)的專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。這種控制必須精確地確定對(duì)象模型，首先將操作人員（專(zhuān)家）長(zhǎng)期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理便可對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整。由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，模糊理論是解決這一問(wèn)題的有效途徑，所以人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)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)則以及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)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（即專(zhuān)家系統(tǒng)

23、的輸入條件），運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID控制。模糊自適應(yīng)PID控制器目前有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致。自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差和誤差變化作為輸入，可以滿(mǎn)足不同時(shí)刻的和對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與和之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足不同和時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。綜上，比較兩種方案可知

24、，帶有大擾動(dòng)、時(shí)滯、時(shí)變的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID控制器參數(shù)整定比較困難，最佳參數(shù)容易漂移，使用模糊自整定PID控制器往往可以克服傳統(tǒng)PID控制器的不足。2.2方案可行性分析從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮，的作用如下：（1）比例系數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。（2）積分作用系數(shù)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引

25、起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。若過(guò)小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。（3）微分作用系數(shù)的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。3 PID算法及參數(shù)介紹3.1 PID算法介紹1.位移式PID算法被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu) D(s)x(t) e（t）y（t） -圖 3.1 PID控制流圖其控制原則如公式：其中Kp比例系數(shù)Ti積分時(shí)間常數(shù)Td微分時(shí)間常數(shù)e（t）偏差u（t）控制量經(jīng)離散化得公式：調(diào)節(jié)器輸出u（k）與跟過(guò)去所有偏差信號(hào)有關(guān)，計(jì)算機(jī)需要對(duì)e（t）進(jìn)行累加

26、，運(yùn)算工作量很大，而且計(jì)算機(jī)故障可能是u（k）做大幅振蕩，這種情況往往是控制很不方便，再有些場(chǎng)合可能會(huì)造成嚴(yán)重的事故。另外，控制器的輸出u（k）對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置：如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u（k）的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，因此，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中不太常用這種方法。2增量式PID算法依據(jù)位移式PID算法，可推理出公式：式中e(k)第k次采樣時(shí)的偏差值；e(k-1)第k-1次采樣時(shí)的偏差值； u(k)第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出； Kp比例系數(shù)；,依據(jù)算法形式,顯然可以看出增量式PID算法和位置式算法相比具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):首先,增量式算法只與e(k)、e(k-1)、e(k-2)有

27、關(guān),不需要進(jìn)行累加,不易引起積分飽和,因此能獲得較好的控制效果。 其次,在位置式控制算法中,由手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí),必須首先使計(jì)算機(jī)的輸出值等于閥門(mén)的原始開(kāi)度,才能保證手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換,這將給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。而增量式設(shè)計(jì)只與本次的偏差值有關(guān),與閥門(mén)原來(lái)的位置無(wú)關(guān),因而易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。 再次,增量式算法中,計(jì)算機(jī)只輸出增量,誤動(dòng)作影響小。必要時(shí)可加邏輯保護(hù),限制或禁止故障時(shí)的輸出。 為適應(yīng)更多的應(yīng)用領(lǐng)域,PID控制器也有了多種算法。 3 積分分離PID算法積分分離PID算法基本思想是:設(shè)置一個(gè)積分分離閾值,當(dāng)|e(k)|時(shí),采用PID控制,以便于消除靜差,提高控制精度;當(dāng)|e(

28、k)|>|時(shí),采用PD控制。其對(duì)應(yīng)的算法s是公式:其中,為邏輯變量,其取值原則為:公式：1（k）0（k）對(duì)同一控制對(duì)象，分別采用普通PID控制和積分分離PID控制，如圖3.2：圖3.2 PID控制和積分分離PID控制比較其中1-普通PID控制效果 2-積分分離PID控制效果顯然,積分分離的PID比普通的PID的控制效果好。4 不完全微分PID算法 在PID控制器的輸出端再串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)（比如低通濾波器）來(lái)抑制高頻干擾，平滑控制器的輸出，這樣就組成了不完全微分PID控制，見(jiàn)圖3.3。 PID調(diào)節(jié)器E(s) 圖3.3 不完全微分PID控制器其控制算法,如公式2-5所示。 其中， 通過(guò)這樣的

29、算法可以延長(zhǎng)微分作用的時(shí)間,見(jiàn)圖3.4。 （a） (b)圖3.4 不完全微分PID和完全微分PID控制特性比較不完全微分PID控制中的微分作用能緩慢地維持多個(gè)采樣周期，使一般的工業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能較好地跟蹤微分作用的輸出。因此，抗干擾能力較強(qiáng)，在一些擾動(dòng)頻繁的場(chǎng)合應(yīng)用十分普遍。3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響1比例系數(shù)p對(duì)系統(tǒng)性能的影響比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。p偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。p太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。p太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。p可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果d的符號(hào)選擇不當(dāng),對(duì)象狀態(tài)(pv值)就會(huì)離控制目

30、標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況p的符號(hào)就一定要取反。 2積分控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，i小（積分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 3微分控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，Td偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。Td偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有Td合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。4PID控制器參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi):一是理論計(jì)算整定法。它主要

31、是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。4設(shè)計(jì)原理4.1模糊邏輯與模糊控制的概念模糊控制相關(guān)概念 “模糊邏輯”的概念，其根本在于區(qū)分布爾邏輯或清晰

32、邏輯，用來(lái)定義那些含混不清，無(wú)法量化或精確化的問(wèn)題，對(duì)于馮?諾依曼開(kāi)創(chuàng)的基于“真-假”推理機(jī)制，以及因此開(kāi)創(chuàng)的電子電路和集成電路的布爾算法，模糊邏輯填補(bǔ)了特殊事物在取樣分析方面的空白。在模糊邏輯為基礎(chǔ)的模糊集合理論中，某特定事物具有特色集的隸屬度，他可以在“是”和“非”之間的范圍內(nèi)取任何值。而模糊邏輯是合理的量化數(shù)學(xué)理論，是以數(shù)學(xué)基礎(chǔ)為根本去處理這些不確定、不精確的信息。模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個(gè)過(guò)程的控制算法。它是用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)模仿人腦的思維方式，根據(jù)模糊現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別和判決，給出精確控制量，進(jìn)而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的。對(duì)于參數(shù)精確已知的數(shù)學(xué)模型，我們可以用波特圖或奈克斯特圖來(lái)分析其過(guò)程

33、以獲得精確的設(shè)計(jì)參數(shù)。而對(duì)一些復(fù)雜系統(tǒng)，如粒子反應(yīng)，氣象預(yù)報(bào)等設(shè)備，建立一個(gè)合理而精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。對(duì)于電力傳動(dòng)中的變速矢量控制問(wèn)題，盡管可以通過(guò)測(cè)量得知其模型，但由于其多變量且非線(xiàn)性變化的特點(diǎn)，精確控制也是非常困難的。模糊控制技術(shù)依據(jù)與操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和直觀推斷，也依靠設(shè)計(jì)人員和研發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)積累。它無(wú)需建立設(shè)備模型，因此基本上是自適應(yīng)的，具有很強(qiáng)的魯棒性。歷經(jīng)多年發(fā)展，已有許多成功應(yīng)用模糊控制理論的案例，如Rutherford、Carter應(yīng)用于冶金爐和熱交換器的控制裝置。4.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理模糊控制器有如下結(jié)構(gòu)，圖4.1呈現(xiàn)了其基本控制流程。模糊化被控制對(duì)

34、象模糊推理解模糊知識(shí)庫(kù)圖4. 1模糊控制器控制流程FC為了了解模糊控制器到工作原理，圖4.2列出其結(jié)構(gòu)框圖。知識(shí)庫(kù)模糊化接口被控制對(duì)象模糊推理機(jī)解模糊數(shù)據(jù)庫(kù)圖4. 2模糊控制器結(jié)構(gòu)規(guī)律庫(kù) 顯然，模糊控制器到主要由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、模糊推理機(jī)、解模糊接口四部分組成，通過(guò)單位負(fù)反饋來(lái)引入誤差，并以此為輸入量進(jìn)行控制動(dòng)作。模糊控制器各部分組成1  模糊化接口（Fuzzy interface） 模糊控制器的輸入必須通過(guò)模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實(shí)際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模糊矢量。對(duì)于一個(gè)模糊輸入變量e，其模糊子集通?？梢宰魅缦路绞絼澐?/p>

35、： （1）負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大=NB, NS, ZO, PS, PB （2）負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大=NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB （3）大，負(fù)中，負(fù)小，零負(fù)，零正，正小，正中，正大=NB, NM, NS, NZ, PZ, PS, PM, PB 模糊化接口接受到輸入只有誤差信號(hào)e(t),由e(t)再生成誤差變化率或誤差到差分e(t)，模糊化接口主要完成以下兩項(xiàng)功能：1.論域變換2.模糊化用三角型隸屬度函數(shù)表示如圖4.3所示。圖 模糊子集和模糊化等級(jí)2. 知識(shí)庫(kù)（Knowledge BaseKB） 圖4.3三角型隸屬度函數(shù)表示知識(shí)庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部

36、分構(gòu)成。 （1）數(shù)據(jù)庫(kù)（Data BaseDB）： 數(shù)據(jù)庫(kù)所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值（即經(jīng)過(guò)論域等級(jí)離散化以后對(duì)應(yīng)值的集合），若論域?yàn)檫B續(xù)域則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過(guò)程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。（2）規(guī)則庫(kù)（Rule BaseRB）：模糊控制器的規(guī)則司基于專(zhuān)家知識(shí)或手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。模糊規(guī)則通常有一系列的關(guān)系詞連接而成，如if-then、else、also、end、or等，關(guān)系詞必須經(jīng)過(guò)“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。最常用的關(guān)系詞為if-then、also，對(duì)于多變量模糊控制系統(tǒng)，還有and等。例如，

37、某模糊控制系統(tǒng)輸入變量為（誤差）和（誤差變化），它們對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量為E和EC，可給出一組模糊規(guī)則： R1: IF E is NB and EC is NB then U is PB R2: IF E is NB and EC is NS then U is PM 通常把if部分稱(chēng)為“前提部，而then部分稱(chēng)為“結(jié)論部”，其基本結(jié)構(gòu)可歸納為If A and B then C,其中A為論域U上的一個(gè)模糊子集，B是論域V上的一個(gè)模糊子集。根據(jù)人工控制經(jīng)驗(yàn)，可離線(xiàn)組織其控制決策表R, R是笛卡兒乘積集上的一個(gè)模糊子集，則某一時(shí)刻其控制量由下式給出： 式中 × 模糊直積運(yùn)算； °模糊

38、合成運(yùn)算。 規(guī)則庫(kù)是用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。規(guī)則條數(shù)和模糊變量的模糊子集劃分有關(guān)，劃分越細(xì)，規(guī)則條數(shù)越多，但并不代表規(guī)則庫(kù)的準(zhǔn)確度越高，規(guī)則庫(kù)的“準(zhǔn)確性”還與專(zhuān)家知識(shí)的準(zhǔn)確度有關(guān)。 3推理與解模糊接口（Inference and Defuzzy-interface） 推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考慮到推理時(shí)間，通常采用運(yùn)算較簡(jiǎn)單的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類(lèi)。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識(shí)工程學(xué)領(lǐng)域的

39、專(zhuān)家系統(tǒng)中。 推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來(lái)作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常把輸出端具有轉(zhuǎn)換功能作用的部分稱(chēng)為解模糊接口。 綜上所述，模糊控制器實(shí)際上就是依靠微機(jī)（或單片機(jī)）來(lái)構(gòu)成的。它的絕大部分功能都是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成的。隨著專(zhuān)用模糊芯片的研究和開(kāi)發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。 4.3模糊推理方式Takagi-Sugeno模糊模型(高木-關(guān)野)傳統(tǒng)的模糊系統(tǒng)為Mamdani模糊模型，輸出為模糊量。,其函數(shù)形式為： y=a y=ax+b它與Mamdani模型的區(qū)別在于

40、： （1）輸出變量為常量或線(xiàn)性函數(shù)； （2）輸出為精確量。 Sugeno模糊模型輸出隸屬函數(shù)為constant或linear，也稱(chēng)TSK模糊模型, 旨在開(kāi)發(fā)從給定的輸入輸出數(shù)據(jù)集合產(chǎn)生模糊規(guī)則的系統(tǒng)化方法。此類(lèi)方法將解模糊也結(jié)合到模糊推理中,故輸出為精確量。這是因?yàn)镾ugeno型模糊規(guī)則的后件部分表示為輸入量的線(xiàn)性組合。它是最常用的模糊推理算法。與Mamdani型類(lèi)似,其中輸入量模糊化和模糊邏輯運(yùn)算過(guò)程完全相同,主要差別在于輸出隸屬函數(shù)的形式。典型的零階Sugeno型模糊規(guī)則的形式:If x is A and y is B then z =k。 式中,x和y為穿入語(yǔ)言變量,A和B為推理前件的模

41、糊集合,z為輸出語(yǔ)言變量,k為常數(shù)。 更為一般的一階Sugeno模型規(guī)則形式為:If x is A and y is B then z=px+qy+r。 當(dāng)然,以上兩種解模糊方法各有千秋。由于Mamdani型模糊推理規(guī)則的形式符合人們的思維和語(yǔ)言表達(dá)的習(xí)慣。因而能夠方便地表達(dá)人類(lèi)的知識(shí),但存在計(jì)算復(fù)雜、不利于數(shù)學(xué)分析的缺點(diǎn),Sugeno型模糊推理則具有計(jì)算簡(jiǎn)單,利于數(shù)學(xué)分析的優(yōu)點(diǎn),是具有優(yōu)化與自適應(yīng)能力的控制器或模糊建模工具。 4.4模糊控制器的結(jié)構(gòu)在確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)控制器輸出的個(gè)數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。在模糊控制系統(tǒng)中也可類(lèi)似地劃分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。

42、1 單變量模糊控制器（Single Variable Fuzzy ControllerSVFC）在單變量模糊控制器中，將其輸入變量的個(gè)數(shù)定義為模糊控制的維數(shù)。（1）一維模糊控制器如圖4.4所示，一維模糊控制器的輸入變量往往選擇為受控量和輸入給定的偏差量E。由于僅僅采用偏差值，很難反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)，因此，所能獲得的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能是不能令人滿(mǎn)意的。這種一維模糊控制器往往被用于一階被控對(duì)象。 圖4.4一維模糊控制器（2）二維模糊控制器如圖4.5所示，二維模糊控制器的兩個(gè)輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC，由于它們能夠較嚴(yán)格地反映受控過(guò)程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性，因此，在控制

43、效果上要比一維控制器好得多，也是目前采用較廣泛的一類(lèi)模糊控制器。 圖4.5二維模糊控制器（3）三維模糊控制器如圖4.6所示，三維模糊控制器的三個(gè)輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量E、偏差變化量EC和偏差變化的變化率ECC。由于這些模糊控制器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因此除非對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場(chǎng)合，一般較少選用三維模糊控制器。 圖4.6三維模糊控制器模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過(guò)于復(fù)雜，這是人們?cè)谠O(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)時(shí)，多數(shù)采用二維控制器的原因。 4.5模糊控制器的隸屬函數(shù)在Matlab中已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了11種隸屬函數(shù)，即雙S形隸屬函數(shù)（

44、dsigmf）、聯(lián)合高斯型隸屬函數(shù)（gauss2mf）、高斯型隸屬函數(shù)（gaussmf）、廣義鐘形隸屬函數(shù)（gbellmf）、II型隸屬函數(shù)(pimf)、雙S形乘積隸屬函數(shù)（psigmf）、S狀隸屬函數(shù)（smf）、S形隸屬函數(shù)（sigmf）、梯形隸屬函數(shù)（trapmf）、三角形隸屬函數(shù)（trimf）、Z形隸屬函數(shù)（zmf）。在模糊控制中應(yīng)用較多的隸屬函數(shù)有以下6種隸屬函數(shù)。 （1）高斯型隸屬函數(shù) 高斯型隸屬函數(shù)（如圖4.7）由兩個(gè)參數(shù) 和c確定： 其中參數(shù)b通常為正，參數(shù)c用于確定曲線(xiàn)的中心。Matlab表示為 圖4.7高斯型隸屬函數(shù)（M=1）(2) 廣義鐘型隸屬函數(shù) 廣義鐘型隸屬函數(shù)（如圖4

45、.8）由三個(gè)參數(shù)a，b，c確定： 其中參數(shù)b通常為正，參數(shù)c用于確定曲線(xiàn)的中心。Matlab表示為 圖4.8廣義鐘形隸屬函數(shù)（M=2）(3) S形隸屬函數(shù) S形函數(shù)sigmf(x,a c)（如圖4.9）由參數(shù)a和c決定： 其中參數(shù)a的正負(fù)符號(hào)決定了S形隸屬函數(shù)的開(kāi)口朝左或朝右，用來(lái)表示“正大”或“負(fù)大”的概念。Matlab表示為 :sigmf(x,a,c)圖4.9S形隸屬函數(shù)（M=3）（4）梯形隸屬函數(shù) 梯形曲線(xiàn)（如圖4.10）可由四個(gè)參數(shù)a，b，c，d確定： 其中參數(shù)a和d確定梯形的“腳”，而參數(shù)b和c確定梯形的“肩膀”。 Matlab表示為：trapmf(x,a,b,c,d) 圖4.10梯

46、形隸屬函數(shù)（M=4） (5)三角形隸屬函數(shù) 三角形曲線(xiàn)（如圖4.11）的形狀由三個(gè)參數(shù)a，b，c確定： 其中參數(shù)a和c確定三角形的“腳”，而參數(shù)b確定三角形的“峰”。 Matlab表示為 trimf(x,a,b,c)圖4.11三角形隸屬函數(shù)（M=5）（6）Z形隸屬函數(shù) 這是基于樣條函數(shù)的曲線(xiàn)（如圖4.12），因其呈現(xiàn)Z形狀而得名。參數(shù)a和b確定了曲線(xiàn)的形狀。Matlab表示為 zmf(x,a,b)圖4.12 Z形隸屬函數(shù)（M=6）4.6模糊推理方法通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。但在實(shí)際模糊控制中，必須要有一個(gè)確定值才能控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值的過(guò)程稱(chēng)為反模糊化。常

47、用的反模糊化有三種：(1)最大隸屬度法 選取推理結(jié)果模糊集合中隸屬度最大的元素作為輸出值，即 ， 。 如果在輸出論域V中，其最大隸屬度對(duì)應(yīng)的輸出值多于一個(gè)，則取所有具有最大隸屬度輸出的平均值，即： N為具有相同最大隸屬度輸出的總數(shù)。 最大隸屬度法不考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀，只考慮最大隸屬度處的輸出值。因此，難免會(huì)丟失許多信息。它的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單。在一些控制要求不高的場(chǎng)合，可采用最大隸屬度法。 (2) 重心法 為了獲得準(zhǔn)確的控制量，就要求模糊方法能夠很好的表達(dá)輸出隸屬度函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。重心法是取隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，即 對(duì)于具有m個(gè)輸出量化級(jí)數(shù)的離散域情

48、況 與最大隸屬度法相比較，重心法具有更平滑的輸出推理控制。即使對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的微小變化，輸出也會(huì)發(fā)生變化。 (3)加權(quán)平均法 工業(yè)控制中廣泛使用的反模糊方法為加權(quán)平均法，輸出值由下式?jīng)Q定 其中系數(shù) 的選擇根據(jù)實(shí)際情況而定。不同的系數(shù)決定系統(tǒng)具有不同的響應(yīng)特性。當(dāng)系數(shù)取隸屬度 時(shí)，就轉(zhuǎn)化為重心法。 反模糊化方法的選擇與隸屬度函數(shù)形狀的選擇、推理方法的選擇相關(guān)Matlab提供五種解模糊化方法：（1）centroid：面積重心法；（2）bisector：面積等分法；（3）mom：最大隸屬度平均法；（4）som最大隸屬度取小法；（5）lom：大隸屬度取大法。在Matlab中，可通過(guò)setfis()設(shè)置

49、解模糊化方法，通過(guò)defuzz()執(zhí)行反模糊化運(yùn)算。5方案設(shè)計(jì)模糊PID控制器是以操作人員手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的控制規(guī)則為核心，通過(guò)辨識(shí)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過(guò)模糊推理，模糊判決，解模糊過(guò)程得到確定的控制量以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的在線(xiàn)控制。系統(tǒng)流程圖如下圖5.1所示。 圖5.1 系統(tǒng)流程圖5.1模糊PID控制器組織結(jié)構(gòu)和算法的確定 論文中，模糊PID控制器的設(shè)計(jì)選用二維模糊控制器。即以給定值的偏差e和偏差變化ec為輸入；Kp，Kd，Ki為輸出的自適應(yīng)模糊PID控制器，見(jiàn)圖5.2。 圖5.2自適應(yīng)模糊PID控制器其中PID控制器部分采用的是離散PID控制算法，如公式 ：5.2模糊PID控制器模糊部分設(shè)計(jì)

50、 5.2.1 定義輸入、輸出模糊集并確定個(gè)數(shù)類(lèi)別依據(jù)模糊PID控制器的控制規(guī)律以及經(jīng)典PID的控制方法,同時(shí)兼顧控制精度。論文將輸入的誤差(e)和誤差微分(ec)分為7個(gè)模糊集:NB(負(fù)大),NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),O(零)PS(正小),PM(正中),PB(正大)。 即模糊子集為e,ec=NB,NM,NS,O,PS,PM,PB.將輸出的KP,KD,KI也分為7個(gè)模糊集:NB(負(fù)大),NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),O(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)。 即模糊子集為KP,KD,KI=NB,NM,NS,O,PS,PM,PB。 5.2.2 確定輸入輸出變量的實(shí)際論域 根據(jù)控制要求,對(duì)

51、各個(gè)輸入,輸出變量作如下劃定:e,ec論域:-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6Kp,Kd,Ki論域:-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6應(yīng)用模糊合成推理PID參數(shù)的整定算法。第k個(gè)采樣時(shí)間的整定為Kp(k)=Kpo+Kp(k), Ki(k)=Kio+Ki(k), Kd(k)=Kdo+Kd(k)式中Kpo,Kio,Kdo為經(jīng)典PID控制器的初始參數(shù)。 為了便于系統(tǒng)輸入，輸出參數(shù)映射到論域內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，確定模糊化因子為：ke=kec=0.01；解模糊因子為K1=0.5,K2=K3=0.01。 5.2.3 定義輸入、輸出的隸屬函數(shù)誤差e

52、、誤差微分及控制量的模糊集和論域確定后,需對(duì)模糊變量確定隸屬函數(shù)。即對(duì)模糊變量賦值,確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊變量的隸屬度。參考輸入、輸出變量的變化規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、試湊。最終作如下規(guī)定:對(duì)于輸入量誤差(e),誤差微分(ec)都采用高斯型的隸屬函數(shù)(gaussmf),同時(shí)為體現(xiàn)定義的7個(gè)模糊子集,見(jiàn)圖5.3和圖5.4。 圖5.3 偏差隸屬函數(shù) 圖5.4 偏差微分隸屬函數(shù) 對(duì)于輸出量Kp變化量(Kp),Kd變化量(Kd),Ki變化量(KI)采用三角形隸屬函數(shù)(trimf),同時(shí)為體現(xiàn)定義的7個(gè)模糊子集,見(jiàn)圖5.5,5.6,5.7。圖5.5 Kp變化量隸屬函數(shù)圖5.6 Kd變化量隸屬函數(shù)圖5.7 Ki變化

53、量隸屬函數(shù)5.2.4 確定相關(guān)模糊規(guī)則并建立模糊控制規(guī)則表根據(jù)參數(shù)Kp、Ki、Kd對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況,可以歸納出系統(tǒng)在被控過(guò)程中對(duì)于不同的偏差和偏差變化率參數(shù)Kp、Ki、Kd的自整定原則:(1)當(dāng)偏差較大時(shí),為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,并防止開(kāi)始時(shí)偏差的瞬間變大可能引起的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可范圍,應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd。另外為防止積分飽和,避免系統(tǒng)響應(yīng)較大的超調(diào),Ki值要小,一般取Ki=0。 當(dāng)偏差和變化率為中等大小時(shí),為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度,Kp應(yīng)取小些。在這種情況下KD的取值對(duì)系統(tǒng)影響很大,應(yīng)取小一些,Ki的取值要適當(dāng)。 當(dāng)偏差變化較小時(shí),為了使系統(tǒng)

54、具有較好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)增大Kp、Ki值,同時(shí)為避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩,以及考慮系統(tǒng)的抗干擾能力,應(yīng)適當(dāng)選取Kd。原則是:當(dāng)偏差變化率較小時(shí),Kd取大一些;當(dāng)偏差變化率較大時(shí),Kd取較小的值,通常為中等大小。 參考以上自整定原則,總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),建立合適的關(guān)于e、ec、Kp、Kd、Ki的模糊規(guī)則,如:1.If (e is NB) and (ec is NB) then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is PS) 2.If (e is NB) and (ec is NM) then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is NS) 3.If (e is NB) and (ec is NS) then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is N