一类模糊PID自适应控制器的设计与仿

1、£ 块呀yangtze university毕业设计（论文）题目名 称一类模糊pid自适应控制器的设计及仿真题目类型毕业设计学生姓名院 （系）电子信息学院专业班级指导教师 辅导教师日 期 2014年3月3日至2014年5月30日目录长江大学毕业论文（设计）任务书i毕业设计（论文）开题报告ii长江大学毕业设计（论文）指导教师审查意见ix长江大学毕业设计（论文）评阅教师评语xi毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定xii摘要xiv1前言11pid简介11.2模糊控制简介21.3本文研究的意义和目的22国内外现状简介43 matlab工具箱简介63matlab系统的应用63.2 simluli

2、nk i具箱63.3模糊逻辑工具箱63.4 matlab环境下的simulink的应用73.4.1 matlab环境中启动simulink的方法73.4.2打开simulink 模型窗口的方法73.4.3 simulink仿真基本步骤74模糊pid自适应控制器的设计94经典pid94.2模糊控制器的设计要求94.3模糊控制原理114.4常规模糊控制器的设计124.4.1 一维模糊控制器124.4.2二维模糊控制器144.5 pid模糊控制器154.5.1二维模糊控制器154.5.2多维模糊控制器164.6模糊pid控制系统结构及原理174.7 pid控制器参数自整定原则184.8各变量隶屈度函

3、数的确定194.9建立模糊规则表225利用matlab对模糊pid控制系统进行仿真315建立系统结构仿真框图315.2仿真结果分析336结论与总结38参考文献38致谢4041附录长江大学毕业论文（设计）任务书学院（系）专业班级学生姓名指导教师/职称1 毕业论文（设计）题目：一类模糊pid自适应控制器的设计及仿真2毕业论文（设计）起止时间：2014年3月3 ej2014年5月30日3毕业论文（设计）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）参考书：1、自动控制原理，李友善；2、matlab教程，罗建军；3、基于matlab的系统分析与设计一神经网络，楼顺天;4、智能控制及其matlab实现，李国勇；

4、5、先进pid控制及其matlab仿真，刘金琨；6、中国期刊网上相关杂志中的相关文献。4 毕业论文（设计）应完成的主要内容1、分析传统pid控制的基本原理以及pid控制器的局限性；2、分析模糊控制的模型构成及算法；3、分析和设计模糊pid控制器；4、利用matlab对模糊pid控制系统进行仿真并分析仿真结果;5、撰写毕业设计论文。5毕业论文（设计）的目标及具体要求设计一类模糊pid自适应控制器，并对控制系统进行仿真实验研究, 通过仿真实验分析设计的正确性和有效性。6完成毕业论文（设计）所需的条件及上机时数要求计算机一台；matlab软件一套；200机时。任务书批准日期2014年2月20_0教研

5、室（系）主任（签字）任务书下达日期 2014年2月 辽日指导教师（签字）完成任务日期 2014年5月辺日学生（签名毕业设计（论文）开题报告题目名称一类模糊pid自适应控制器的设计及仿真院 （系）电子信息学院专业班级学生姓名指导教师 辅导教师开题报告日期 2014年3月15日一类模糊pid自适应控制器的设计及仿真学生：，电子信息学院指导教师：，电子信息学院1题目来源传统pid控制器结构简单，具有一定的鲁棒性，容易实现，稳态无静差，控制 精度高，能满足大工业过程的要求。因此，长期以来广泛应用于工业过程控制，并 取得了良好的控制效果。但是，实际上，大多数工业过程不同程度的存在非线性、 大滞后、参数时

6、变性和模型不确定性，因而普通的pid控制器难以获得满意的控制 效果。模糊控制不要求被控对象的精确模型u适应性强，为了克服传统pid控制器 的缺点，人们将模糊控制与pid控制器结合起来，扬长避短，研究出了多种模糊pid 控制器，木文采用的参数自适应模糊pid控制器即为其中的一种。2研究目的和意义在工业生产过程屮，许多被控对彖受负荷变化或干扰因素影响，其对彖特性参 数或结构易发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对彖特征参数，实时 改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取 决于辨识的模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程 中，大量采用的

7、仍然是pid算法。pid参数的整定方法很多，但大多数都以对彖特 性为基础。在工业过程控制中，pid控制是历史最悠久的，生命力最强的一种控制方式。 它是迄今为止最通用的控制方法。常规pid控制器结构简单，参数意义清晰明确, 可靠性高，容易实现，稳态无静差，控制精度高，能满足大工业过程的要求。然而 在生产现场中，大多数工业过程不同程度的存在非线性、大滞后、参数时变性和模 型不确定性，因此常规pid参数整定方法繁杂，其参数往往整定不良、性能欠佳,对运行工况的整定性差。而模糊控制不要求被控对彖的精确模型且适应性强，为了 克服传统pid控制器的缺点，人们将模糊控制与pid控制器结合起來，扬长避短, 研究

8、出了多种模糊pid控制器。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为 知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整pid参数，这样就出现 了专家pid控制器。该控制器把占典的pid控制与先进的专家系统相结合，实现系 统的最佳控制。这种控制方法必须精确地确定对彖模型，将操作人员（专家）长期 实践积累的经验知识用控制规则模型化，并运用推理对pid参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述，控制过程屮各种信号量及评价指标不易定量表 示，专家pid方法受到局限。模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用 模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，

9、并把这些模糊控 制规则及有关信息（如评价指标、初始p1d参数等）作为知识存入计算机知识库屮， 然后计算机根据控制系统的实际响应情况（集专家系统的输入条件），运用模糊推理, 即可自动实现对pid参数的最佳调整，这就是模糊自适应pid控制。因为其采用模 糊推理的方法实现pid参数b、b和也的在线自整定，不仅保持了常规pid控制系 统原理简单、使用方便、控制精度好等优点，而且具有更大的灵活性、整定性、控 制精度更好，是目前较为先进的一种控制系统。采用matlab对模糊自整定pid 参数控制系统进行计算机仿真可快速方便地实现多种规则和参数的准确仿真效果， 极大地提高模糊自整定pid参数控制系统设计的效

10、率和准确性。3阅读的主要参考文献及资料名称1 席爱民模糊控制技术.西安电子科技大学出版社，20082 易继错，侯媛彬.智能控制技术（第五版）1.北京：北京工业大学出版社，20043 杨三青，王仁明，曾庆山.过程控制.华中科技大学出版社，20084 吴怀宇，廖家平.自动控制原理.华中科技大学出版社，20075 宋雪玲，刘朝英，沈英才.鲁棒pid控制在过热器温度控制中的应用研究j.河北工业 大学学报，2005. 86 朱海锋，杨智，张名宙.仪用ptd参数自整定控制器设计与应用j.自动化仪表，2005, 26(7):10-127 章卫国.先进控制理论与方法导论m.西安：西北工业大学出版社，2000.

11、8 孙洪城，李大字，翁维勤.过程控制工程.北京：高等教育岀版社，20069 熊静琪计算机控制技术.北京：电子工业出版社，200310 刘金琨.先进ptd控制及其mat lab仿真m 北京：电子工业出版社,200311 黄峰,汪岳峰.模糊参数自整定pid控制器的设计与仿真研究j.光学精密工程,2004, 12 (2)： 235-23912 曹刚.ptd控制器参数整定方法及其应用研究d.浙江：浙江大学信息工程学，200413 殷云华，樊水康，陈闽鄂.自适应模糊pid控制器的设计和仿真j.北京：火力与指 挥控制.2008. 97-9914 赵永娟,孙华东.基于mat lab的模糊pid控制器的设计和

12、仿真j 北京：微计算机 信息.2009. 48-4915 陈晓冲，王万平.常规pid控制和模糊自适应pid控制仿真研究j.广州：机床与液 压.2004. 65-6616 何克中，李伟.计算机控制系统.北京：清华大学出版社，2000.17 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2001.18 于海生.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，1999.3内外现状和发展趋势与研究的主攻方向最初的气动式pi控制器于1934-1935年间诞牛于福克斯波罗和泰勒公司o 1939年，泰勒仪器公司生产出第一台商用pid控制器。同年，福克斯波罗公司推出了由 george.philbrick发明的pid控制器

13、：“sbatligo30”。20世纪30年代的pi/pd控制器 是在当时工业的强烈需求推动下不断发展的，同时技术的发展还受到当时的系统化 和抽象派思想所左右，工程设计人员逐步意识到测量装置的重要性。mason与black 分别在设计气动式控制机构和电子负反馈放大器时意识到，当系统闭环后必须在反 馈回路上增加信号测量装置。1948年福克斯波罗公司推出了改进型pid控制器: “mdoel 40 sbatiotg.clarridge 于 1950 年设计出串行 pid 控制器“transettri-act, 此后这种控制器成为了 pid控制器的一种标准形式。pid控制器诞生的随后几十年里，大约90%

14、左右的控制元件都是气动式的。从 20世纪50年代中期起，电子元件逐步取代气动式控制元件。1959年福克斯波罗公 司推出了电子式pid控制器，到20世纪60年代初，绝大多数控制仪器公司均提供 了数字式pid控制器。直到现在，很多控制学术机构、高校以及控制仪器公司不断 开发出新的pid控制器调试软件包、硬件模块和pid控制器整定技术。从最初的气动式pid控制器诞生到发展至fi前的数字式微处理芯片pid控制模 块、pid控制软件包，以及智能pid控制、专家pid控制等先进复合pid控制系统 可以看出，pid控制是在社会生产需求的强烈激励下产生并不断发展的，pid控制 的发展与控制学科以及与其相关的计

15、算机技术、信息技术、生命科学等新兴学科技 术的发展是密不可分的。近十年来，国际控制界对pid控制的研究热情又重新高涨 起来，一些重要的国际权威控制杂志不断岀版有关pid控制器设计理论和应用方而 的论文。pid控制有着光明的应用前景，在未来的控制工程中仍将扮演重要角色， 同时将成为各种复杂控制器的基本单元。我们今天所熟知的pid控制器产生并发展于19151940年期间。尽管1940年 以来，许多先进控制方法不断推出，但pid控制器以其结构简单，对模型误差具有 鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金化工、电力、轻工和机械等工业过 程控制中。据日本电气计量器工业会先进控制动向调查委员会1990年

16、统计，在日本 有91%的控制的控制回路采用的是pid控制器控制。在美国，据估计有90%以上的 工业控制器采用的是pid调节器。而在我们国家现在pid功调节器的应用就更加普 遍。虽然随着控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理论的新型控 制器不断出现，但pid控制仍是最重要的控制方法。据估计：我们国家过程工业中 需要约50万个pid智能的pid控制器。pid调节器的发展经历了液动式、气动式 几个阶段，目前正经历由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展阶段； 这些数字化、智能化的控制器有着传统的模拟控制器无法比拟的优点，女n：可以灵 活的改变控制参数可以灵活的改变控制策略等。随着工

17、业的发展，对彖的复杂程度 不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统；其中有的参数未知或缓 慢变化；有的带有延时或随机干扰；有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗 糙。加之，人们对控制品质的要求日益提高，常规的pid控制的缺陷逐渐暴露出来。 对于时变对彖和非线性系统，传统的pid控制更是显得无能为力。因此常规pid控 制的应用受到很大限制和挑战，人们在对pid应用的同时，也对其进行了各种改进。5主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路(1)模糊控制器存在动态性能与稳态精度之间固有的矛盾，采用pd和pi的线 性组合方式，构建模糊pid控制器；在系统响应过程中，模糊pid的比例、积分

18、和 微分控制参数相互关联、相互影响，使控制规则的提取和控制参数的整定复杂化，木文 采用变论域设计思想，在模糊pid中引入一种自组织调整机构，设计了一种自适应模 糊pid控制器。6完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的办法matlab软件模糊逻辑工具箱simlulink工具箱结合自适应模糊pid控制器的性能要求，pid控制的理论基础以及模糊控制原理进行设计，利用matlab进行仿真。7工作的主要阶段、进度与时间安排3月14日3月20 fh网上查资料、完成文献翻译、开题报告；3月21 h4月10 r：查看相关资料及进行方案论证，做好计划；4月11 h5月10 结合理论资料进行思考，运用软件工具进

19、行设计和仿真, 得出结论；5月10日5月20日：完成毕业论文初稿；5月20日6月1日：毕业论文及相关文档定稿、审查、评阅；6月2 h6月3 r：毕业设计答辩指导教师审查意见长江大学毕业设计（论文）指导教师审查意见学生姓名专业班级毕业论文（设计）题fl一类模糊pid自适应控制器的设计与仿真指导教师职称评审日期评审参考内容：毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量， 质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业 知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位 论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名

20、:评定成绩（百分制）：分长江大学毕业设计（论文）评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文（设计）题目一类模糊pid自适应控制器的设计与仿真评阅教师职称评阅日期评阅参考内容：毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质 量和水平，存在的主要问题与不足。学牛掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力， 毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文（设计）题目一类模糊pid自适应控制器的设计与仿真答辩时间年月口时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（

21、分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：分毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教 师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规 定）等级（五级制）：答辩小组组长（签名）:秘书（签名）：年 月日院（系）答辩委员会主任（签名）：院（系）（盖章）一类模糊pid自适应控制器的设计及仿真学生：，电子信息学院指导教师：，电子信息学院摘要常规pid控制不具有自适应能力，因此对于时变、非线性等控制对象很 复杂的系统控制效果不佳。运用模糊技术与pid控制相结合的控制方式，能够设计 出各种模糊控制器。为提高复杂系统的控制性能，本文介绍了一种模糊自调整

22、 pid控制器，以提高控制精度。我们要求简单却具有鲁棒性的控制算法来实现控 制。将pid控制与模糊控制的简便性、灵活性以及鲁棒性融为一体，构造了一 个自适应模糊pid控制器。并且为了提高控制的精度，木文在参数自适应模糊pid控制器的基础上, 利用模糊推理的方法实现了对ptd参数的在线自动整定，并且在matlab软件 下将该控制器在某系统中的应用进行了研究，仿真结果表明，参数自适应模糊 pid控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有较大的参考价 值。关键字自适应；pid控制器;模糊ptd； matlab仿真the design and simulation of adaptive f

23、uzzy pidcontrollerstudent:ruiling zhao, the college of electric and informationinstructor: tao li, the college of electric and informationabstractjas the conventional pid control doesn't have the self-adaptive ,the control effect of time-varing and nonlinearity, we have already take the control

24、method that combine fuzzy technology with pid control, and design various the fuzzy controlle匸 we propose a simple but robust program for control. this paper presents a novel method to design the fuzzy pid control in order to improve the system performance for complex systems in which the normal pid

25、 controller is not suitable in such case. to increase the accuracy this paper designed an improved flc (fuzzy logic controller) for self tuning pid control.in order to increase the accuracy of the controller , in the paper, based on parameter adaptive fuzzy pid controller, a fuzzy inference method i

26、s utilized to realize automatic regulating pid parameter, and the application of the controller in some system is studied with matlab. the results of simulation indicate that the controller gives a good control performance and has a high reference value for further applications. where the proportion

27、al, integral and differential gains are tuned online based on fuzzy inference rules.keywords adaptive; pid controller; fuzzy pid; matlab simulation1前言1.1 pid简介pid （proportional integral derivative）控制是fl前工业上应用最广泛深入的控制 方法。多数控制回路都是应用该方法或在其基础上进行较小的变形来控制。pid调 节器及其改进型是工业控制屮最常见的控制器。虽然从20世纪初p1d控制诞生以 来，计算机技术

28、和信息技术飞速发展，控制理论与控制技术取得了令人瞩目的成就， 一些先进控制策略不断推出。pid控制器优点：结构简单，易实现、性能良好、对模型误差具有鲁棒性，适 应性强，能够适应各种控制对彖，参数的整定，在大多数控制过程中能够获得令人 满意的控制性能。传统pid的主要缺陷有：（1）自整定要以模型为基础。人们遇到的工控问题越來越复杂，被控对彖是一 些大滞后、参数时变、强干扰的复杂系统时，无法获得精确的数学模型，使用常规 的pid控制无法获得良好的效果。（2）由于它的控制性能依赖于pid控制器的三个参数以及对系统模型的 精确性，pid在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时， 控制效果

29、不佳。当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特 性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定。（3）若自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和由 过程动态特性变化引起的影响区分开来，故受到干扰的影响控制器会产生超调, 产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定 性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的pid 控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。如此广泛应用pid控制器但同时又有如此多的控制器由于控制器本身的设 计局限，未能达到用户要求，这给控制理论研究和控制理论应用于实际带来了前所未有的挑战和机遇。1.

30、2模糊控制简介模糊控制是建立在人工的直觉和经验的基础上的。对于一个熟练的操作人员， 他往往对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是凭借丰富的实践经验， 采取适当的对策来控制一个复杂过程。若能将这些熟练操作员的实践经验加以总结, 并用语言表达出来，就会得到一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数字将 其定量化，就转化为模糊控制算法，从而形成模糊控制理论。模糊控制尚无统一的定义。从广义上，可将模糊控制定义为：“以模糊集合理 论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一类控制方法”，或定义为：“釆用模糊集 合理论和模糊逻辑，并同传统的控制理论相结合，模拟人的思维方式，对难以建立 数学模型的对彖实施的

31、一种控制方法”。模糊控制具有一些明显的特点：（1）模糊控制不需要被控对彖的数学模型。模糊控制是以人对被控对彖的控制 经验为依据而设计的控制器，故无需知道被控对彖的数学模型。（2）模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制釆用人类思维屮 的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导 出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。（3）模糊控制易于被人们接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语 言来表示的。（4）鲁棒性和适应性好。模糊控制器的主要缺陷是：模糊控制器对输入变量的处理是离散的，而且没有 积分环节，所以本身无法消除系统的稳态课差，控制精度不如pi

32、d控制。1.3本文研究的意义和目的在工业过程控制中，pid控制是历史最悠久的，生命力最强的一种控制方式。它是迄今为止最通用的控制方法。常规pid控制器结构简单，参数意义清晰明确, 可靠性高，容易实现，无静态误差，控制精度高，能满足大工业过程的要求。然而 在生产现场中，大多数工业过程不同程度的存在非线性、大滞后、参数时变性和模 型不确定性，因此常规pid参数整定方法繁杂，其参数往往整定不良、性能欠佳, 对运行工况的整定性差。而模糊控制不要求被控对彖的精确模型且适应性强，为了 克服传统pid控制器的缺点，人们将模糊控制与pid控制器结合起来，扬长避短, 研究出了多种模糊pid控制器。随着计算机技术

33、的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为 知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整pid参数，这样就出现 了专家pid控制器。该控制器把古典的pid控制与先进的专家系统相结合，实现系 统的最佳控制。这种控制方法必须精确地确定对彖模型，将操作人员（专家）长期 实践积累的经验知识用控制规则模型化，并运用推理对pid参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述，控制过程屮各种信号量及评价指标不易定量表 示，专家pid方法受到局限。模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用 模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控 制规则及有关信息（如评价

34、指标、初始pid参数等）作为知识存入计算机知识库中， 然后计算机根据控制系统的实际响应情况（集专家系统的输入条件），运用模糊推 理，即可自动实现对pid参数的最佳调整，这就是模糊自适应pid控制。因为其采 用模糊推理的方法实现pid参数际、k和匕的在线自整定，不仅保持了常规pid控 制系统原理简单、使用方便、控制精度好等优点，而且具有更大的灵活性、整定性、 控制精度更好，是目前较为先进的一种控制系统。然而，在众多新的模糊控制技术方法不断涌现之后，人们更清楚地认识到模糊 控制研究中而临的许多理论问题已经成为模糊控制技术广泛应用的严重障碍，其中 就包含有如何解决“控制性能优于传统pid控制器的模糊

35、控制器设计”问题。本文 在介绍前人研究工作的同时，将侧重于研究“优于传统pid控制器的模糊pid控制 器”的设计模块。第3页（共38页）2国内外现状简介最初的气动式pi控制器于1934-1935年间诞生于福克斯波罗和泰勒公司。1939 年，泰勒仪器公司生产出第一台商用pid控制器。同年，福克斯波罗公司推出了由 george.philbrick 发明的 pid 控制器：“sbatligo30”。20 世纪 30 年代的 pi/pd 控制 器是在当时工业的强烈需求推动下不断发展的，同时技术的发展还受到当时的系统 化和抽象派思想所左右，工程设计人员逐步意识到测量装置的重要性。mason与 black

36、分别在设计气动式控制机构和电子负反馈放大器时意识到，当系统闭环后必 须在反馈回路上增加信号测量装置。1948年福克斯波罗公司推出了改进型pid控制 器:“mdoel 40 sbatiotgclarridge 于 1950 年设计出串行 pid 控制器“transet triact”， 此后这种控制器成为了 pid控制器的一种标准形式。pid控制器诞生的随后几十年里，大约90%左右的控制元件都是气动式的。从 20世纪50年代中期起，电子元件逐步取代气动式控制元件。1959年福克斯波罗公 司推出了电子式pid控制器，到20世纪60年代初，绝大多数控制仪器公司均提供 了数字式pid控制器。直到现在，

37、很多控制学术机构、高校以及控制仪器公司不断 开发出新的pid控制器调试软件包、硬件模块和pid控制器整定技术。从最初的气动式pid控制器诞生到发展至目前的数字式微处理芯片pid控制模 块、pid控制软件包，以及智能pid控制、专家pid控制等先进复合pid控制系统 可以看出，pid控制是在社会生产需求的强烈激励下产生并不断发展的，pid控制 的发展与控制学科以及与其相关的计算机技术、信息技术、生命科学等新兴学科技 术的发展是密不可分的。近十年来，国际控制界对pid控制的研究热情又重新高涨 起来，一些重要的国际权威控制杂志不断岀版有关pid控制器设计理论和应用方而 的论文。pid控制有着光明的应

38、用前景，在未来的控制工程中仍将扮演重要角色， 同时将成为各种复杂控制器的基本单元。今天所熟知的pid控制器产生并发展于19151940年期间。尽管1940年以来， 许多先进控制方法不断推出，但pid控制器以其结构简单，对模型课差具有鲁棒性 及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金化工、电力、轻工和机械等工业过程控制 中。据日本电气计量器工会先进控制动向调查委员会1990年统计，在日本有91% 的控制的控制回路采用的是pid控制器控制。在美国，据估计有90%以上的工业控 制器采用的是pid调节器。而在我们国家现在pid功调节器的应用就更加普遍。虽 然随着控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控

39、制理论的新型控制器不 断出现，但pid控制仍是最重要的控制方法。据估计：我们国家过程工业中需要约 50万个pid智能的pid控制器。pid调节器的发展经历了液动式、气动式几个阶段， 冃前正经历由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展阶段;这些数字化、 智能化的控制器有着传统的模拟控制器无法比拟的优点，女口：可以灵活的改变控制 参数可以灵活的改变控制策略等。随着工业的发展，对彖的复杂程度不断加深，尤 其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统；其中有的参数未知或缓慢变化；有的 带有延时或随机干扰；有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之，人 们对控制品质的要求口益提高，常规的pid控制

40、的缺陷逐渐暴露出来。对于时变对 象和非线性系统，传统的pid控制更是显得无能为力。因此常规pid控制的应用受 到很大限制和挑战，人们在对pid应用的同时，也对其进行了各种改进。3 matlab工具箱简介3.1 matlab系统的应用matlab是mathworks公司1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软 件，到目前它已发展成为国际公认最出色的数学应用软件。其强大的扩展功能为各 领域的应用提供了基础。它面向控制领域推出的建模可视化功能simulink和模糊 控制、神经网络、控制系统等工具箱为控制系统的仿真提供了有力的支持，极大的 推动了仿真研究的发展。整个matlab系统由两部分组成，

41、一是matlab基本部分，二是各种功能 性和学科性的工具箱。基本部分包括数组、矩阵运算，代数和超越方程的求解，数 据处理和傅里叶变换，数值积分等。工具箱实际就是用matlab基本语句编写的 各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法，系统的强大 功能由它们表现出来。3.2 simlulink 工具箱simulink是matlab的工具箱之一，提供交互式动态系统建模、仿真和分 析的图形环境。它可以针对控制系统、信号处理及通信系统等进行系统的建模、仿 真、分析等工作。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合 系统；单任务、多任务离散事件系统。利用simulink进

42、行系统的建模仿真，最 大的优点就是易学、易用，同时可以利用matlab提供的丰富的仿真资源。simulink的工作环境是由库浏览器(simulink library browser)与模型窗口 组成的，库浏器为用户提供了进行simulink建模与仿真的标准模块库与专业工 具箱，而模型窗口是用户创建模型的主要场所。3.3模糊逻辑工具箱模糊逻辑工具箱包含了进行模糊分析与模糊系统设计的各种途径。工具箱提供 了生成和编辑模糊推理系统(fis)常用的工具函数，如newfis、addmf> addrule等， 它包括了生成新的fis、给fis各变量加入隶屈度函数、规则等功能，用户可以用 命令调用这些

43、函数生成新的fis。工具箱还提供了图形用户界而(gui)编辑函数, 利用它用户可以更直观迅速的生产fis。在matlab环境屮键入fuzzy,敲回车键， 屏幕上就会出现一个基本的fis编辑器，用户可以在窗口菜单中修改它的各种特性, 如改变输入、输岀的变量数、编辑隶展度函数、编辑模糊规则等，从而生成新的fis 文件。3.4 matlab环境下的simulink的应用3.4.1 matlab环境中启动simulink的方法(1) 在matlab的命令窗口中输入simulink；(2) 单击matlab工具条上的simulink图标。3.4.2打开simulink模型窗口的方法(1) 在matlab

44、菜单或库浏览器菜单中选择file|new；(2) 单击库浏览器的图标。即可打开一个名为untited的空的模型窗口。整个模型创建窗口的组成是：菜单栏，工具栏，编辑窗口和状态栏。(1) 菜单栏：与windows菜单栏类似，其中simulation 一项在仿真配置中很 重要。(2) 工具栏：能实现标准的windows操作及用于与simulink仿真相关的 操作。(3) 状态栏：以图例，“ready”表示建模已完成；“100%”表示编辑框模型 的显示比例；“ode45”表示仿真所采用的算法。3.4.3 simulink仿真基本步骤创建系统模型及利用所创建的系统模型对其进行仿真是simulink仿真的

45、两 个最基本的步骤。（1）创建系统模型创建系统模型是用simulink进行动态系统仿真的第一个环节，它是进行系 统仿真的前提。模块是创建simulink模型的基本单元，通过适当的模块操作及 信号线操作就能完成系统模型的创建。为了达到理想的仿真效果，在建模后仿真前 必须对各个仿真参数进行配置。（2）利用模型对系统仿真在完成了系统模型的创建及合理的设置仿真参数后，就可以进行第二个步骤一 利用模型对系统仿真。运行仿真的方法包括使用窗口菜单和命令运行两种；对仿 真结果的分析是进行系统建模与仿真的重要环节，因为仿真的主要r的就是通过创 建系统模型以得到某种计算结果o simulink提供了很多可以对仿真

46、结果分析的输 出模块，而且在matlab屮也有丰富的用于结果分析的函数和指令。本章以simulink仿真的基本步骤为主线来对simulink这一仿真工具作 简单的介绍。由于simulink的功能极其庞大，不可能面面俱到（比如，关于模型 调试、结果分析、优化仿真等相关内容在这里没有作介绍）。4模糊pid自适应控制器的设计4.1经典pid如图4rin(图4. 1 典型的pid控制系统结构图典型的pid的公式为：况 a)=km)+tdde(t)dt式中：e(t)=r(t)y(t)为系统的误差(参考输入r与系统输出y(t)的差值)；kp 为比例增益，td为微分吋间常数；匚为积分吋间常数。或写成传递函数

47、形式：g($)u(s)e(s)经典pid控制，由于kp、td、ti参数的数值|古|定，既使合理调节整定这三个 参数，往往还是不能满足伺服系统的要求。所以必须考虑与其他方法相结合的方法。4.2模糊控制器的设计要求模糊控制系统与其他数字控制系统一样，由控制器(含有开发好的模糊控制算 法软件的计算机或由专用集成电路构成的模糊控制芯片）、输入输出接口（如 a/dq/a转换装置）、执行机构（如伺服电动机、阀门、开关等）、被控对彖（如 机械设备、机器人等）和测量装置（例如温度和压力传感器、数码盘等）这五个基 本环节组成，严格地说，这五部分都与模糊控制器的设计有关。首先被控对彖决定 了模糊控制器输入输出的结

48、构；然后模糊控制器的输入结构又决定了哪些物理量需 要检测，哪些物理量需要经过a/d转换器送入控制器，而模糊控制器的输出结构自 然决定了执行机构的设计，这就引出了设计模糊控制器的一个重要问题，即模糊控 制器设计有哪些基本要求？（1）模糊控制器的结构选择。所谓模糊控制器的结构选择，就是确定模糊控制 器输入、输出变量。正如前面所说的那样，模糊控制器的结构对整个模糊控制系统 的性能有很大的影响，因此必须根据被控对彖的具体特性与要求來合理选择。（2）模糊控制器是模拟人类控制特征的一种语言型控制器，它在某种程度上体 现了人的思维方式。但客观世界屮并没有现成的控制规则，它需要设计者根据控制 器的结构，从大量

49、的观察和实验数据中，或从专家知识与熟练操作人员的经验中提 取，经去伪存真、去粗取精的过程，形成一系列有模糊条件语言描述的语言控制规 则。因此，模糊控制器又称为模糊语言控制器。在许多情况下，模糊规则的提取和 选择是一个繁复的过程，往往掺杂着设计者的许多主管思维，因而作为设计者本身 应该尽量避免或减弱这种主观性的影响。（3）确定模糊控制器中的模糊化和反模糊化的方法。尽管模糊控制器中的控制 规则是由模糊语言构成的，但经过测量装置（传感器）采样得到的输入量，以及执 行机构所能接受的输出控制量都应该是确定的。（4）模糊控制器参数的确定。在具体设计模糊控制器时，还需要确定输入输出 的论域。（5）模糊控制软

50、件开发。通常情况下，模糊控制器是以运行计算机算法程序的 方法体现的。由于计算机控制过程是一个离散时间执行过程，它需要把连续时间过 程离散化，因此，模糊控制器的输岀往往是以增量形式岀现的。离散过程必然涉及 采样周期的选择，与常规控制算法一样，采样周期的选择对控制器的性能有较大的 影响。4.3模糊控制原理模糊控制的基本原理框图如图4.2所示。它的核心部分为模糊控制器，如图所 示，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程描 述如下：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到课 差信号e, 一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号e的精确量 进

51、行模糊化变成模糊量。谋差e的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到谋差e的 模糊语言集合的一个子集e （e是一个模糊矢量），再由e和模糊关系r根据推理的 合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u,即u = e r图4.2 模糊控制原理框图由图4.2可知，模糊控制系统与通常的计算机数字控制系统的主要差别是采用 了模糊控制器。模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣， 主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法及模糊决策的方 法等因素。模糊控制器的组成框图如图4.3所示数据库规则库输出解模糊接口 输入-模糊化接口图4.3 模糊控制器的组成框图4.4常规模糊控制器的设计4

52、.4.1 一维模糊控制器一维模糊控制器是一种最为简单的模糊控制器，在这种控制器屮，输入、输出 变量均只有一个。假设模糊控制器的输入变量为e,输出变量为u。此时，模糊规则 有如下形式：规则 1： ifeis al then u is b1规贝 ij 2： ifeis a2 then u is b2iii规贝in： if e is an then u is bn这里al ,a2 ,an和bl ,b2,bn均为输入、输出论域上的模糊子集。例 如，对于加热炉温度控制系统有：规则1：若加热温度太高，则减小加热装置开度规则2：若加热温度偏高，则稍许减小加热装置开度对于上而所列的多个规则，其模糊关系为n7?

53、(e,u) = |jaixbii=l图4.4为一维模糊控制系统。图中：r(t)给定值;e(t)偏差；u(t)控制器输出控制量；ke、ku偏差e(t)及模糊控制器输出u的增益系数。图4.4 一维模糊控制系统在实际系统中，控制问题大多是动态跟踪或恒值调节问题，因此在一维模糊控 制器中，输入量通常是系统的跟踪或调节误差，输出则为某种控制量或控制量的增 量。这种模糊控制器的特点是简单明了，但往往控制效果不佳。这是因为对于这类 控制器，只要偏差相同，则无论当前偏差是在快速增大或在快速减小，执行的控制 行为是相同的。这必然导致系统的控制性能变差。值得注意的是控制系统中有关偏差的概念。参看图4.4,若令则称

54、上式所表达的偏差为正偏差；若令e(t)=r(t)-c(t)则表达的偏差为负偏差。由于正偏差与负偏差符号相反，因而在限定模糊控制 器的规则时，其规则后件的作用(图中控制变量u(t)就要考虑偏差的定义。4.4.2二维模糊控制器二维模糊控制器是最为常见的一类模糊控制器，它有两个输入量xl ,x2,个输 出量y。模糊规则的一般形式为if xl is 人 and x2 is 人 then y is bq这里a；,尤和用分别为输入、输岀论域上的模糊子集；模糊控制器只有一个输出时，q=l。若有n条规则，则规则模糊关系为/?(x,y) = |jamr：i =在实际控制系统屮，xl 一般取系统偏差；x2取为偏差

55、的变化。由于二维模糊控 制器同时考虑到偏差和偏差的变化的影响，因而其在性能上优于一维模糊控制器， 这也许是二维模糊控制器最常用的原因。此时模糊控制器的输出量是输入量偏差和 偏差变化的非线性函数(非线性映射)，因此可以将它看做非线性pd控制器，参 看图4.5。图4.5 pd二维模糊控制系统4.5 pid模糊控制器4.5.1二维模糊控制器在一般模糊控制系统屮，考虑到模糊控制器实现的简便性与快速性，通常釆用 二维模糊控制器结构形式。而这类模糊控制器以系统偏差e和偏差变化e为输入语 言变量，因此它具有类似于常规pd控制器的特性，无法消除系统的静态偏差，不 能获得无差控制，这就有必要将积分作用引入模糊控

56、制器屮。模糊积分引入方法如下：(1) 采用pi模糊控制系统结构，参看图4.6。系统屮，模糊控制器的两个输入量为偏差e及偏差积分因此该系统具有 常规pi控制器的特性。对于恒值给定，系统能实现无差控制。图4.6 pi二维模糊控制系统(2) 采用常规pi控制器和模糊控制相结合的系统，参看图4.7。常规pi控制器输出ui(t)与二维模糊控制器输岀uf(t)相叠加，作为混合型模糊pid 控制器的总输出,即u(t)=ui(t)+uf(t)o图4.7 混合型pid控制结构(3) 对偏差c进行积分的pid模糊控制系统结构，参见图4. 8。这种pid模糊控制系统结构屮，设置了一个单独的传统积分器，对偏差c积分，其输出ui(t)与二维模糊控制器的输出uf(t)相叠加，即u(t)=ui(t)+ur(t)。图4. 8 对偏差e积分的pid模糊控制系统结构4.5.2多维模糊控制器类似pid控制，可以同时把系统的偏差，偏差变化和偏差积分作为模糊控制器 的输入变量；也可以把系统的偏差、偏差变化和偏差变化的变化作为模糊控制器的 输入变量(通常偏差变化是指在一个采样周期内偏差的变化量，它反映了偏差的快 慢及方向，是偏差的速度；偏差变化的变化是指偏差的加速度)