模糊控制論文VIP

1、模糊PID在溫度控制中的應(yīng)用摘要：目前大部分溫度系統(tǒng)控制方法都需要建立比較精確的數(shù)學(xué)模型，但溫度控制系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)變化的非線性特性使建立的模型精度受到一定的影響；而模糊控制技術(shù)不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型, 解決多變量非線性系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。為此，針對溫度系統(tǒng)的多變量、非線性和難建模等特性，將模糊控制與PID 控制的優(yōu)勢相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)了對溫度控制系統(tǒng)參數(shù)的有效控制。該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，遇到干擾可以進(jìn)行自我調(diào)整，具有一定的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制算法不但簡單實(shí)用，而且響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，控制效果良好。關(guān)鍵詞：模糊控制 PID 溫度控制1、引言常規(guī)PID 控制1-2由于具有原理結(jié)構(gòu)

2、簡單、魯棒性好，可靠性高，容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，成為迄今為止應(yīng)用最廣泛的控制算法，并且取得了良好的效果。然而在溫度控制系統(tǒng)中，由于被控對象具有非線性、時(shí)變、大滯后等特點(diǎn)，且受環(huán)境溫度等外界諸多因素影響較大，導(dǎo)致難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，難以確定最佳的控制器參數(shù)。此時(shí)，傳統(tǒng)的PID 控制對進(jìn)一步提高控制對象的質(zhì)量和精度遇到了極大的困難，難以獲得良好的效果。為了克服常規(guī)PID 調(diào)節(jié)器的不足，提高其性能，人們進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。模糊控制3-5是智能控制理論的一個(gè)分支，近十年來正以它全新的控制方式在控制界受到了極大的重視并得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的PID 控制方式相比，它具有特別適合于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型、

3、非線性和大滯后的過程等特點(diǎn)。但是經(jīng)過深入研究，也會發(fā)現(xiàn)基本模糊控制存在著其控制品質(zhì)粗糙和精度不高等弊病。因此，本文提出一種將模糊控制和PID 控制相結(jié)合起來，通過模糊控制實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)自適應(yīng)的方法來控制系統(tǒng)溫度。這種Fuzzy- PID 策略，模糊控制的采用不是代替PID 控制，而是對傳統(tǒng)控制方式的改進(jìn)和擴(kuò)展，它既保持了常規(guī)PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、魯棒性強(qiáng)、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，又采用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)了PID 參數(shù)、的在線自整定，兼具了模糊控制靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，相比單純的任一種控制效果都要好6-10。2、模糊控制基本理論模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)

4、的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精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)，則越能達(dá)到精確控制的目的。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)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題。一般的模糊控制系統(tǒng)包含以下五個(gè)主要部分：(1) 定義變量也就是決定程序被觀察的狀況及考慮控制的動作，例如在一般控制問題上，輸入變量有輸出誤差e與輸出誤差之變化率ec，而控制變量則為下一個(gè)狀態(tài)之輸

5、入u。其中e、ec、u統(tǒng)稱為模糊變量。(2) 模糊化（Fuzzify）將輸入值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用口語化變量來描述測量物理量的過程，依適合的語言值（Linguistic value）求該值相對之隸屬度，此口語化變量我們稱之為模糊子集合（fuzzy subsets）。(3) 知識庫包括數(shù)據(jù)庫（data base）與規(guī)則庫（rule base）兩部分，其中數(shù)據(jù)庫是提供處理模糊數(shù)據(jù)之相關(guān)定義；而規(guī)則庫則藉由一群語言控制規(guī)則描述控制目標(biāo)和策略。(4) 邏輯判斷模仿人類下判斷時(shí)的模糊概念，運(yùn)用模糊邏輯和模糊推論法進(jìn)行推論，而得到模糊控制訊號。此部分是模糊控制器的精髓所在。(5) 解模糊化（

6、defuzzify）將推論所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號，作為系統(tǒng)的輸入值。3、PID控制系統(tǒng)描述PID控制器是將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。PID控制器是一種線性控制器，它的傳遞函數(shù)為11： (1)式中：為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器各控制環(huán)節(jié)的作用：（1）比例環(huán)節(jié)能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，控制系統(tǒng)一旦產(chǎn)生偏差信號，控制器就發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最大限度地減小偏差；（2）積分環(huán)節(jié)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度；（3）微分環(huán)節(jié)的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，在偏差信號值變到太大之前

7、，控制器就產(chǎn)生一個(gè)早期修正信號指令，從而加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。4、模糊PID策略的研究眾所周知，溫度變化過程的機(jī)理是很復(fù)雜的，且溫度控制系統(tǒng)由于存在著大慣性、非線性等特性，如果采用普通的控制算法，例如PID等，試圖建立精確的數(shù)學(xué)模型是極其困難的，很難保證最后的控制效果；如果采用自適應(yīng)等控制算法，就要花費(fèi)大量的精力去分析系統(tǒng)的模型，并且由于溫度控制系統(tǒng)的模型復(fù)雜，建立模型也比較難于正確地描述系統(tǒng)的真實(shí)行為，所以采用該控制方法也不是非常合適的。溫度控制系統(tǒng)本身就是時(shí)變的、非線性的、有滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，因此無論使用經(jīng)典的PID控制還是現(xiàn)代控制理論的各種算法都很難達(dá)到滿意的控制效果。但是，對

8、于這些難以利用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)自動控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員使用手動控制卻能夠取得令人滿意的控制結(jié)果。分析一下操作人員的手動控制就不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)人的控制行為正是遵循反饋控制的思想，并且運(yùn)用了模糊的方法。模糊控制正是運(yùn)用或是模仿了人的智能行為，如果溫度控制系統(tǒng)采用模糊控制的方法，也許就能夠非常容易解決上述的問題，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的智能控制。因此確定采用模糊控制算法進(jìn)行系統(tǒng)控制。模糊控制屬于計(jì)算機(jī)控制的一種形式，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示12。圖1 模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)一般可以分為四個(gè)部分：（1）模糊控制器：實(shí)際上是一臺微型計(jì)算機(jī)，根據(jù)系

9、統(tǒng)的需要，可以選用系統(tǒng)機(jī)，也可選用單片機(jī)或ARM 等。（2）輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器的輸出信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為模擬信號，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象。（3）廣義對象：包括被控對象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控對象可以是線性或非線性的，定常的或時(shí)變的，也可以是單變量或多變量的，有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有干擾的多種情況。（4）傳感器：將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號。然而，模糊控制要有好的控制效果，必須具有較完善的控制規(guī)則。對于某些復(fù)雜的控制過程，有的時(shí)候很難總結(jié)出較完整的控制經(jīng)驗(yàn)；并且當(dāng)對象動態(tài)特性發(fā)生變化，或者受到隨機(jī)干擾影響的時(shí)候都

10、會影響模糊控制的控制效果。為了促進(jìn)模糊控制的深入研究，眾多的學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的工作，對常規(guī)模糊控制進(jìn)行了一些改進(jìn)，并且發(fā)展成為自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的模糊控制、模糊預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制等。5、模糊PID控制原理下面以溫室溫度檢測與控制為例來具體進(jìn)行說明。目前我國花卉及農(nóng)作物生產(chǎn)溫室溫度調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)，多數(shù)采用傳統(tǒng)的PLC或單片機(jī)來進(jìn)行控制，算法也采用傳統(tǒng)的PID控制算法，雖然也能滿足一定的需求，但為了適應(yīng)花卉產(chǎn)品愈來愈高的質(zhì)量要求，溫室溫度調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)一定要采用新技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、現(xiàn)代化、智能化。5.1 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可控式PID系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)兩部

11、分組成13-14，其原理如圖2所示。參數(shù)可控式PID控制器完成對系統(tǒng)的直接控制，模糊控制器實(shí)現(xiàn)對PID 3個(gè)控制參數(shù)（Kp、Ki及Kd）的在線自動修正。圖2 自適應(yīng)模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.2 PID參數(shù)調(diào)整規(guī)則數(shù)字式PID控制器一般用以下函數(shù)表示15： (2)式中：為系統(tǒng)誤差，為系統(tǒng)誤差變化量；為比例作用系數(shù)，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度；為積分作用系數(shù)，影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度；為微分作用系數(shù)，影響系統(tǒng)動態(tài)特性。通常情況下，針對不同的 和， 和的選擇遵循以下原則：（1）當(dāng) 較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，與均應(yīng)取得大些；同時(shí)，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩, 較大時(shí)，取較小值； 較小時(shí)，取值則較大。

12、（2）當(dāng) 處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小值；同時(shí)的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，也應(yīng)取較小值。（3）當(dāng) 較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能，應(yīng)取較小的與較大的。同時(shí)，為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大超調(diào)，應(yīng)限制積分作用，通常取=0。模糊PID控制器的本質(zhì)就在于通過模糊推理，根據(jù)不同的和，在線實(shí)時(shí)修訂3 個(gè)PID作用系數(shù)，即可制定出、 和的模糊控制規(guī)則。6、自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)本系統(tǒng)分為模糊PID控制區(qū)和直接控制區(qū)，控制溫度接近目標(biāo)溫度達(dá)到一定誤差限度（0.10.1）時(shí)，啟動模糊PID控制算法，使溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近。當(dāng)溫度超過上述誤差限度，采用直接控制算法。這樣即保證了系統(tǒng)的穩(wěn)

13、定性又提高了系統(tǒng)的快速性。模糊控制系統(tǒng)采用二輸入三輸出模糊控制器，輸入為溫度誤差和溫度變化，輸出為3個(gè)PID作用系數(shù)，和。6.1 溫度誤差的模糊化溫度誤差是指當(dāng)前實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度之差。在模糊控制區(qū)內(nèi)（1 e1 ）把溫度偏差分為7個(gè)模糊狀態(tài)：PB（正大偏差），PM （正中偏差），PS （正小偏差）)，0（零偏差），NS （負(fù)小偏差）、NM (負(fù)中偏差)，NB (負(fù)大偏差)。并把±1分為9個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合人類的經(jīng)驗(yàn)得出溫度誤差的隸屬度函數(shù)表，如表1所示。表1溫度誤差的隸屬度函數(shù)表 -1-0.75-0.50-0.2500.250.500.751PB000000.10.40.71.0PM000

14、00.10.40.71.00PS0000.10.40.71.000000.10.40.71.00000NB0.10.40.71.000000NM0.40.71.0000000NS1.0000000006.2 溫度變化的模糊化溫度變化是指一個(gè)采樣間隔內(nèi)的溫度變化值。類似溫度誤差模糊化，也把溫度變化分為7個(gè)模糊狀態(tài)，并把±1分為9個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合本人的試驗(yàn)得出溫度變化ec對應(yīng)的7個(gè)模糊狀態(tài)的隸屬度，其隸屬度函數(shù)如表2所示。表2溫度誤差的隸屬度函數(shù)表 -1-0.75-0.50-0.2500.250.500.751PB000000.10.40.71.0PM00000.10.40.71.00PS0

15、000.10.40.71.000000.10.40.71.00000NB0.10.40.71.000000NM0.40.71.0000000NS1.0000000003 個(gè)PID 作用系數(shù)模糊輸出也劃分為11 個(gè)模糊狀態(tài)，分別為： PB，PBM，PM，PMS，PS，0，NS，NMS，NM，NMB，NB ，對應(yīng)的模糊論域?yàn)椋?，0.8，0.6，0.4，0.2，0，0.2，0.4，0.6，0.8，16.3 模糊控制表的制定模糊推理過程必須執(zhí)行復(fù)雜的矩陣運(yùn)算,計(jì)算量非常大,在線實(shí)施推理很難滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求,本文采用查表法進(jìn)行模糊推理運(yùn)算。模糊推理決策采用雙輸人單輸出的方式，控制規(guī)則由下列推理

16、語言構(gòu)成:If is and is then is 其中、分別為、和（j=p，i，d）模糊子集。通過經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)出模糊控制器的初步控制規(guī)則，其中參數(shù)控制規(guī)則見表3。表3 模糊控制規(guī)則表PBPMPS0NBNMNSPBPBPMBPMPMSPS00PMPMBPMPMSPSPS00PSPMPMSPSPS0NSNS0PMSPSPS0NSNSNMSNBPSPS0NSNSNMSNMNMPS0NSNSNMSNMNMBNS0NSNSNMSNMNMBNB同理，利用上述方法可分別確定出和的模糊控制規(guī)則表。模糊輸出采用最大隸屬度算法計(jì)算出最終的3個(gè)PID作用系數(shù)確定值。PID控制部分根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的作用系數(shù)，輸出確定值

17、信號給變頻器控制電機(jī)組。根據(jù)實(shí)際的溫度控制結(jié)果，再反復(fù)修正、和的模糊控制規(guī)則表，直到最終達(dá)到最佳的溫度控制效果。表4為的最優(yōu)模糊控制規(guī)則表。表4 最優(yōu)模糊控制規(guī)則表PBPMPS0NBNMNSPB1.00.90.80.60.200PM0.90.70.60.40.200PS0.60.40.20.10-0.1-0.200.40.30.10-0.1-0.2-0.4NB0.20.10-0.1-0.2-0.4-0.6NM0.10-0.1-0.2-0.4-0.6-0.9NS0-0.1-0.2-0.4-0.6-0.9-1.06.4 模糊PID軟件設(shè)計(jì)流程簡述（模糊PID算法的程序流程圖見圖3所示）圖3 模糊P

18、ID 算法的程序流程圖7、 試驗(yàn)仿真結(jié)果根據(jù)大量的理論依據(jù)和實(shí)踐，得出實(shí)際系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型，通過在PC機(jī)上編程分別得出常規(guī)PID和模糊PID系統(tǒng)曲線圖，如圖4（a）和（b）所示。（a）常規(guī)PID系統(tǒng) （b）模糊PID系統(tǒng)圖4 溫度曲線圖從圖中看出模糊 PID 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對于溫室溫度的變化調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)，顯示了很好的控制效果。具體表現(xiàn)為變頻器的頻率上升和下降更為平穩(wěn)，基本沒有出現(xiàn)過采用傳統(tǒng)PID 時(shí)頻率的跳躍式上升和下降情況。從性能比較結(jié)果表5 中可以清楚的看到模糊PID 的優(yōu)勢。表5 控制性能比較參 數(shù)算 法傳統(tǒng) PID模糊 PID調(diào)節(jié)時(shí)間/s5024超調(diào)量/18.24.1靜態(tài)誤差/4.90

19、.88、結(jié)語模糊PID 控制器綜合了模糊控制與PID 控制的優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了溫度控制系統(tǒng)的遲滯、非線性等難題。系統(tǒng)可以在線自整定PID 參數(shù)，控制超調(diào)量小，魯棒性強(qiáng)。系統(tǒng)所采用的自適應(yīng)模糊 PID 控制器與傳統(tǒng)的PID 控溫技術(shù)相比，使系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用大大降低，并可節(jié)省大量的人力資源，有效地避免了人工操作的主觀性和隨意性，提高了環(huán)境測控的精度和效率。本系統(tǒng)在溫室環(huán)境的監(jiān)測與控制過程中，把模糊控制理論與技術(shù)應(yīng)用于溫度監(jiān)控與調(diào)節(jié)中，非常適合于非線性控制，且系統(tǒng)可以在線自整定PID 參數(shù)，控制超調(diào)量小，魯棒性好，對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，系統(tǒng)可根據(jù)任意的控制規(guī)則、等級數(shù)、隸屬值得出模糊控制總表，并自動實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，達(dá)到良好的控制效果。參考文獻(xiàn)：1 劉金琨先進(jìn)PID 控制MATLAB 仿真M 北京: 電子工業(yè)出版社， 20042王正林，王勝開，陳國順MATLABSimulink與控制系統(tǒng)仿真M北京：電子工業(yè)出版社，20053齊京禮,邊永青,鄭偉平,等. 基于自適應(yīng)模糊P ID 控制器的溫度控制系統(tǒng) J . 微計(jì)算機(jī)信息, 2008, 24 ( 9) : 744劉曙光,魏俊民,竺志超. 模糊控制技術(shù)M. 北京:中國紡織出版社,