電子信息與電氣工程學(xué)部智能控制論文

1、智能控制系統(tǒng)論文學(xué) 號(hào)： 31309045 姓 名： 王開祥 學(xué) 院：電子信息與電氣工程學(xué)部1緒論22 PID控制原理簡介32.1引言32.1PID控制原理32.2比例控制(P)42.3積分調(diào)節(jié)(I)52.4微分調(diào)節(jié)(D)63PID控制器應(yīng)用技術(shù)簡介83.1數(shù)字PID控制算法原理83.2位置式PDI控制算法83.3 控制規(guī)律的選擇103.4 PID控制器的參數(shù)整定104模糊PID控制器及系統(tǒng)仿真104.1模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)104.2 常規(guī)PID和模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的仿真比較114.4模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)仿真135 總結(jié)16模糊自適應(yīng)PID控制器及Simulink仿真摘要:隨著工

2、業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，于20世紀(jì)30年代，美國開始使用PID功調(diào)節(jié)器，它比直接作用式調(diào)節(jié)器具有更好的控制效果，因而很快得到了工業(yè)界的認(rèn)可。至今，在所有生產(chǎn)過程控制中，大部分的回路仍采用結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)的PID控制或改進(jìn)型PID控制策略。PID控制作為一種經(jīng)典的控制方法，幾乎遍及了整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，是實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程正常運(yùn)行的基本保證;控制器的性能直接關(guān)系到生產(chǎn)過程的平穩(wěn)高效運(yùn)行以及產(chǎn)品的最終質(zhì)量，因此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在控制器參數(shù)的整定上。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展和人工智能技術(shù)滲透到自動(dòng)控制領(lǐng)域，近年來出現(xiàn)了各種實(shí)用的PID控制器參數(shù)整定方法。PID控制算法作為最通用的控制方法，對(duì)它的參數(shù)整定

3、有許多方法;對(duì)于不同的控制要求、不同的系統(tǒng)先驗(yàn)知識(shí)，考慮用不同的方法;這些算法既要考慮到收斂性、直觀、簡單易用，還要綜合負(fù)載干擾、過程變化的影響，并能根據(jù)盡可能少的信息和計(jì)算量，給出較好的結(jié)果。為克服一自由度PID控制器無法兼顧目標(biāo)跟蹤和外擾抑制的缺點(diǎn)，結(jié)合二自由度控制器的結(jié)構(gòu)和基于幅值最優(yōu)化的控制器參數(shù)整定方法，并通過分析得到控制器參數(shù)求解公式，實(shí)現(xiàn)了二自由度PID控制器參數(shù)整定和二自由度Pl控制器參數(shù)整定。與常規(guī)控制方法相比，該方法得到的控制器具有更好的閉環(huán)響應(yīng)性能，并且由于二自由度系數(shù)的半固定性，在整定PID控制器參數(shù)之前就可以確定，因此，對(duì)控制器參數(shù)的求解難度無影響。通過仿真比較研究，

4、對(duì)于連續(xù)對(duì)象，綜合得到幾種較好的基于繼電器反饋的控制器參數(shù)整定方法，對(duì)離散采樣數(shù)據(jù)采用基于最小二乘模型辨識(shí)的參數(shù)整定方滬書尸摘要法，提出并設(shè)計(jì)基于Matlab/simulink仿真工具的PID控制器參數(shù)整定仿真應(yīng)用軟件。介紹了PID整定控制器的應(yīng)用框架、輔助設(shè)計(jì)與仿真軟件的功能、特點(diǎn)，并給出了仿真實(shí)例。關(guān)鍵詞：模糊PID控制器參數(shù)自整定 Matlab 自適應(yīng)PID控制1緒論在工業(yè)控制中，PID控制是工業(yè)控制中最常用的方法。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，并目仍將成為未來研究與應(yīng)用的重點(diǎn)技術(shù)之一。到目前為止，現(xiàn)代控制理論在

5、許多控制應(yīng)用中獲得了大量成功的范例。然而在工業(yè)過程控制中，PID類型的控制技術(shù)仍然占有主導(dǎo)地位。雖然未來的控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越寬廣、被控對(duì)象可以是越來越復(fù)雜，相應(yīng)的控制技術(shù)也會(huì)變得越來越精巧，但是以PID為原理的各種控制器將是過程控制中不可或缺的基本控制單元。本文將模糊控制和PID控制結(jié)合起來，應(yīng)用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，設(shè)計(jì)出參數(shù)模糊自整定PID控制器，并進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真。仿真結(jié)果表明，與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，該設(shè)計(jì)獲得了更優(yōu)的魯棒性和動(dòng)、靜態(tài)性及具有良好的自適應(yīng)性。隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的日趨復(fù)雜化，系統(tǒng)不可避免地存在

6、非線性、滯后和時(shí)變現(xiàn)象。其中有的參數(shù)未知或緩慢變化;有的帶有延時(shí)和隨機(jī)干擾;有的無法獲得較精確的數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙。傳統(tǒng)的PID(比例proportional，積分integral，微分derivative)控制器雖然以其結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、適應(yīng)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)成為過程控制中應(yīng)用最為廣泛最基本的一種控制器(據(jù)日本統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前工業(yè)上使用的控制中，PID控制約占91.3%，而現(xiàn)代控制理論的控制方式只有1.5%)，而且PID調(diào)節(jié)規(guī)律特別是對(duì)于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，一般都能夠得到比較滿意的控制效果，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于PID控制器各個(gè)參數(shù)的確定。然而，針對(duì)上述的復(fù)雜系統(tǒng)，如果使用常規(guī)的PID

7、控制器，其PID參數(shù)不是整定困難就是根本無法整定，因此不能得到滿意的控制效果。為此，近年來各種改進(jìn)的PID控制器如自校正、自適應(yīng)PID及智能控制器迅速發(fā)展起來。模糊控制理論無論從理論方面還是應(yīng)用方面都已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是與傳統(tǒng)控制理論相比模糊控制理論仍然顯得不夠成熟。從上面的分析我們也可以看出模糊控制的主要缺點(diǎn)就是沒有一個(gè)有效的分析和設(shè)計(jì)方法，仍然需要靠積累的專家經(jīng)驗(yàn)。2 PID控制原理簡介2.1引言PID調(diào)節(jié)器從上世紀(jì)40年代問世以來，至今已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，在這前幾十年工業(yè)過程控制中，除在最簡單的情況下可直接采用開關(guān)控制以外，PID控制一直是最主要的控制方式。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制的

8、發(fā)展，由于人們的勤勞與智慧，為PID的發(fā)展和推廣做出了巨大的貢獻(xiàn)，使之成為工業(yè)過程控制中歷史最悠久、生命力最頑強(qiáng)、應(yīng)用最廣泛的基本控制策略。就是在微處理技術(shù)迅速發(fā)展的今天，尤其隨著電子計(jì)算機(jī)的誕生以及科學(xué)技術(shù)智能化的發(fā)展，涌現(xiàn)出各種新的控制方法，然而在生產(chǎn)過程控制中仍廣泛應(yīng)用PID控制或改變了形式的PID控制策略。以上足以說明PID控制在自動(dòng)控制的發(fā)展過程當(dāng)中，已具有不可替代的地位，并仍將成為今后新型控制策略中，具有主導(dǎo)地位的必要組成部分。PID控制之所以在生產(chǎn)過程中普遍采用，主要由于它具有良好的控制性能、魯棒性好、可靠性高;控制算法簡單、使用方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。2.1PID控制原理PID控制是

9、偏差比例(P)、偏差積分(I)、偏差微分(D)控制的簡稱。在模擬控制系統(tǒng)中，常規(guī)模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖(如圖2-1)所示。系統(tǒng)由模擬PID控制(虛框內(nèi)部分)和被控對(duì)象組成。如圖2-1模擬PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成偏差公式（2-1）將偏差比例、積分和微分控制，通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為公式（2-2）其傳遞函數(shù)形式為公式（2-3）式中 KP比例系數(shù)TI積分時(shí)間常數(shù)TD微分時(shí)間常數(shù)2.2比例控制(P)如圖2-3 比例電路公式（2-7）公式（2-8）在比例調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u

10、與偏差信號(hào)e成正比例，即公式（2-9）其中KP稱為比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)即及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是簡單、快速，對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象可能產(chǎn)生靜差(自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值);而對(duì)于帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也隨之降低。增大比例系數(shù)KP，可以加快響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而有利于提高控制精度。然而KP取的過大，系統(tǒng)開環(huán)增益也隨之加大，一般將導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低甚至激烈震蕩(也有一些系統(tǒng)，其穩(wěn)定性隨KP增大反而變好。此時(shí)，如果殘差過大，則需要通過其它途徑解決)。減小比例系數(shù)KP，能使

11、系統(tǒng)減少超調(diào)量，穩(wěn)定裕度增大，卻同時(shí)降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，導(dǎo)致過度過程時(shí)間延長。根據(jù)系統(tǒng)控制過程中各個(gè)不同階段對(duì)過渡過程的要求以及操作者的經(jīng)驗(yàn)，通常在控制的初始階段，適當(dāng)?shù)陌袺P放在較小的檔次，以減小各物理量初始變化的沖擊;在控制過程中期，適當(dāng)加大KP，以提高快速性和動(dòng)態(tài)精度，而到過渡過程的后期，為了避免產(chǎn)生大的超調(diào)和提高靜態(tài)精度穩(wěn)定性，又將KP調(diào)小。2.3積分調(diào)節(jié)(I)2-4 積分電路公式（2-10）公式（2-11）公式（2-12）2-5微分電路在積分調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u的變化速度與偏差信號(hào)e。成正比，即公式（2-13）或公式（2-14）式中TI稱為積分時(shí)間常數(shù)?？梢娖钜坏┊a(chǎn)生，控制

12、信號(hào)不斷增大，偏差信號(hào)消失后，控制信號(hào)保持原值，顯然，在已知TI為常數(shù)的情況下，控制信號(hào)為常數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)e=O，即對(duì)于一個(gè)帶積分作用的控制器而言，如果它能夠使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到內(nèi)穩(wěn)，并存在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，則此時(shí)對(duì)設(shè)定值r的跟蹤必然是無靜差的。積分調(diào)節(jié)主要用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是，它相當(dāng)于滯后校正環(huán)節(jié)，因此如相位滯后，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。積分作用雖然可以消除靜差，但不能及時(shí)克服靜差，偏差信號(hào)產(chǎn)生后有滯后現(xiàn)象，使調(diào)節(jié)過程緩慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。TI越大積分速度越慢，TI越小積分速度越快。即積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反

13、之則越強(qiáng)。增大積分作用即減小TI有利于減小系統(tǒng)靜差，但過強(qiáng)的積分作用會(huì)使超調(diào)過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降甚至引起振蕩。減小積分作用即增大TI，雖然有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，避免振蕩，減小超調(diào)量，但又對(duì)系統(tǒng)消除靜差不利。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，通常在調(diào)節(jié)過程的初期階段，為防止由于某些因素引起的飽和非線性等影響而造成積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)量，積分作用應(yīng)弱些，而取較大的TI;在響應(yīng)過程的中期，為避免對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性造成影響，積分作用應(yīng)適中;在過程后期，應(yīng)以較小的TI值以減小系統(tǒng)靜差，提高調(diào)節(jié)精度。2.4微分調(diào)節(jié)(D)公式（2-15）公式（2-16）公式（2-17）實(shí)際中也有PI和PD控制器。PID控制

14、器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計(jì)算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中如公式（2-18）和（2-19）:u(t)=Kp(e(t)+Td+) 公式（2-18）U(s)=+E(s) 公式（2-19）公式中U(s)和E(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，其中、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。在微分調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器的輸出u與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，既公式（2-20）其中TD稱為微分時(shí)間常數(shù)?？梢娢⒎肿饔幂敵鲋慌c偏差變化有關(guān)，偏差無變化就無控制信號(hào)輸出，所以不能消除靜差。調(diào)節(jié)器中增加微分作用相當(dāng)于使控制輸出超前了TD時(shí)間，TD為零時(shí)，相當(dāng)于沒有微分作用。

15、微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是，針對(duì)被控對(duì)象的大慣性改善動(dòng)態(tài)特性，它能給出響應(yīng)過程提前制動(dòng)的減速信號(hào)，相當(dāng)于其具有某種程度的預(yù)見性。它有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。3PID控制器應(yīng)用技術(shù)簡介3.1數(shù)字PID控制算法原理隨著計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)逐漸被數(shù)字控制方式所取代。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)算法程序來實(shí)現(xiàn)的，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。3.2位置式PDI控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量

16、，因此公式（3-1）中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換:公式（3-1）式中T為采樣周期，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即略去了T。將(3-1)代入(2-2)，可得離散的PID表達(dá)式為公式（3-2）或公式（3-3）式中u(k)-第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)-第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)-第令(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KI-

17、積分系數(shù)，KI=KD-微分系數(shù)，由Z變換性質(zhì)得式(3-5)的Z變換式為公式（3-5）由式(3-6)便可得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為公式（3-6）數(shù)字PID控制器(如圖3-1)所示。3-1數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)圖3.3 控制規(guī)律的選擇由以上論述可知，無論采用常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器還是數(shù)字調(diào)節(jié)器均可實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，但為了得到滿意的控制效果，有時(shí)需要在控制過程中根據(jù)對(duì)象特性和負(fù)荷情況，合理選擇控制規(guī)律。尤其是數(shù)字PID控制器算法簡單，控制參數(shù)整定方便，并且其參數(shù)KP、TI、TD和T相對(duì)獨(dú)立，要求計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量比較小。所以采用數(shù)字PID控制器在線修改控制方案就能輕而易舉的達(dá)到選擇不同控制規(guī)律的要求3.

18、4 PID控制器的參數(shù)整定數(shù)字PID控制中一個(gè)至關(guān)重要的問題，就是控制器參數(shù)(比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間和采樣周期T)的整定?？刂葡到y(tǒng)參數(shù)整定好壞，不但直接影響控制器的調(diào)節(jié)品質(zhì)，而且還會(huì)影響到控制器的魯棒性。自從產(chǎn)生PID控制以來，人們始終關(guān)注的重要問題之一，就是PID控制器參數(shù)整定問題。4模糊PID控制器及系統(tǒng)仿真4.1模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，讓計(jì)算機(jī)把人的經(jīng)驗(yàn)形式化、模型化，根據(jù)所取得的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出判決，并將其轉(zhuǎn)化為精確量，作為饋送到被控對(duì)象(或過程)的控制作用。模糊控制表是模糊控制算法在計(jì)算機(jī)中的表達(dá)方式，它是根據(jù)輸入輸出的

19、個(gè)數(shù)、隸屬函數(shù)及控制規(guī)則等決定的。日的是把人工操作控制過程表達(dá)成計(jì)算機(jī)能夠接受，并便于計(jì)算的形式。模糊控制規(guī)則一般具有如下形式:If e = Ai and ec = Bithen u= Ci ,i=1,2,其中e,ec和u分別為誤差變化和控制量的語言變量，而Ai、Bi、Ci為其相應(yīng)論域上的語言值。應(yīng)用模糊推理的方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，設(shè)計(jì)出參數(shù)模糊自整定PID控制器。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法使控制系統(tǒng)的性能明顯改善。自適應(yīng)模糊PID控制器是在PID算法的基礎(chǔ)上，以誤差e和誤差變ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，來滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)

20、自整定的要求。利用模糊規(guī)則在線對(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)框圖如圖4-1所示。4-1 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖PID糊自整定是找出PID參數(shù)(KP、KI、KD）與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，模糊控制的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)3個(gè)參數(shù)KP、KI、KD,分別整定的模糊規(guī)則表。4.2 常規(guī)PID和模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的仿真比較利用MATLAB中的simulink工具箱和模

21、糊邏輯工具箱可以對(duì)經(jīng)典PID控制系統(tǒng)和模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，公式（4-1）4.3常規(guī)PID控制系統(tǒng)仿真在MATLAB中，構(gòu)建PID控制系統(tǒng)仿真的模型如圖4-2所示。利用穩(wěn)定邊界法、按以下步驟進(jìn)行參數(shù)整定:4-2 PID控制系統(tǒng)仿真模型將積分、微分系數(shù)TI=inf ,TD=0，KP置較小的值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運(yùn)行，若系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行，則選擇其他的校正方式。逐漸增大KP, 直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即臨界振蕩過程，記錄此時(shí)臨界振蕩增益KC臨界振蕩周期TC。按照經(jīng)驗(yàn)公式:，,。整定相應(yīng)的PID參數(shù)，然后進(jìn)行仿真校驗(yàn)。等幅振蕩時(shí): KC=12.8，TC=25-10=15臨界穩(wěn)定法整定后參數(shù)：KP

22、= 7.6800 ； Ti= 7.5 Td= 2，得到 KI=1,KD=15等幅振蕩如圖4-3，4-3 系統(tǒng)等幅振蕩圖臨界振蕩整定法整定后圖形如4-4 傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果4.4模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)仿真首先利用F IS圖形窗口創(chuàng)建1個(gè)兩輸入（e、ec）和三輸出（KP、KI、KD）的Mamdani推理的模糊控制器，如圖4-5設(shè)輸入（e、ec）的論域值均為（-6,6），輸出（KP、KI、KD）的模糊論語為（-3,3），取相應(yīng)論域上的語言值為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中（PM）和正大（PB），而令所有輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均為trinf如圖4-6，