本科毕业设计——模糊控制器设计

1、模糊PID控制器设计摘要 与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比 , 电锅炉具有结构简单、无污 染、自动化程度高、热效率高等优点 , 电锅炉已经成为供热采暖的主要设备 , 它 的温度控制系统由于存在非线性、大滞后以及时变性等特点 , 常规的 PID 控制 器很难达到较好的控制效果。考虑到模糊控制能够对复杂的非线性、时变系统 进行很好的控制 , 但却无法消除静态误差的特点 , 本文将模糊控制引入到常规 PID控制中，提出了一种模糊PID参数自整定控制器，并且对电锅炉温度控制 系统进行了抗扰动的实验。仿真结果表明，和常规PID控制器相比，所设计的模 糊P ID控制器改善了温度控制系统的动态性能，提

2、高了系统的鲁棒性。关键词： 模糊 PID 控制 温度控制 自整定 仿真Fuzzy PID Controller DesignABSTRACTThe electric boiler has become the main heating equipment Because of the temperature control sys tem of the electric boiler has the advantages of nonlinear, big lag and tmievarying, conventional PID controller is difficult to atta

3、 in better control effect Fuzzy control can better control the complex nonlinear and tmievarying system. But Fuzzy control can no t elmiinates taticerror. For solving the problem, a fuzzy PID parameters se lf tuning controller was proposed by introducing fuzzy control into conventional PID control A

4、nd the tempera ture control system was tested by introducing perturbation. The smiulation results show that the fuzzy PID controller improves the dynamic and the robust performances of the temperature control system than the conventional PID controller.Key Words：Fuzzy PID control Temperature control

5、 auto-tuning simulation目录第一章 总体方案设计 11.1 被控对象的介绍 11.2 设计方案 11.3 案比较 3第二章 电锅炉温度控制器的设计 42.1 基本 PID 控制器 42.1.1 常规 PID 参数的整定 62.1.2 SMITH 预估器 62.1.3 设计 PID 控制器时注意事项 72.2 模糊控制器设计 72.2.1 模糊控制的基本思想 72.2.2 参数自整定模糊控制 72.2.3 模糊控制算法的实现 82.2.4 模糊控制器具体设计 9第三章电锅炉温度控制系统的MATLA建模 113.1 MATLAB 7.0 及模糊逻辑工具箱介绍 113.2 电锅

6、炉温度控制系统模型的建立及其功能 123.2.1 常规PID控制 12322 加SMITH预估器PID控制 12323电锅炉温控系统的参数自整定模糊 PID控制 133.2.4 干扰信号下电锅炉温度控制系统的建模 16第四章 电锅炉温度控制器的仿真 214.1常规PID控制的仿真 214.2加SMITH预估器的PID控制的仿真 244.3参数自整定模糊PID控制仿真 27第五章 电锅炉温度控制器的功能及指标参数 315.1 电锅炉温度控制器实现的功能 315.2 电锅炉温度控制器功能及指标参数分析 31第六章 结论 33总结与体会 . 34参考文献 35附录 各种控制系统仿真结构图 . 36致

7、 谢 39天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书第一章总体方案设计1.1被控对象的介绍电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置。其工作原理与传统意义上的锅 炉有相似之处，从结构上看也有“锅”和“炉”两大部分。“锅”是指盛放热介质（一般是水） 的容器，而“炉”这里指加热水的电热转换元件。在生产过程，控制对象各种各样，理论 分析和试验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环 节来描述，而二阶系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环 节来描述温控对象的数学模型。锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性 大延迟的特点，而且

8、伴有非线性。被控对象传递函数如下：G(s)1.25eJ22s120s 1(1.1)1天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书1.2设计方案1号方案：PID控制是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过程的线性定常系统，大多 采用经典控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差，在大多 数情况下能够满足性能要求。r(t)图1.1基本PID控制系统框图Fig.1.1 basic PID Con trol system diagram2号方案：模型参考自适应控制系统是参考模型与控制系统并联运行，接受相同信号r，二

9、者输出信号的差值e(t)=y m(t)-y(t), 由自适应机构根据e(t)调整控制器的控制规律和参数，使 控制系统性能接近或等于参考模型规定的性能。图1.2模型参考自适应控制系统框图Fig.1.2 Model refere nee adaptive Con trol system diagram2天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书3号方案：自整定模糊控制是以先验知识和专家经验为控制规则的智能控制技术，可以模拟人的 推理和决策过程，因此无须知道被控对象的数学模型就可以实现较好的控制，且响应时间 短，可以保持较小的超调量。图

10、1.3自整定模糊PID控制器框图Fig.1.3 auto-t uning fuzzy PID Con trol system diagram1.3 案比较1号方案是经典控制理论中最典型的控制方法，经典控制理论还是现代控制理论， 都是建立在系统的精确数学模型基础之上的。对工业生产过程的线性定常系统，大多采用经典 控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差，在大多数情况下 能够满足性能要求，而且采用 PID的单回路系统仍占到总控制回路数的 80%-90%2号方案模型参考自适应控制系统主要了解的问题使怎样设计一个稳定的、具有较高性能的自适应机构（有效算法），对电锅炉温度控制系统不

11、是很合适。3号方案是以先验知识和专家经验为控制规则的智能控制技术，可以模拟人的推理和决策过程，因此无须知道被控对象的数学模型就可以实现较好的控制，且响应时间短，可以 保持较小的超调量9 O因此可采用的控制方案是1号方案和3号方案。由此我们还可以比较自整定模糊 PID控制和基本PID控制的优缺点及其实用场合。4天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书第二章电锅炉温度控制器的设计2.1基本PID控制器基本PID控制器的原理图如下理想的PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差e(t)e(t) =r(t) -c(t)(2.1 )将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构

12、成控制量，对被控对象进行控制。1 tdu(t)二 Kpe(t)0 &t)dt Td 五 e(t)(2.2)式中u(t)-控制器的输出：e(t)控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号；Kpe(t)-比例控制项，K为比例系数；1 t-(e(t)dt积分控制项，Ti为积分时间常数；TTd de(t) dt微分控制项，dt为微分时间常数。分析一下PID控制器各校正环节的作用10:1.比例环节比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。随着比例系数Kp的增大，稳定误差逐渐减小，但同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增大

13、。5天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书2. 积分环节积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，则此 时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，时间常数越大积分作用越弱，反之越强。随着积分时间常数T减小，静差在减小；但过小的积分常数会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。3. 微分环节微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它可以预测将 来，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变太大之前，在系统引入一个有效的 早期修正信号，从而加速系统的动态速度，减小调节时间。在计算机直接数字控制系统中，PID控制器是

14、通过计算机PID控制算法程序实现的。进 入计算机的连续时间信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，才能进入计算机的存储 器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去 逼近。PID控制规律在计算机中的实现，也是用数值逼近的方法。当采样周期T足够短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使 PID算法离散化，即可作如下t : kt(k =0,1,2.)tkk0e(t)dt T e(jT) =T e(j)(2.3)j =0j =0de(t) e(kT) -e(k -1)T _ e(t) _e(k _1)dtT T式中T采样周期。将描述连续PID算法的微分方程，变为描述离

15、散时间PID算法的差分方程，为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k),即为数字PID位置型控制算法，如式(3-4)所示。(2.4)T ktu(k) =Kpe(t) e(j)卡e(k) -e(k -1)Ti 7 Tku(k)二 Kpe(t) Ke(j) e(k) -e(k -1)(2.5)i =0式中k采样序号，k=0,1,2,;u(k)第k次采样时刻的计算机输出值； e(k)第k次采样时刻输入的偏差值； e(k-1)第(k-1)次采样时刻输入的偏差值;Ki 是积分系数， &二KpT/TiKd 微分系数，Kd 二 KpTp/T由(3.5)式可得U 二 u(k) -u(k -1)二 Kp. e(

16、k) Kie(k) Kd :e(k) _ . e(k1)(2.6)式(3-6)中厶e(k)=e(k)-e(k-1), u(k)即为增量式PID控制算法，由第k次采样计算得到的控制量输出增量。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T 一旦确定了 Kp Ki、Kd,只要使用前3次的测量值偏差，即可求出控制量的增量。2.1.1常规PID参数的整定Chien-Hrones(CHR)参数整定Chien-Hrones参数整定对设定问题的关注主要有两种情况，一种是带有 20%超调量的快速响应，另一种是没有超调量的快速响应，对于本系统最关注的是没有超调量的最快速响应，表3.2是Chie n-Hro

17、 nes(CHR)参数整定法则：控制类型KpT iT dPID0.6T/K tT0.5 t得 Ti =122 秒，Td=0.5 t =61 秒。根据Chien-Hrones参数调整法则得PID三个参数为:KP =0.6T/Ki=0.6 120/1.25 122 = 0.472人=KP/T =0.472/120 = 0.004Kd 二 KP Td =0.472 61 =28.7922.1.2 Smith 预估器在工业生产过程中，当 PID调节难以驾驭控制系统时，常常根据系统的动态特性，设计出一个补偿器，调节器将把难控对象和补偿器看作一个新的对象进行控制9 o经过改造后的对象将会把被调量超前反馈到

18、调节器，使调节器提前动作，从而减小超调量和加速调节 过程，克服了大延迟环节的影响，提高了控制系统的品质。Smith补偿的原理是：与PID控制器并接一个补偿环节，这个补偿环节就是Smith预估 器,其传递函数为(1 -e-s)G(S)( t为滞后时间)，即加入Smith预估器的电锅炉温度控制系 统传递函数为：G(S)(2.7)120s+1分解得：G(S) 1.25(2.8)120s+1120s + 12.1.3设计PID控制器时注意事项1. 积分饱和现象及其抑制采用标准 PID位置式算法，在实现控制的过程中，只要系统 的偏差没有消除，积分作用就会继续增加或减小，最后使控制量达到上限或者下限，系统

19、 进入饱和范围。而对时间常数较大的被控对象，在阶跃响应作用下，偏差通常不会在几个 采样周期内消除掉，积分项的作用就可能使输出值超过正常范围，造成较大的超调。为了 克服这种现象，可以采用过限消弱积分法和积分分离法。过限消弱积分法就是在控制变量 进入饱和区后，程序只执行削弱积分项的运算，而停止增大积分项的运算。积分分离法的基本思想是：当误差大于某个规定的门限值时，删去积分作用，从而使积分 项不至于过大，只有当误差较小时，才引入积分作用，以消除稳态误差。由于本次设计被控对象是大滞后、大惯性系统一开始积分系数不应过大。2. 干扰的抑制数字PID控制器的输入量是系统的给定值r和系统实际输出y的偏差值e

20、在进入正常调节过程后，由于 e值不大，此时相对而言，干扰对控制器的影响也就很大。 为了消除干扰的影响，除了在硬件采取相应的措施以外，在控制算法上也要采取一定的措施。对于作用时间较短的快速变化的干扰，如A/D转换偶然出错，可以用连续多次采样并求平均值的方法予以滤除。在 PID控制算法中，差分项对数据误差和干扰特别敏感。因此 一旦出现干扰，由它算出的结果可能出现很大的非希望值。此时可以使用四点中心差分法 等方法对差分项进行改进，以提高系统抗干扰能力。2.2模糊控制器设计2.2.1模糊控制的基本思想模糊控制是模糊集合理论中的一个重要方面，是以模糊集合化、模糊语言变量和模糊 逻辑推理为基础的一种计算机

21、数字控制，从线性控制到非线性控制的角度分类，模糊控制 是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制是建立在人类思维模糊性基础上的一种控制方式，模糊逻辑控制技术模仿人的思 考方式接受不精确不完全信息来进行逻辑推理，用直觉经验和启发式思维进行工作，是能涵盖基于模型系统的技术。它不需用精确的公式来表示传递函数或状态方程，而是利用具有 模糊性的语言控制规则来描述控制过程。控制规则通常是根据专家的经验得出的，所以模 糊控制的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验11。2.2.2参数自整定模糊控制(2.9)u = k3f (k|e,k2ec)f为非线性函数，显然FLC的控制作

22、用u与比例因子k1、k2和量化因子k3有关系，它们的变 化引起了控制系统的动态性能和稳态性能的变化。 在线整定比例因子k1、k2和量化因子k3,使他们保持合适的数值，在随机的环境中能对控制器进行自动校正，使得在被动对象特性 变化或扰动情况下，控制系统保持较好的性能9 o对于经典的单变量二维FLC,由式(3-9)可以看出比例因子ki、k2分别相当于模糊控制 的比例作用和微分作用的系数，量化因子 k3则相当于总的放大倍数。具体因子 ki、k2和量 化因子k3与系统性能的如下关系。一般ki越大，系统调节惰性越小，上升速率越快。但 ki过大，将使体统产生较大的超 调，使调节时间增长，严重时会产生振荡乃

23、至系统不稳定。但 ki过小，系统上升速率变小， 调节惰性变大，使稳态精度降低。k2越大，对系统状态变化的抑制能力增大，使超调量减小，增加系统稳定性。但k2过大，会使系统输出上升速率过小，使系统的过渡过程时间变长。k2过小，系统输出上升速率增大，导致系统产生过大的超调和振荡。k3增大，相当于系统总的放大倍数增大，系统相应速度加快。在上升阶段k3越大，上升越快，但也容易产生超调。k3过小，则系统反应缓慢，使调节时间加长。2.2.3模糊控制算法的实现模糊控制算法的实现方法目前有三种,即查表法、硬件专用模糊控制器和软件模糊推理9天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息

24、学院2011届本科毕业设计说明书iii. 查表法适用于输入、输出论域为离散有限论域的情况。查表法是输入论域上的点到输出论域的对应关系，它已经是经过了模糊化、模糊推理 和解模糊的过程，它可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时，进行查表就可以了，因 而可以大大加快在线运行的速度。这一过程可以用图2.2表示。本次模糊控制器的设计采用的正是此法图2.2查表法Fig.2.2 Query ing methdo2.2.4模糊控制器具体设计在MATLAB设计模糊控制器需确定以下内容12:1. 模糊控制器的结构，即根据具体的系统确定其输入、输出变量。2. 输入变量的模糊化，也就是把输入的精确量转化为对应语言变量

25、的模糊集合。模糊 化设计包含两部分内容，一个是模糊划分设计，解决的是语言变量论域中取模糊量个数的 问题。一个是模糊量隶属函数设计，解决的是模糊量的隶属函数形状问题。3. 模糊推理算法的设计，即根据模糊控制规则进行模糊推理，包括对多个输入用模糊 算子进行处理的过程。4. 模糊合成算法的设计，就是对所有模糊规则输出的模糊集合进行综合的过程。MATLAB提供三种合成方法：最大值法 max概率法probor、求和法sum 一般采用最大值法。5. 反模糊化方法的设计，它的输入是模糊集合，输出是一个数值。由于经过模糊推理后 得到的是输出变量的一个范围上的隶属度函数，因此必须进行反模糊化处理。目前常用的 方

26、法有最大隶属度函数法、重心法、加权平均法。最大隶属度函数法设模糊控制器的推理 输出是模糊量C,则其隶属度最大的元素ci就是精确化所得的对应精确值，即 C(k)=c。 并且有UC(Ci) _UC(Cj)Ci z( 2.10)其中，Z是控制量u的论域，u是精确控制量。如果在输出论域中Z中，其最大隶属度函数对应的输出值多于一个时，简单的方法是取 所有具有最大隶属度输出的平均，即1 PC(k)二Ci(2.11)P iC =max(uc(c)( 2.12)其中，p为具有相同最大隶属度输出的总数。最大隶属度函数法不考虑输出隶属度函数的形 状，只关心其最大隶属度值处的输出值，因此，难免会丢失许多信息，但它的

27、突出优点是 计算简单，所以在一些控制要求不高的场合，采用最大隶属度函数法是非常方便的。重心法取输出模糊集的隶属度函数曲线与横坐标轴围成区域的中心或重心对应的论域 元素值作为输出。若输出是离散模糊集，则模糊控制器的输出量为n Uc(Cj.CjC(k)十(2.13) Uc(Cji =1式中n 输出的量化级数;G 论域中的元素；Uc(G)论域元素的隶属度。若输出是连续模糊集，则模糊控制器的输出为Wc(c)cdu C(k) -( 2.14)Uc (c)du模糊控制器的结构模糊控制具有快速性、鲁棒性好的特点，可以考虑用它对系统进行 控制。在确定性控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数，可分为单变量控制

28、系统和 多变量控制系统。图2.3模糊控制器结构图Fig.2.3 Fuzzy con troller chart本次设计用二变量控制系统，二维模糊控制器如图3.3 二维模糊控制器的两个输入变 量为被控量与给定值的误差量 E和误差变化量EC由于它们能够严格的反映受控过程中输 出变量的动态特性，在控制效果上要比一维模糊控制器好的多，它是目前被广泛采用的一 种模糊控制器。模糊推理方法常见的模糊推理系统有三类：纯模糊推理系统、高木-关野 (Takagi-Sugemo)型和具有模糊产生器和模糊消除器的模糊逻辑系统 (Mamdani)型。本设计也主要采用Mamdan型。Mamdani型是在纯模糊逻辑系统的输

29、入和输出部分添加 了模糊产生器和模糊消除器，得到的模糊逻辑系统的输入和输出均为精确量，因而可以直 接在实际工程中加以应用，且应用广泛。因此本文所设计的模糊控制器均采用的是Mamdani型模糊推理方法。11天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书第三章电锅炉温度控制系统的 MATLABS模3.1 MATLAB 7.0及模糊逻辑工具箱介绍MATLAB(MATrix LABoratory，即矩阵实验室)是 Cleve Moler 博士在 NewMexico大学讲 授线性代数时，发现用高级语言编程极为不便而构思开发的。它是集命令翻译、科学计算 于一身的一套交互式软件系统。系统经过几年的试用

30、之后，Moler博士等一批数学家与软件 专家组建了一个名为MathWorks的软 件开发公司，专门扩展并改进 MATLAB推出了该软件的正式版本。除原有的数值计算能力 外，还增加了图形处理功能。 MathWorks公司于1993年推出了基于 Windows平台的MATLAB 4.0。MATLAB.x版在继承和发展其原有数值计算和图形处理能力的同时，还推出了符号计 算工具包、Notebook和一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境Simulink。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、 仿真和分析的软件包。它除了包括输入模 块、输出模块、连续模块、离散模块、函数和表模块、数学模

31、块、非线性模块、信号模块 以及子系统模块外，还包括各个工具箱特有的模块，如模糊逻辑工具箱的模糊逻辑控制器 模块。用户可以利用这些模块搭建自己的系统并进行仿真，通过更改这些模块的参数提高 系统的性能，最终得到合乎自己设计要求的系统13。仿真是控制系统进行科学了解的重要方法，通过仿真来分析各种控制策略和方案对控 制系统的性能，优化相关参数，以获得最佳控制效果。为了进行模糊系统的仿真设计，国 内外的学者都开发了一些工具，其中一个就是MATLAB的模糊控制工具箱(Fuzzy LogicToolbox)。模糊控制工具箱是数字计算机环境下的函数集成体，是一个不针对具体硬件平台的控 制设计工具，它可以用完全

32、图形界面的工作方式设计整个模糊控制器。如定义它的输入、 输出变量的数目，各输入、输出变量的隶属度函数的形状和数目，模糊控制规则的数目， 模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。在设好这样一个模糊控制器之后，可以利用MATLAB 本身的Simulink仿真平台来构建整个模糊控制系统并进行仿真了解。它的优势在于可以利 用MATLAB件本身的丰富资源，方便的将模糊工具箱与其它一些工具箱集合使用，来构建 不同结构的模糊系统，比如神经网络模糊系统，遗传算法模糊系统，模糊PID系统等，并对这样的系统进行仿真、分析12。模糊逻辑工具箱必须在 MATLAB环境下运行，它所创建的模糊控制器可以为其它工具箱所用，也可

33、以用Simulink环境对它进行仿真。最后还可以C语言的形式输出一个独立的模糊控制器，嵌入到用户自己的应用程序代码中去。3.2电锅炉温度控制系统模型的建立及其功能3.2.1 常规PID控制在Simulink中创建用PID算法控制电锅炉温度的结构图如图3.1所示:14天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书3.2.2加smith预估器PID控制在Simulink中建立的带Smith预估器的PID结构图如图3.2所示:与常规PID相比它在PID控制器上并联了一个传递函数。StepPiDCont.on.r+1.254_120S+1 P

34、IDTransfer Fcn2125SC4pt11201+1Transfer Fcnl Transport Delayd1.25%、120-1Trahspertliansfer FcnGD*elay2图3.2带有Smith预估器的PID控制系统仿真结构图Fig.3.2 with Smith estimated device PID Control system simulation chart323电锅炉温控系统的参数自整定模糊PID控制首先，在MATLAB勺Fuzzy Logic Toolbox 中构建如下 Mamdan型模糊控制器，利用模糊逻辑工具箱建立一个FIS型文件，命名为mohu.f

35、is，如图3.3所示：NS Nome:mohuFIS Type：mamdsni15天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书Current Variable忖meTypeRange卜6 6HelpCloseAnd methodOr methodImplicationAggregationDefuzzificationSystem2 inputs, 3 outputs,技nd 49 rules图3.3电锅炉模糊PID控制器Fig.3.3 Electric fuzzy PID Con trol system可见模糊控制器的输入变量为

36、下的系统参数如下：E和EC，输出为控制变量U。模糊控制器在Matlab环境n ame:mohuk on gzhitype:mamda nian dMethod:m inorMethod:maxdefuzzMethod:ce ntroidimpMethod:mi naggMethod:maxin put:1x2 structoutput:1x1 structrule:1x49 struct#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书图3.4、3.5是模糊控制器的各个变量的隶属函数图:0n0.5-6-4-202416天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信

37、息学院2011届本科毕业设计说明书图3.4输入变量E Ec的隶属函数曲线Fig.3.4 In put variables E、Ec membership fun ctio n curve图3.5输出变量Kp、K、Kd的隶属函数曲线Fig.3.5 Output variables K p、 K|、 KD membership function curve#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书可见输入变量E、EC和KP KI、KD的模糊子集均为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,E和EC 的论域为-6,-5,-4,-3,-

38、2,-1,0,1,2,3,4,5,6，U 的论域为-3,-2,-1,0,1,2,3。E、EC以及KP KI、KD的模糊隶属度函数均选择三角形隶属度函数。控制规则的输入是在 Rule Editor窗口输入的，以if-then的形式表达。温度控制规则共49条如表3.1所示：表3.1 K p、Ki、Kd模糊控制规则表Table 3.1 Kp、K、Kd fuzzy control rules formE.3AMNSECZEPSa/PBJ=B XB F5円 NS NSd XBE W XBP.S XS N3zo zo mZO ZO F5EfPS XS PS円冋NSE门f 2F3 NSZO zo x sX5

39、 ZO ZOAr5.VB ZO忌 f MJ XSEF5 .V5ZO ZO x sXS PS NSTS ZOZEm ZON m sr ZO ZO NS y$ xs&尽s加 ZOPSPS v$ zoza zo -zoX S PS ZO?s zo加 zo抿fPS TO 円ZD 70 -VSA5 PS PSW PS PSYS J?PSMf PB PSXV PB P3ZO ZO PB39,ZO 邑fe PS丹 fEPSXB P3 PS.VB PB PSRule Editor窗口中的操作如图3.6所示：图3.6规则表的输入Fig.3.6 Rule table in put在Simulink中建立的带模糊P

40、ID结构图如图3.7所示：与Smith预估PID控制相比，它增加了模糊逻辑控制器及其相关的元件使其有参数自 整定的能力。图3.7模糊PID控制系统仿真结构图Fig.3.7 Fuzzy PID control system simulation chartSubsystem的结构图如图3.8所示：图3.8 Subsystem仿真结构图Fig.3.8 Subsystem simulatio n chart3.2.4干扰信号下电锅炉温度控制系统的建模电锅炉温度控制系统在系统未稳定之前存在两种干扰信号，一种是阶跃信号的干扰，还有传递函数的延迟时间可能会发生变化，在稳定过程中可能会发生变化。干扰信号及其

41、仿真结 构图依次如下图所示。以上的阶跃干扰信号都是加在传递函数之后，幅值为20,而延迟时间则是在1000s时由122s变为150s。幅值为20的阶跃信号如3.9所示：图3.9幅值为20的阶跃信号Fig.3.9 Amplitude 20 laplace domain signals阶跃信号干扰下常规PID控制系统仿真结构图如图3.10所示:图3.10阶跃信号干扰下常规PID控制系统仿真结构图Fig.3.10 Laplace domain signals interferenee conventional PID control system simulation chart19天津理工大学中环信

42、息学院2011届本科毕业设计说明书延时时间干扰下常规PID控制系统仿真结构图如图3.11所示:图3.11延时时间干扰下常规PID控制系统仿真结构图Fig.3.11 Delay time in terfere nee conven tio nal PID con trol system simulati on chart20天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书阶跃信号干扰下smith预估PID控制系统仿真结构图如图3.12所示:StepTransfer Fcn3T riinxpGirt#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕

43、业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书图3.12阶跃信号干扰下smith预估PID控制系统仿真结构图Fig.3.12 Laplace domain signals interference conventional smith estimate PID control system simulation chart#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书延时时间干扰下smith PID控制系统仿真结构图如图3.13所示:Step+PID1.25+1.251205+1 PIDPID ControllerT ransfer F Gn2-1.2512US+1

44、T ra nsp o rt y ra nsfe r p r：n3Delays1.25T ra nsp o rtD e I ayST ra nsp o rtD e I ayS12U5+-1T ransfer F cn 1T ra nsp o rtDelaylM ultip ij rtSi a lit chT a WoriispaceScopel21天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书图3.13延时时间干扰下 smith PID 控制系统仿真结构图Fig.3.13 Delay time interferenee smith PI

45、D control system simulation chart阶跃信号干扰下模糊PID控制系统仿真结构图如图3.14所示:图3.14阶跃信号干扰下模糊PID控制系统仿真结构图Fig.3.14 Laplace domain signals interference fuzzy PID control system simulation chart#天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书延时时间干扰下模糊PID控制系统仿真结构图如图3.15所示:图3.15延时时间干扰下模糊PID控制系统仿真结构图Fig.3.15 Delay time in terfere nee fuzzy P

46、ID con trol system simulati on chart带干扰信号自整定模糊PID控制方式下的subsystem与无干扰信号的一样22天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书第四章电锅炉温度控制器的仿真4.1常规PID控制的仿真PID控制器的三个参数 Kp、Ki、Kd前面已经算出，kp=0.472、ki=0.004 、kd=28.792 因此就用matlab中的simulink仿真，仿真的系统参数设置如图 4.1所示：给定值为60C时，在该参数下的仿真响应曲线图如图4.1所示：图4.1仿真参数的设置Fig.4.1 Simulatio n parameters set

47、t ings图4.2 Chien-Hrones参数整定纯 PID控制响应曲线图Fig.4.2 Chie n-Hrones Parameters sett ing PID con trol resp onse curve由图4-2可见，Chien-Hrones参数整定纯PID控制系统性能指标为：调节时间tss=963 秒，超调量S %=9.5%稳态误差ess=0。PID的kp, ki , kd三个参数是用的整定值。当原系统加入幅值为20的阶跃扰动时，在模型运行1000s后延迟时间变为150s仿真曲线变 化情况如图4.3、图4.4所示：加阶跃干扰信号的Chien-Hrones参数纯PID控制响应曲

48、线图如4.3所示:图4.3加阶跃干扰信号的Chien-Hrones参数纯PID控制响应曲线图Fig.4.3 Add laplace doma in in terfere nee sig nals Chie n-Hrones parameters pure PID con trol resp onse curve由图4.3可见,加干扰信号的Chien-Hrones参数纯PID控制系统性能指标为：调节时 间tss=991秒，超调量S %=12.5%稳态误差ess=0。可见加了幅值为20的干扰信号后超调 量变大了，调节时间也相应变长了。可见常规 PID控制抗干扰能力有限。加延迟干扰信号的Chien-

49、Hrones参数纯PID控制响应曲线图如图4.4所示:图4.4加延迟干扰信号的Chien-Hrones参数纯PID控制响应曲线图Fig.4.4 Add delay in terfere nee sig nals Chi ne-Hro nes parameters pure PID con trol resp onse curve由图4.4可见,加延迟干扰信号的Chien-Hrones参数纯PID控制系统性能指标为：调 节时间t ss=1010秒，超调量S %=9.5%稳态误差ess=0。可见加延迟信号干扰时调节时间略 微增加了，其他的指标的基本无差异。4.2加smith预估器的PID控制的仿真

50、前面已经提到实际上加smith预估器的PID控制就是在纯PID控制器上并接一个补偿 环节，其传递函数为 （1 - eY）G （s） （ t为滞后时间）。仿真的系统参数设置如图 4.1 所示：给定值为60C时，在该参数下的仿真响应曲线图如图4.5所示:图4.5 Chien-Hrones参数整定带有 Smith预估器的PID控制响应曲线图Fig.4.5 Chie n-Hro nes parameters setti ng with Smith estimated device PID con trol resp onse curve由图4.5可见，Chien-Hrones参数整定带有Smith预估

51、器的PID控制系统性能指标为： 调节时间tss=784秒，超调量S %=0%稳态误差ess=0。相比常规PID控制加了 smith预估 器调节时间和超调量都下降了，可见加了smith预估器系统性能提高了。当原系统加入幅值为20的阶跃扰动时,在模型运行1000s后延迟时间变为150s仿真曲线变 化情况如图4.6、图4.7所示：加阶跃干扰信号带有Smith预估器的PID控制响应曲线图如图4.6所示:图4.6加阶跃干扰信号带有Smith预估器的PID控制响应曲线图Fig.4.6 Add laplace doma in in terfere nee sig nals with Smith estima

52、ted device PID con trol resp onse curve由图4-6可见，Chien-Hrones参数整定带有Smith预估器的PID控制系统性能指标为: 调节时间tss=830秒，超调量S %=0%稳态误差ess=0。和常规PID 一样但系统加入阶跃信 号干扰时调节时间也稍微变长了，但是可以看出它的抗干扰能力比常规PID要好一些。图4.7加延迟时间干扰信号带有Smith预估器的PID控制响应曲线图Fig.4.7 Add delay time in terfere nee sig nals with Smith estimated device PID con trol r

53、esp onse curve由图4.7可见，Chien-Hrones参数整定加延迟时间干扰的带有 Smith预估器的PID控 制系统性能指标为：调节时间tss=784秒，超调量S %=0%稳态误差ess=0。可见加上述干 扰对系统性能影响很小甚至没有影响。4.3参数自整定模糊PID控制仿真图4.8系统输出响应曲线Fig.4.8 System output resp onse curvePID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及互联关系。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表10。下面根据参数Kp Ki和Kd对系统输出特性的影响情况，结系统

54、输出响应曲线图来介绍，在不同 的e和ec时，被控过程对参数Kp Ki、Kd的自整定要求为：1. 当|e|较大时，即系统响应处于图4.8输出响应曲线的第I段时，为了加快系统的响应速度，避免因开始时偏差e的瞬间变大可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围，因此应取较大的Kp和较小的Kd,同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超 调，此时应该去掉积分作用，取 Ki=0。2. 当|e|和|ec|为中等大小，即系统响应处于图 4.9曲线的第II段时，为使系统响应的超 调减少，Kp、Ki和Kd都不能取大，取较小的Kp值，Ki和Kd值的大小要适中，以保证系 统的响应速度。3. 当|e|较小，即系统响应处于图4.8曲线的第III段中时，为使系统具有良好的稳定 性能，应增大Kp和Ki值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰 性能，应适当地选取Kd值，其原则是：当ec较小时，Kd可取大些，通常取为中等大小； 当ec较大时，Kd应取小些