模糊PID及PID對不同階次系統(tǒng)仿真對比

1、. PID控制與模糊控制簡介1、PID控制的簡介PID控制通常是在控制過程中，將系統(tǒng)給定值與輸出值的差運算后得到偏差，并且將偏差的比例、積分、微分通過線性組合得到控制量，該控制量用作對被控對象進展控制。在傳統(tǒng)PID控制的應用中，它的三個參數(shù)隨著控制對象的不同往往自身的取值有著很大的差異。但對于*一確定的控制系統(tǒng)來說，一旦確定了三個參數(shù)，則在控制過程中，三個參數(shù)不會自適應的發(fā)生變化。參數(shù)的設置往往是根據操作人員的經歷，或者通過實驗，不斷地調試出最正確的一組參數(shù)。也可以借助齊格勒-尼科爾斯公式求得參數(shù)的具體數(shù)值。自從PID控制方法誕生，到現(xiàn)在也將近有70年的歷史，屬于較早的控制策略，可見其已經開展

2、成熟。同時它也具有構造簡單、工作可靠、穩(wěn)定性好、調整方便等特點，這些特點充分反響了PID控制自身的優(yōu)良品質，這因如此，PID控制也成為廣泛應用的控制策略之一。綜合地說，PID控制的優(yōu)點主要表達在以下四個方面： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT PID控制方法由于其自身控制原理簡單，實現(xiàn)起來比擬方便，此外，它還是一種能滿足多數(shù)控制系統(tǒng)的控制方式。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT PID控制方法有著詳細的參考資料，可供研究人員參考借鑒。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 對于*些控制系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求不是很高，而更注重控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性時，PID控

3、制能保證在實現(xiàn)同樣的控制效果而開銷較小。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT PID控制方法能夠保證系統(tǒng)具有較強的魯棒性，對外界環(huán)境的變化能夠保證自身穩(wěn)定的特性。雖然具有這么多的優(yōu)點，但PID控制在控制品質上也存在局限性。具體來說，主要表達在以下幾個方面： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT PID控制自身算法的簡單性使得PID控制更適合用于單輸入-單輸出控制系統(tǒng)，而不適合在處理大滯后、時變系統(tǒng)等較難控制的對象。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT PID控制不能自適應的改變其控制參數(shù)，針對不同時刻的控制不能合理的改變控制作用。 = 3 * GB3 * ME

4、RGEFORMAT 構造的簡單性，使得PID控制不能抑制擾動的不同需求。2、PID控制根本原理PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1.1所示：圖1.1 PID控制原理圖PID控制器是一種線性控制器，其調節(jié)原理為：根據給定值期望值與實際輸出值進展差運算得到控制偏差，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進展控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：1.1式中：是系統(tǒng)的期望值與實際值的偏差-比例系數(shù)-積分時間常數(shù)-微分時間常數(shù)3、PID控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響PID控制的作用相對獨立，既可以分開使用，也可以同時使用，但通常來說，積分控制和微分控制都會與比例控制相結合后再使

5、用，組成PI控制器、PD控制器或者PID控制，再對系統(tǒng)實施控制。一般地，PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)性能影響如下： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 比例系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響比例系數(shù)能及時地反映出控制系統(tǒng)的偏差，當偏差出現(xiàn)時，比例環(huán)節(jié)將會產生作用，使系統(tǒng)偏差向其變化的相反方向變化，以此來減小偏差，當比例系數(shù)增大，系統(tǒng)的輸出響應的快速性就會提高。但不能太大，過大的能夠使得系統(tǒng)的輸出響應的超調量變得過大，而且，還會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能造成系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 積分系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響積分控制能夠消除系統(tǒng)的靜差，從而對系統(tǒng)的控制精度有著重要

6、作用。越大，積分作用越弱，反之則越強。適宜的積分系數(shù)能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)的超調量。但不適合太大，以防產生振蕩。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 微分系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分作用能產生超前的修正作用。也就是說，在偏差還未形成之前，就可以消除偏差，因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)定性。越大，微分作用越強，反之則越弱。此外，微分作用具有噪聲放大的作用，抗干擾能力會減弱。此外，微分作用反映的是誤差變化率，當偏差為零時，就不存在微分作用。4、PID控制參數(shù)的整定方法PID參數(shù)整定是PID控制的核心局部，因為參數(shù)的選取的好壞直

7、接影響到控制效果。因此，對于確定的控制系統(tǒng)來說，PID參數(shù)的整定也是一個困難的工作。PID參數(shù)整定的方法有很多種，也有不同的分類方法，通常來說，PID參數(shù)控制可以分為經歷法、工程整定法和試湊法。1經歷法PID參數(shù)不唯一，因此，在實際工作中，由于被控對象的動態(tài)性能不是很容易確定，或者即使確定了，計算量與工作量也常常較大，效率就會降低很多。因此，在實際過程中采用的經歷法，大大提高效率。2工程整定法一般地，對于被控量是流量的話，一般不用微分控制，的取值為1-2.5，的取值為0.1-1；對于壓力的控制，一般不用微分控制，的取值為，的取值為0.4-3；對于液位控制通常只需要比例控制，不用積分控制與微分控

8、制，取值為1.25-5。在此根底上，可以通過反復的改變參數(shù)調試，確定最終的參數(shù)準確值。3試湊法在確定比例系數(shù)時，先將PID的積分、微分項去掉，輸入值設定為允許輸出的最大值的60%-70%，此外，讓由0開場慢慢增加，直到出現(xiàn)振蕩，然后再使慢慢減小，直到系統(tǒng)振蕩剛剛消失。所用的值即為此時的60%-70%。在確定比例系數(shù)后，此時，將積分時間常數(shù)設置成一個較大的值，然后逐漸減小，出現(xiàn)振蕩后，開場增大的值，直到系統(tǒng)振蕩消失。所用的值即為此時的值得150%-180%。微分時間常數(shù)的選擇方法與的方法一樣，取最后不振蕩值的30%左右。當然，對于不需要微分作用的控制系統(tǒng)，可以直接設置微分時間常數(shù)為零。5、模糊控

9、制簡介模糊控制是智能控制的主要類型之一，它是建立在模糊數(shù)學的根底上的。1965年，創(chuàng)立的模糊集合論，這是模糊控制的根本，為模糊控制奠定了根底。70年代中期，為代表的一批學者提出模糊控制的概念。標志著模糊控制的誕生。自七十年代以后，已有很多模糊控制的應用取得成功。模糊控制有著如下的特點： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的控制。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 對被控對象的數(shù)學模型沒有要求。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 其控制思想符合人們的思維特點，容易被人所承受。 = 4 * GB3 * MERGEFO

10、RMAT 模糊控制應用于控制系統(tǒng)時，能讓系統(tǒng)具有較好魯棒性，且構造簡單。正因有如此多優(yōu)點，近年來，模糊控制在理論上、技術上、應用上取得了巨大的進步，成為控制領域一個重要組成。其應用也變的越來越廣泛，從最初的應用在工業(yè)控制中也慢慢的應用在我們日常生活中，例如有模糊空調、模糊微波爐、模糊洗衣機等，同時也將模糊控制的思想應用到機器人控制等。6、模糊控制的原理模糊控制的根本也是一中自動控制，只是在傳統(tǒng)自動控制的根底上將模糊數(shù)學與模糊邏輯推理理論也應用到其中。在模糊控制中，它所進展的仍然是明確的工作，而且更加的貼切人的思維模式，是對于一些較難或無法構造數(shù)學模型的控制系統(tǒng)來說是一種切實可行的方法。模糊控制

11、系統(tǒng)的組成如下列圖2.1所示：圖1.2 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)一般可分為以下五個局部： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 模糊控制器它是模糊控制系統(tǒng)的核心局部。它的根底是模糊邏輯推理。通常來說，模糊控制器的功能主要有模糊化處理、模糊控制的推理與決策、反模糊化處理。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 輸入-輸出接口輸入-輸出接口作用是將系統(tǒng)的輸入量輸入到模糊控制器中，并將來自模糊控制器的輸出信號經過轉換，然后通過執(zhí)行機構作用于被控對象。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 執(zhí)行構造包括各種交、直流電動機、步進電動機、加熱裝置等。 = 4 * GB3

12、 * MERGEFORMAT 被控對象即在控制系統(tǒng)中，由執(zhí)行機構所作用的器件或裝置。被控對象的分類有很多種，按照其確定性可以分為確定的與不確定的，按照其輸入變量的個數(shù)可以劃分為單變量的或多變量的，按照有無滯后可以劃分為有滯后或是無滯后的，按照線性程度可以劃分為線性的和非線性的等。 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 檢測裝置也就是傳感器機構，它能通過自身與被測裝置的聯(lián)系，將感受到被測量的信息如速度、加速度、溫度、壓力等按照一定規(guī)律變換成為電信號的形式或其他形式的信息輸出，以滿足控制要求。因此，它是實現(xiàn)檢測和控制的首要環(huán)節(jié)。此外，傳感器的好壞在模糊控制中也起著很重要影響，傳感器的精度

13、會直接影響整個模糊控制系統(tǒng)的精度，進而會影響到控制系統(tǒng)的控制效果。在整個控制的過程中，模糊控制器是整個模糊控制的核心，其根本組成如下列圖1.3所示：圖1.3 模糊控制器的組成模糊控制的根本思想如圖所示。給定值通過與檢測裝置所返回的值進展差運算后得到偏差，偏差再通過輸入接口進入模糊控制器，再進展模糊化操作，將輸入量轉化成模糊量，將模糊量用模糊語言來表示。接著利用模糊控制規(guī)則進展模糊推理與決策操作。最后進展反模糊化操作，得到準確輸出量，輸出量作用于執(zhí)行機構，執(zhí)行機構根據輸出量的不同，對被控對象施加不同的控制作用。從而對于系統(tǒng)的控制到達模糊控制的效果。綜上所述，模糊控制過程可概括為以下四個步驟： =

14、 1 * GB3 * MERGEFORMAT 根據本次采樣得到的系統(tǒng)的返回值，與給定量差運算后計算所選擇系統(tǒng)的輸入量； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 將輸入量經過模糊化操作轉化成模糊量，同時確定語言變量、語言值、模糊論域、模糊控制規(guī)則； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 根據輸入量模糊量及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理與決策得到輸出量控制量模糊量； = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 由模糊控制器的輸出控制量模糊量，經過反模糊化操作得到準確量，并作用于執(zhí)行機構。模糊PID控制的原理模糊自適應整定PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1.4所示：圖1.4 模糊自適應

15、PID控制原理圖圖中可以看出，模糊自適應整定PID控制即利用期望值與實際值之間的偏差和偏差變化率作為模糊控制器的輸入，再利用模糊規(guī)則和推理來對PID參數(shù)進展在線調整的控制方式，模糊控制器輸出量、。其中調整的參數(shù)、分別為PID控制中的比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)。問題簡介與解決方案利用PID控制和模擬PID控制調節(jié)PID參數(shù)使其能控制三個不同的對象，并比照PID控制與模糊PID控制。三個不同的的傳遞函數(shù)為：12.122.232.3其控制構造如下列圖2.1所示：圖2.1 系統(tǒng)控制構造其中，u(k) =1,m(k)=noise+0.2;系統(tǒng)仿真1、模糊語言變量確實定根據一般模糊控制器及溫控系統(tǒng)的特性

16、，本文設計的模糊PID控制器以偏差和偏差變化率作為輸入量。PID的三個參數(shù)，作為模糊控制器的輸出量。和的模糊語言變量分別為E和EC，定義了NB負大、NM負中、NS負小、ZO零、PS正小、PM正中、PB正大七個語言值，輸入變量E模糊論域取-3,3，EC模糊論域同樣取-3,3。整定后的輸出變量，定義了四個語言值，分別為ZO零、PS正小、PM正中、PB正大。輸出變量的模糊論域分別為取-3,3，取0.06，0.06，取-3,3。再根據實際論域與模糊論域的比擬，我們可以得到各變量的量化因子與比例因子，分別取。2、各變量隸屬函數(shù)確實定隸屬函數(shù)，即模糊集合的特征函數(shù)。同樣，對于一個具體的模糊集合來說，隸屬函

17、數(shù)也表達了具體的模糊性。因此，隸屬函數(shù)的選取對于模糊控制器的構建以及對于控制系統(tǒng)的控制效果至關重要。通常，隸屬函數(shù)可以分為線性與非線性兩種，線性隸屬函數(shù)有梯形隸屬函數(shù)和三角形隸屬函數(shù)；非線性隸屬函數(shù)如鐘型、柯西型、正態(tài)型和Gauss型等。對于隸屬函數(shù)的建立，通常也具備以下幾個原則： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 隸屬函數(shù)的模糊集合要凸模糊集合； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 隸屬函數(shù)的圖形一般說來都是平衡對稱的； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 隸屬函數(shù)不允許違背人們的正常思維，不允許有不適宜的重疊區(qū)域出現(xiàn)； = 4 * GB3 * MERG

18、EFORMAT 隸屬函數(shù)重疊局部的點的隸屬度之后要小于等于1； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 論域中的每個點都至少對應于隸屬函數(shù)區(qū)域；根據對于溫控系統(tǒng)來說，確定各變量、的隸屬函數(shù)如圖所示。圖3.1 輸入變量E的隸屬函數(shù)圖3.2 輸入變量EC的隸屬函數(shù)圖3.3 輸出變量的隸屬函數(shù)圖3.4 輸出變量的隸屬函數(shù)圖3.5 輸出變量的隸屬函數(shù)3、模糊PID參數(shù)自整定根本原則在對于不同的偏差的絕對值|和偏差變化率的絕對值|被控過程中，根據專家經歷，可以對模糊控制器的輸出量，的自整定簡單的概括出出以下規(guī)律： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 當偏差的絕對值|較大時，鑒于動態(tài)響

19、應的要求，的取值應該偏大；此時，為了防止偏差變化率的絕對值|突然變得很大，的取值應該偏??；同樣，為了系統(tǒng)的輸出響應曲線的的超調量過大，適合取較小值，通常取0； = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 當偏差的絕對值|處于中等大小時，鑒于超調量的要求，的取值應該偏小，需取一個恰當?shù)闹担淮藭r取值相對來說對于系統(tǒng)的影響較大，應該取一個適宜的值，以保證系統(tǒng)有著較好的響應； = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 當偏差的絕對值|較小時，鑒于穩(wěn)定性的要求，與的取值都應取較大些；同時，為防止出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，應恰當?shù)剡x取值，通常，當偏差變化率的絕對值|較大時，取較小值，當偏差變化率的絕對值|值較小時，取較大值；4、模糊控制規(guī)則依據模糊PID參數(shù)自整定根本原則，同時借助人們對溫度控制的經歷知識，以及結合在對