自適應模糊PID控制課件

SPLSTemplatesSPLSTemplates自適應模糊PID控制器的設(shè)計與研究SPLSTemplatesSPLSTemplates1引言

常規(guī)PID控制由于原理簡單、使用方便、適用性好、具有很強的魯棒性,在工業(yè)過程控制中得到了廣泛的應用,但是PID控制需要建立被控對象精確的數(shù)學模型,難以處理復雜的非線性控制系統(tǒng)。而模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機數(shù)字控制算法,該算法把人的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為控制策略,對那些時變的、非線性的、滯后的、高階大慣性的被控對象,具有良好的控制效果。

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通過以上分析可知,對于復雜的非線性系統(tǒng),只采用常規(guī)PID控制或普通模糊控制都難以達到滿意的效果。本文采用的自適應模糊PID控制器,有機地將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來,當誤差小于某一閾值e0時,采用PID控制,以提高系統(tǒng)的控制精度;當誤差大于某一閾值e0時,采用模糊控制,以提高系統(tǒng)響應速度,加快響應過程,抑制超調(diào)。自適應模糊PID控制器的原理如圖1所示。這種復合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化成PID控制，二SPLSTemplatesSPLSTemplates者的轉(zhuǎn)換由微機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。這種改進的控制方法的出發(fā)點主要是因為模糊控制器本身消除其穩(wěn)態(tài)誤差的能力比較差，難以達到較高的控制精度。SPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplates2模糊控制系統(tǒng)模糊系統(tǒng)是一種基于知識或基于規(guī)則的系統(tǒng)。它的核心就是由所謂的IF-THEN規(guī)則所組成的知識庫。一個模糊的IF-THEN規(guī)則就是一個用連續(xù)隸屬度函數(shù)對所描述的某些句子所做的IF-THEN形式的陳述。構(gòu)造一個模糊系統(tǒng)的出發(fā)點就是要得到一組來自于專家或基于該領(lǐng)域知識的模糊IF-THEN規(guī)則，然后將這些規(guī)則組合到單一系統(tǒng)中。不同的模糊系統(tǒng)可采用不用的組合原則。SPLSTemplatesSPLSTemplates

模糊控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于模糊控制器的設(shè)計。模糊控制器的設(shè)計主要有三個部分:

(1)輸入量的模糊化

(2)模糊邏輯推理(3)反模糊化過程SPLSTemplatesSPLSTemplates

2.1輸入量的模糊化

所謂模糊化(Fuzzification)就是先將某個輸入測量量的測量值作標準化處理,把該輸入測量量的變化范圍映射到相應論域中,再將論域中的各輸入數(shù)據(jù)以相應的模糊語言值的形式表示,并構(gòu)成模糊集合。這樣就把輸入的測量量轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊語言變量。SPLSTemplatesSPLSTemplates

2.2模糊邏輯推理根據(jù)事先已定制好的一組模糊條件語句構(gòu)成模糊規(guī)則庫,運用模糊數(shù)學理論對模糊控制規(guī)則進行推理計算,從而根據(jù)模糊控制規(guī)則對輸入的一系列條件進行綜合評估,以得到一個定性的用語言表示的量,即模糊輸出量。完成這部分功能的過程就是模糊邏輯推理過程。SPLSTemplatesSPLSTemplates

2.3反模糊化過程

反模糊化(Defuzzification)有時又叫模糊判決。就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為能夠直接控制執(zhí)行部件的精確輸出量的過程。SPLSTemplatesSPLSTemplates3模糊控制器的結(jié)構(gòu)

3.1模糊化方法的選擇與確定

所謂模糊化,就是把變量數(shù)值變成模糊語言變量的語言值。根據(jù)人們的習慣，常將相比的同類事物分為“大”，“中”，“小”或“中”，“高”，“低”等3個等級，故操作者對誤差及其變化率以及控制量的變化，也常采用這種等級的模糊概念?？紤]到變量的正，負性，一般在設(shè)計模糊控制器時，人們對于誤SPLSTemplatesSPLSTemplates差、誤差變化率和控制量的變化等語言量，常用“正大”（PB)、“正中”（PM)、“正小”（PS)、“零”（Z）、“負小”（NS)、“負中”(NM)、和“負大”（NB）這7個語言變量來描述。每一個對象對應一個模糊子集，其隸屬度函數(shù)有多種選擇。本文使用三角形分布,控制器的輸入為偏差e和偏差的變化率ec，輸出變量為控制量u，相應的模糊集分別為E、EC和U，它是一個雙輸入單輸出的二維模糊控制器。SPLSTemplatesSPLSTemplates輸入量E量化論域:-6～6模糊態(tài):NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB．輸入量EC量化論域:-6～6模糊狀態(tài):NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB．輸出量U量化論域:-7～7模糊狀態(tài):NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB．SPLSTemplatesSPLSTemplates3.2模糊控制規(guī)則的建立

確定語言控制規(guī)則是模糊控制設(shè)計的核心工作，規(guī)則的形式很多，象計算機程序設(shè)計語言常用的“If…then…”條件語句?？刂埔?guī)則的多少可視輸入輸出物理量數(shù)目及所需的控制精度而定。本文有兩個輸入量，其中一個輸入量有8種模糊態(tài)，另一個是7種模糊態(tài)，所以共有56種模糊控制規(guī)則。SPLSTemplatesSPLSTemplates由專家經(jīng)驗得到的模糊控制規(guī)則表如下所示：SPLSTemplatesSPLSTemplates4仿真試驗

采用MATLAB中的SIMULINK對其進行仿真。SIMULINK模塊庫中提供了建立系統(tǒng)模型所需的大部分模塊。系統(tǒng)的模型建好后，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的不同需要，設(shè)置或更改模塊的參數(shù)，然后打開仿真菜單，設(shè)置仿真參數(shù)，起動仿真過程，仿真結(jié)束后用戶可以通過輸出示波器或plot繪圖函數(shù)觀察系統(tǒng)的仿真輸出。SPLSTemplatesSPLSTemplates

在MATLAB菜單窗口中輸入命令fuzzy可進入FIS編輯器，在FIS編輯器中可以設(shè)置輸入、輸出變量的模糊隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則。隸屬度函數(shù)有三角形、梯形、高斯形等不同種類。如下圖所示：SPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplates輸入及輸出的隸屬度函數(shù)SPLSTemplatesSPLSTemplates隸屬度函數(shù)曲面SPLSTemplatesSPLSTemplates根據(jù)模糊控制表規(guī)則，在FIS中輸入這些規(guī)則得：SPLSTemplatesSPLSTemplates

根據(jù)模糊控制規(guī)則表，在MATLAB的FIS編輯器中建立起模糊推理系統(tǒng)，在SIMULINK中建立系統(tǒng)的仿真圖，設(shè)置量化因子Ke=3，Kec=0.1，Ku=1，PID參數(shù)Kp=15，Ki=1，Kd=2。在選擇開關(guān)的設(shè)置中，將參數(shù)“Threshold”設(shè)置為0.1，這樣當偏差|e|>=0.1時，開關(guān)Switch只接通Fuzzy控制器；當|e|<0.1時，開關(guān)Switch只接通PID控制器SPLSTemplatesSPLSTemplates

完成各部分的參數(shù)設(shè)置后，點擊仿真在示波器中觀看系統(tǒng)的階躍響應曲線。SPLSTemplatesSPLSTemplatesPID子系統(tǒng)SPLSTemplatesSPLSTemplates自適應模糊PID控制階躍響應SPLSTemplatesSPLSTemplates純模糊控制階躍響應SPLSTemplatesSPLSTemplates純PID控制階躍響應SPLSTemplatesSPLSTemplates各參數(shù)比較SPLSTemplatesSPLSTemplates上三種算法的性能參數(shù)比較?？梢钥闯?模糊自適應PID控制具有較小的超調(diào)量,較短的調(diào)節(jié)時間,良好的動、靜態(tài)特性,更好的適應性和魯棒性,優(yōu)于常規(guī)PID控制和普通模糊控制。SPLSTemplatesSPLSTemplates5結(jié)論針對復雜的非線性控制系統(tǒng),本文設(shè)計了一種自適應模糊PID控制器,并總結(jié)了這種控制器的特點以及參數(shù)設(shè)計規(guī)律。通過仿真表明,這種新型的控制器是一種設(shè)計簡單、實現(xiàn)方便、性能良好的智能控制器,具有動態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高、抗干擾性能好及魯棒性較強等特點,適用于非線性、時變、強干擾的不確定復雜系統(tǒng)。SPLSTemplatesSPLSTemplates參考文獻:

[1]熊均泉,戴果華,佘致廷.基于Matlab的退火爐溫度模糊PID控制的仿真研究[J].中國儀器儀表,2005,5:80-82.