模糊自适应PID控制器设计

1模糊自整定 PID 控制器设计摘 要本文主要研究的是有关模糊自整定 PID 控制器的设计与仿真，其中涉及到模糊控制，PID 控制器，参数自整定三个领域的相关内容。首先，我们先讨论了模糊控制的原理，历史和它的发展趋势，然后介绍了常规 PID 控制器和自整定算法的一些内容，最后，结合上述两种控制器的优点，设计出一种基于模糊推理的参数自整定模糊 PID 控制器。模糊控制器是把专家的 PID 参数整定经验总结成模糊控制规则，然后形成模糊控制查询表，模糊控制过程实际上就是一个查表的过程。模糊控制对具有非线性，时变性，较大的随机干扰等不具有精确的数学模型的控制系统具有较好的控制效果。而 PID 参数整定方法是最基本的也是最常用的方法被广泛的应用于各个领域。将两者有效的结合形成的模糊自整定 PID 控制器，它的简单性和可实施性是现而易见的。本文将这种模糊自整定 PID 控制器应用于带有时滞的二阶系统中并将其同 Z-N 整定方法，临界灵敏度等常规 PID 整定方法进行比较。结果表明，这种控制算法的控制效果明显好于传统的方法。关键词：模糊控制， PID 控制， 参数自整定， 隶属函数 2Design of Fuzzy Self-tuning PID ControllerAbstractIn this paper, the design and simulation of a self-turning fuzzy PID type controller is proposed. The fuzzy control, PID controller and parameters self-turning are described.Firstly, the principle, history and developing trend of fuzzy control are discussed. Secondly, the conventional PID controller and self-turning are introduced. Finally, a self-turning PID controller based on fuzzy inferences is designed by combining the advantages of first one with a second one.A fuzzy controller is built based on the experts experiences, then it is changed into an inquiry table. The process of the fuzzy control practically inquires the table. The fuzzy control is good at the inexactly mathematical model such as non-linear, time-variant systems and so on. PID self-turning is the basest and most-used. After attaining the PID self-turning to the fuzzy controller, it is obvious that this method is simple and feasible.In this paper, the fuzzy control PID controller is used to a two-order plus time delay system. Simulation results show that the algorithm has better performance than traditional methods. Keywords Fuzzy control, PID control, self-turning, membership functionI目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 模糊控制理论的产生和发展 .11.3 模糊控制理论的应用和目前面临的任务 .21.4 PID 控制算法的基本理论 .31.5 PID 控制器参数整定 .41.6 基于模糊推理的自整定 PID 控制器 .4第二章 模糊控 制概述 .52.1 引言 .52.2 模糊自动控制原理 .62.21 模糊控制理论概述 .62.22 模糊控制系统 .62.3 模糊控制器设计的基本方法 .102.3.1 模糊控制器设计概述 .102.3.2 确定模糊控制器的输入变量和输出变量 .102.3.3 设计模糊控制器的控制规则 .122.3.4 确立模糊化和非模糊化的方法 .172.3.5 选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域 .182.3.6 编制模糊控制算法的应用程序 .20II2.3.7 合理选择模糊控制算法的采样时间 .212.4 模糊控制器的特点 .22第三章 PID 控制原理极其参数自整定概述 .243.1 引言 .243.2PID 控制算法 .243.3 理想 PID 控制算法的改进 .263.4PID 控制器参数整定方法 .303.5 对控制 系统中纯滞后的整定 .33第四章 模糊自 整定 PID 控制器设计 .364.1 引言 .364.2 模糊自整 定 PID 控制 器的详细设计 .36第五章 仿真与分析 .475.1 引言 .475.2 仿真分析 .475.3 小结.52第六章 结束语 .53谢辞 .54参考文献 .551第一章 绪论1.1 引言PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有 90%控制回路具有 PID 结构。由于控制系统的日益复杂化，被控过程的非线形、高阶次、时变性及随机干扰等因数的影响，传统 PID 控制器很难满足控制要求。因而，将 PID 控制和目前应用日益广泛的模糊控制相结合并组成自整定模糊 PID 控制技术，达到模糊控制规则在控制过程中自动调整和完善，从而使控制系统的性能不断完善，以达到预期的效果。这种新型控制器为控制复杂系统开辟了新途径。1.2 模糊控制理论的产生和发展从 1965 年美国著名控制论学者 L.A.Zadeh 发表开创性论文，首次提出一种完全不同于传统数学与控制理论的模糊集合理论，到 1986 年世界上第一块基于模糊逻辑的人工智能芯片在著名的贝耳实验室研究成功，其间只经历了短短的 20年。为加快模糊控制理论的研究，1972 年，以日本东京大学为中心，发起成立了“模糊控制系统研究会 ”。 1974 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，进行了有关“模糊集合及其应用 ”的国际学术交流。我国对模糊理论与应用的研究起步较晚，但发展较快，在模糊控制，模糊辨识，模糊聚类分析，模糊信息论等领域取得了不少有实际影响的结果。1981 年，我国成立了模糊系统和模糊数学学会，并创办了世界上第二份模糊专业学术杂志模糊数学 ，1987 年，易名为模糊系统与数学 。全国至少有 40 多所高校开设模糊数学课程，以出版的有关模糊系统方面2的著作有 50 多本，正式发表的论文上千篇，引起模糊界的特别重视。尽管模糊理论的提出至今只有 30 多年，但其发展迅速，模糊控制理论这门新兴的学科具有强劲的生命力和十分令人鼓舞的应用前景。1.3 模糊控制理论的应用和目前面临的任务式存储的经验和知识，转化成计算机可以接受的形式，使得计算机可以模拟大脑处理模糊信息，进行分析和判断。最早取得应用成果的是英国伦敦大学教授 E.H.Mamdani，1974 年他利用模糊控制语句构成模糊控制器，首次将模糊控制理论应用于蒸汽机及锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制品质；1976 年他又将该理论应用于水泥旋转炉的控制上。随后，荷兰.丹麦.美国与日本的学者相继将模糊控制方法成功地应用在温度.热水装置.压力与液面等自动控制系统中。近年来我国在工业中应用模糊控制也取得了许人模糊理论建立了大脑和计算机之间的桥梁，达将大脑中的以模糊信息形用单片机研制了工业用模糊控制器，随后其他科技人员又将模糊控制方法成功的应用于玻璃窑路炉，功率因素补偿，化工大滞后过程。模糊控制在欧洲主要用于工业自动化，在美国主要用于军事领域。尽管模糊控制的应用取得了很好的结果，然而一直未取得根本上的突破。直至 80年代末，随着计算机技术的飞速发展模糊控制技术才得到广泛应用。模糊控制有很多独特的优点，广阔的发展前景和巨大的潜力，但还存在大量有待解决的问题目前所面临的主要任务是建立一套系统的模糊控制理论；模糊集成控制系统设计方法研究；常规模糊控制系统稳态性能的改善；自学习模糊控制策略和智能化系统及其实现，常规模糊控制系统稳态性能的改善，把已经取得的研究结果应用到工程实际过程中，尽快转化为生产力等。31.4 PID 控制算法的基本理论PID（Proportional.Integral and Differential）控制器是一种最常用的简单控制器，事实表明，PID 控制器广泛的适用于工业与民用对象，并以很高的性能价格比在市场中占据重要地位，充分的反映了 PID 控制器的良好品质。常规 PID 控制器系统原理框图如图 1.1 所示：图 1.1 PID 控制系统原理图PID 控制器是一种线形控制器，它根据给定值 rin（ t）与实际输出值 yout（t ）构成控制偏差值：Error（t）=rin（t）-yout（t）PID 的控制规律为：U（t）= (1.1)PKt tdteroTeroTero0 )()(1)(或写成传递函数的形式：(1.2)sTsEGDIp1)(式中， 为比例系数； 为积分时间常数； 为微分时间常数。PkIT41.5 PID 控制器参数整定最早提出 PID 工程整定方法是在 1942 年由 Ziegler 和 Nichols 提出的临界比例度法，简称 Z-N 整定公式。后来又提出了响应曲线法，衰减振荡等方法。Ziegler 与 Nichols（1942）提出了调节 PID 控制器的参数的经验公式，这一调节器可根据带有时滞环节的一阶近似模型的阶跃响应或频率响应数据来设定。它便于使用，而且在大多数控制回路中能得到良好的控制品质，所以它仍是常用的方法之一。1.6 基于模糊推理的自整定 PID 控制器为了满足在不同偏差 E 和偏差变化率 EC 对 PID 参数自整定的要求，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改，便构成了参数模糊自整定 PID 控制器。第二章 模糊控制概述2.1 引言由于科学技术的进步和发展，被控过程越来越复杂，以至不可能为其建立数学模型。对于这类不具有任何数学模型的被控对象应用传统的基于精确模型的控制系统理论很难得到令人满意的控制效果，然而，这类被控对象在人的手动操作下却往往能正常运行，并达到一定的预期结果。人的这种手动控制策略是通过操5作者的学习，实验以及长期的经验积累而形成的，它可以通过人的自然语言加以叙述，属于一种语言控制，由于自然语言具有模糊性，这种语言控制又称模糊控制。在模糊控制中，模糊控制器的作用主要在于通过电子计算机，根据由精确量转化来的模糊输入信息，按照总结手动控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，再将其转化为精确量，作为反馈送到被控对象的控制作用。这一过程体现了模糊集合理论，语言变量及模糊推理在不具有数学模型，而控制策略只有以语言形式定性描述的复杂被控过程中的有效应用。早期的经典模糊控制器 FLC 与常规的控制器如 PID 调节器相比具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时变性和非线形具有一定的适应能力，即鲁棒性较好等特点。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方，例如模糊控制器的稳态精度欠佳是经典模糊控制的弱点，我们将用参数自调整等方法加以改善。2.2 模糊自动控制原理2.21 模糊控制理论概述模糊理论在控领域里的应用开始与 1974 年。英国科学家 Mamdani 首次将模糊理论应用于蒸汽机的控制系统中，开辟了模糊控制理论应用的新领域。Mamdani 提出模糊控制理论的基本出发点是，将人类积累的对复杂系统的经验和认识提炼出来，采用模糊控制器的形式来控制复杂系统。随着计算机技术的发展，模糊理论在控制领域取得了巨大的