模糊自適應(yīng)整定PID控制課件

模糊自適應(yīng)整定模糊自適應(yīng)1PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點,尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天,工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有近90%的回路在應(yīng)用PID控制策略。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)2PID控制中一個關(guān)鍵的問題便是PID參數(shù)的整定。但是，在實際的應(yīng)用中，大多數(shù)工業(yè)過程都不同程度地存在非線性、參數(shù)時變性和模型不確定性，因而，一般的PID控制無法實現(xiàn)對這樣的過程的精確控制。PID控制中一個關(guān)鍵的問題便是PID參數(shù)的整定3模糊控制對數(shù)學(xué)模型的依賴性弱，不需要建立過程的精確數(shù)學(xué)模型。因此，針對PID控制和模糊控制的各自特點，國內(nèi)外學(xué)者分別采用不同的方法將模糊控制與PID控制相結(jié)合，研究出了多種模糊PID控制器。模糊控制對數(shù)學(xué)模型的依賴性弱，不需要建立過程的4模糊自適應(yīng)整定PID控制的概念：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(如評價指標、初始PID參數(shù)等)作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。模糊自適應(yīng)整定PID控制的概念：5PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)該定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差：PID的控制規(guī)律連續(xù)情況：式中,kp為比例系數(shù);TI為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù)PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)該定值6離散情況：式中,ki=kp.T/TI,kd=kp.T/TD,T采樣周期,k為采樣序號離散情況：式中,ki=kp.T/TI,kd=k7模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差e和誤差變化ec8圖1自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)圖1自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)9

PID參數(shù)模糊自整定是找出PID3個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理對3個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e和ec是對控制參數(shù)的不同要求，而使對象有良好的動、靜態(tài)性能。PID參數(shù)模糊自整定是找出PID3個參數(shù)與e10

從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，的作用如下：（1）比例系數(shù)kp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。（2）積分作用ki系數(shù)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分作用kd系數(shù)的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)11表1PID調(diào)節(jié)參數(shù)與系統(tǒng)時間域性能指標間的關(guān)系參數(shù)名稱上升時間超調(diào)量過渡過程時間靜態(tài)誤差Kp減小增大微小變化減小Ki減小增大增大消除Kd微小變化減小減小微小變化表1PID調(diào)節(jié)參數(shù)與系統(tǒng)時間域參數(shù)名稱上升時間超調(diào)量12模糊控制器的設(shè)計1語言變量隸屬度函數(shù)的確定模糊控制器采用兩輸入三輸出的形式,以e和ec

為輸入語言變量,以kp、ki和kd為輸出語言變量。模糊控制器的設(shè)計1語言變量隸屬度函數(shù)的確定13在輸入語言變量的量化域內(nèi)：取7個模糊子集{NBNMNSZPSPMPB}分別負大負中負小零正小正中正大。對應(yīng)誤差e和誤差變化率ec的大小量化7個等級,表示為{-3，-2，-1，0,1,2,3}采樣三角隸屬函數(shù)或者高斯隸屬函數(shù)，輸入的隸屬函數(shù)如圖2、3：在輸入語言變量的量化域內(nèi)：14圖2誤差的隸屬函數(shù)圖2誤差的隸屬函數(shù)15圖3誤差變化率的隸屬函數(shù)圖3誤差變化率的隸屬函數(shù)16在輸出語言變量的量化域內(nèi)取7個模糊子集{NBNMNSZPSPMPB}分別負大負中負小零正小正中正大。kp

,ki

,kd的大小量化7個等級,區(qū)域以及隸屬函數(shù)的設(shè)置如圖4、5、6：采樣三角隸屬函數(shù)或者高斯隸屬函數(shù)：在輸出語言變量的量化域內(nèi)17圖4kp的隸屬函數(shù)圖4kp的隸屬函數(shù)18圖5ki的隸屬函數(shù)圖5ki的隸屬函數(shù)19圖6kd的隸屬函數(shù)圖6kd的隸屬函數(shù)20eecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表2Kp的模糊規(guī)則表2建立模糊控制器的控制規(guī)則表eNBNMNSZOPSPMPBNBPBP21

eecNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3Ki的模糊規(guī)則表e22eecNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB表4Kd的模糊控制規(guī)則表eNBNMNSZOPSPMPBNBPS23在線模糊推理機構(gòu),它可以根據(jù)系統(tǒng)誤差e及其導(dǎo)數(shù)值ec來調(diào)整PID控制器的3個參數(shù)kp,ki和kd該推理機構(gòu)可以完成如下的映射:其中E,EC,Kpf,Kif和Kdf分別是e,ec,kp,ki和kd的模糊值3模糊關(guān)系與模糊推理在線模糊推理機構(gòu),它可以根據(jù)系統(tǒng)誤差e及其導(dǎo)數(shù)值ec來24設(shè)模糊關(guān)系式中:Kx為Kpf,Kif,Kdf。R的隸屬度函數(shù)為設(shè)模糊關(guān)系25當(dāng)誤差、誤差變化率分別取模糊集E、EC時,輸出控制量的變化Kx(Kpf,Kif,Kdf)模糊推理可得K的隸屬度函數(shù)為當(dāng)誤差、誤差變化率分別取模糊集E、EC時,輸出控制量的變264去模糊化把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量的過程稱為去模糊化(Defuzzification)。模糊控制器采用具有更平滑的輸出推理控制的重心法其數(shù)學(xué)表達式為：式中K為論域,z為變量4去模糊化把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量的過程稱為式中K為論域,27式中kp′,ki′,kd′為系統(tǒng)的經(jīng)典PID參數(shù)。KpKiKd的模糊控制規(guī)則表建立好以后，可根據(jù)如下的方法進行KpKiKd的自適應(yīng)矯正。應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)帶入下式計算：式中kp