模糊控制与PID控制方法的比较

1、上海交通大学学报990433file:/E|/qk/shjtdxxb/shjt99/shjt9904/990433.htm(第 1 / 7 页)2010-3-23 6:49:47上海交通大学学报990433HESI6资源系统上海交通大学学报敬宇佃期刊DIGITIZED PERIODICALJOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONGUNIVERSITY1999年第三十三卷Vol.33 第4期No.4 1999模糊控制与 PID控制方法的比较张恩勤，施颂椒，翁正新摘要：研究了常规模糊控制器与PID控制器的关系.基于T-S模型，在一定的附加条件下，对这些模糊控制器进行了分析，理论上给出

2、了这类模糊控制器与PID控制器参数间的定量关系式，并指出两者间的本质联系.仿真结果表明了模糊控制器与PID控制器的相似性，多个规则的模糊控制器要优于PID控制器，同时给出了一类模糊PID复合控制器(TS-PID)的设计方法.该类复合控制器兼有模糊控制器与PID控制器优点，具有较深远的应用前景 .关键词：模糊控制；PID控制；T-S模型中图分类号：TP 273.3文献标识码：AComparative Study of Fuzzy Control and PID ControlZHANG En-qin , SHI Song-jiao , WENG Zheng-xinDept. of Automat

3、i on, Shan ghai Jiaot ong Un iv., Shan ghai 200030, Chi naAbstract : Fuzzy con trol and PID con trol are two mai n con trol methods in in dustry process. How to design a new controller combining the merits of these two is of great application value. A type of fuzzy con troller based on T-S model was

4、 studied. The qualitative relatio nship betwee n the parameters of this type of fuzzy con troller and PID con troller was theoretically proposed. The simulatio n results dem on strate that conven ti onal fuzzy con troller and PID con troller have similar characters, but the fuzzy controller based on

5、 more rules has better qualities. Meanwhile, a design method of the complex fuzzy controller based on T-S model was given, which is of great value in in dustry applicati on pote ntially.Key words : fuzzy control; PID control; T-S model众多学者对模糊控制和pid控制进行了比较Ta对常规模糊控制器机理进行了分析，指出一般模糊控制器同pi控制器的相似性2Yffigu3

6、】从不同方面对模糊控制器进行分析，指出同PID控制器的因舌KKi、Kd之间的关系.他们的分析均是基于一种类比形式.本文基于T-S模型，指出了模糊控制器同PID控制器的关系：一类特殊的基于 T-S模型的模糊控制器是一种复合PID控制器.1PID控制方法及模糊控制方法常见PI、PD PID控制的形式为八=Kp e + Kt dzJ(1)X =K,e 卜 KJuprD =K*, r +ediK述 eJ 式中Kp、Kj、Kd为PID控制器的3个调节因子.常规模糊控制器FZ-PI、FZ-PD、FZ-PID的形式分别为宀"m （5）护拦FID = Ku机D&严恥=严】D T(6)式中：K

7、e、Kc、Ks、Ku为模糊控制器的量化因子和比例因子；F为模糊推理，一般为非线性映射.实际中，FZ-PI、FZ-PID模糊控制器均采用增量式控制方法，为讨论方便及与式（1） （3）形成对比，式（4）、（6）中的第一式均米用连续型表示方式献1 3米取不同方式对F1 >F 2F 3进行简化，并对比以上相应各式，从而得出 Kp、K、Kd与Ke、Kc、Ks、Ku之间的各种关系式.2基于T-S模型的模糊控制器分析 采用T-S模型4 的模糊控制规则一般为尺：If er is Ai, ie is Bi, de is Ci,The n ui=bi0+bi1.er+bi2.ie+bi3.de取特殊情况b

8、i0=0.假设当前输出偏差为e,由规则R得输出为假设共有 N条规则，选取极小蕴涵关系及加权输出方法，可得FZ-PID控制器输出（注：如果无特殊说明，以下所述FZ-PID控制器均指基于T-S模型的模糊控制器）：（8）式中，加权系数为r.uX = min”和戸曲（疋）“匕（：），称之为相对加权系数.展开式（8）得U = > /=另芒 + 毎 + 禺：）!=）整理可得nn（M =（工戸妬）f + （ 丫 P' 2）J与式（3）比较，可得 FZ-PID控制器中对应于 PID控制器的3个参数为=S A b iJ=j *私弗=r1=s戸規，I(9)可简记« = Kfs £

9、 十 K叱* | e + Kpz* 呂J3 模糊控制与PID控制方法比较以上分析中得出了一类基于T-S模型的FZ-PID控制器的3个参数：Kfz-i、KF乙d.同PID控制器的3个参数K K、Kd相比,KfzPKfz、K乙d具有更广泛的意 义.Kp'K'Kd在一般控制中是常数（在较复杂或时变系统，这3个参数可定为分段常数）；但KFZ-P、KFZ-i、KFZ-d却是变量.从式（9）可知-p、KFZ-i、KFZ-d与 e、/ e、有 关，即上述3个参数应记为从上式分析可知，FZ-PID控制器可看作是一种变参数的PID控制器.由于隶属度函数一般是非线性的，上式中映射f 1>f2

10、>f3均为非线性映射.因此，FZ-PID控制器是一种非线性控制器.另外，从式（7）分析可知，只有一条规则的FZ-PID模糊控制器，实际上就是一般意义的PID控制器.如果N=1,则p由式（9）可得控制输出为</ =民总+ 6寸芒+ e结果与式（7）相同，即单个规则的FZ-PID模糊控制器就是PID控制器.再由式（8）分析可知，多条规则的 FZ-PID模糊控制器是多个PID控制器的复合作用，只是在不同的状态下，由单个规则所确定的PID控制器具有不同的加权因子.因此，FZ-PID控制器也可看作一种复合PID控制器：u =葺u* = b e +雄f +尿疋4仿真分析为了与PID控制器作比较

11、，在此，选择一种简单的模糊控制器，则有以下3条规则：R If e is （7i» i'e is （7e t de is t/3 ?Then t?=出 g +屍仑 + 5； eR2 If is N de s N,Then / =折（?+於”+屍 ee f tLheTh其中，U U2U 3的隶属函数为常数“ 1”1、误差e、误差变化率 de的定义如图1所示.图1论域e、de上的模糊量定义Fig.1 Defin iti on of fuzzy variables on discourse e and de选取二阶系统(25s+1)(5s+1-)1 及三阶系统(25s+1)(15s+

12、1)(5s+1T1，模糊控制器及PID控制器的参数选取见表1,输出响应见图 2.禺2参数在RPID相同的情况下，比较了模糊控制器与PID控制器的特性；图 2(b)比较了两组参数的PID控制器与模糊控制器的特性.表1二阶、二阶系统控制器参数Tab.1 Parameters for 2-order pla nt and 3-order pla nt参数二阶三阶PIDR1R2R3PID1PID2R1R2R3KP3.03.03.03.04.04.04.04.04.0Ki0.3410.3411.651.650.170.10.10.750.75Kd0.580.580.580.580.820.820.820

13、.820.820100200300t(b)三阶w誓芒躍1002003000t(a)二阶file:/E|/qk/shjtdxxb/shjt99/shjt9904/990433.htm(第 8 / 7 页)2010-3-23 6:49:47图2系统的仿真曲线Fig.2 Simulatio n curves仿真结果表明，模糊控制器与PID控制器的控制效果相近.从图2（b）可看出，PID控制对积分因子较为敏感.但在模糊控制中，即使让选取较差的一组参数（同PID2），若增加两个规则，控制效果也比较好，说明了模糊控制器具有一定的鲁棒性.5结论本文对模糊控制器与PID控制器作了比较研究，在一定条件下，对基于

14、T-S模型的一类模糊控制器进行了分析，指出了这类模糊控制器可看作是一种复合PID控制器，或者变参数的PID控制器.这类模糊控制器利用T-S模型，前件采用模糊推理，后件采用PID精确输出，兼有常规模糊控制与PID控制优点，具有一定的应用前景.作者简介：张恩勤 （1971），男，博士生.作者单位：张恩勤， 施颂椒， 翁正新（上海交通大学 自动化系，上海 200030）参考文献：1 Tang K L. Comparing fuzzy logic with classical controller designJ. IEEE Trans SMC, 1987, 17(6):10851087.2 Ying

15、 H. A nonlinear fuzzy controller with linear control rules in the sum of global two-dimensional multilevel relay and a local nolinear PI controller J. Automatica， 1993, 29(2):499505.3 Li H X. A comparative design and tuning for conventional fuzzy controlJ. IEEE Trans SMC PB: Cybernetics, 1997,27(5):

16、8844 Takagi T, Sugeno M. Fuzzy identification of systemsand its applications to modeling and controlJ. IEEE Trans SMC, 1985, 15(1):116收稿日期： 1998-05-04作者：作者单位： 刊名：英文刊名： 年，卷（期）: 被引用次数:模糊控制与PID空制方法的比较张恩勤, 施颂椒, 翁正新,ZHANG En-qin, SHI Song-jiao , WENG Zheng-xin 上海交通大学，自动化系,上海,200030ISTICEl|PKUJOURNAL OF S

17、HANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY1999 33(4)50次参考文献（4条）1. Tang K L Comparing fuzzy logic with classical con-troller design1987(06)2. Ying H A nonlinear fuzzy controller with linear con-trol rules in the sum of global two-dimensional multilevel relay anda local nolinear PI controller1993(02)3. Li H X A comp

18、arative design and tuning for conven-tional fuzzy control1997(05)4. Takagi T . Sugeno M Fuzzy identification of systemsand its applications to modeling and control1985(01)相似文献（10条）1. 期刊论文 亢海伟.杨庆芬.王硕禾.Kang Haiwei . Yang Qingfen . Wang Shuohe模糊控制与PID空制的内在联系-石家庄铁道学院学报 2000,13（1）讨论了模糊控制与P控制、pi控制的关系提出一种积

19、分分离式的模糊控制方法进而讨论了模糊控制比例因子的调整方案及其对稳定性的影响.2. 学位论文叶润玉锅炉汽包水位三冲量自适应模iPlD空制、模糊控制2006锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好的工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确 保整个网络安全运行具有重要意义。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位的控制大多采用常规制方式，传统的常规ID空制

20、方式是根据被控制对象的数学模型 建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得，而且常制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对 象的变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控制规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控 制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有三个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了两种消除水位

21、偏差的方 法：（1）辅助信号自消方法2）辅助信号对消方法。根据三冲量水位调节系统控制水位误设计采用了三冲1PID串级控制方式，采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位 偏差。根据锅炉控制现状，提出了参数自整定模糊控制规则，设计了二输入三输出自适应模糊空制器对汽包水位进行控制，克服了传统控制方式的控制效果不精确和参数难以调整等缺点。 利用M ATL对传PID空制系统和三冲量自适应模糊ID空制系统仿真，结果表明后者的自适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。3. 期刊论文苗敬利.李华德模糊控制和传统PID空制的仿真研究-微计算机信息（测控仪表自动化）2003（7）本文运用模糊控

22、制与ID空制分别对同一受控对象进行控制通过MATLAB真,表明了模糊控制与传统曰PID空制相比明显地改善了控制系统的动态性能.4. 学位论文李兵模糊PID液位控制系统的设计与实现2006由于常规PID空制器结构简单、鲁棒性强，被广泛应用于过程控制中，但常规不能根据现场的情况进行在线自整定，非线性系统的常规控制往往不能获得较好的控制效果。基于 知识和不依赖于精确数学模型的模糊控制给这个问题的解决带来了新的思路，在很多工业应用中已取得了良好的效果，但模糊控制在进入稳态后存在一定的静差。将模糊控制器和常规 PID空制器结合起来，应用到液位控制系统中具有一定的实用价值。本文结合模糊控制和常规ID空制理

23、论，用于液位控制系统，完成了以下工作：1. 通过试验法建立了液位控制系统的水箱的数学模型，设计出了液位串级控制系统。2. 针对液位控制系统，选取合适的隶属度函数和制定出模糊控制规则，设计了模糊控制器，并分析了在模糊控制系统中，误差的量化因子、误差变化率的量化因子、控制量的增量的 比例因子对系统性能的影响。针对液位控制系统，选取合适的隶属度函数和模糊空制规则，设计了模糊ID空制器。3. 用MATLAB/Simuli建立了液位串级控制系统，其主调节器分别采用D空制，模糊控制，模糊ID空制，畐鵬节器采用比例控制。通过仿真比较了当液位控制系统的控制对象模型变 化后，常规ID空制、模糊控制、模糊ID空制

24、的液位控制系统的性能。4. 将常规PID空制、模糊控制、模糊ID空制通过THJ-控制实验装置进行实际的液位控制实验，并用CGS态软件对系统进行组态和编程进行实际控制。实验结果表明，与常规控 制和模糊控制相比，模糊ID空制具有鲁棒性强和动态性能好等特点。5. 期刊论文 徐元昌.孙卫青.陈婵娟 塑机速度的PID空制和模糊控制-陕西科技大学学报（自然科学版）2003,21（4）针对塑机速度控制影响因素多建模难度大的情况尝试用自整定I控制和模糊控制两种方法实现其速度控制实验表明，用自整定ID空制可以获得较理想的控制曲线用模糊控制其仿 真结果也是可行的适用于非线性干扰大的系统.6. 学位论文 彭铭 基于

25、TWINCAT台的液位模糊控制系统研究2007本文以液位控制系统为研究对象。虽然常规D空制器以其算法简单，鲁棒性好等特点被广泛应用于工业过程控制中，但是存在一定缺限，它不能根据被控对象参数的变化作出动态调 整。而在液位控制系统中，常常存在大滞后、时变、非线性的环节，针对这样的系统，传统的控制不能满足控制要求。所以将不需要精确数学模型的模糊控制技术与传统控制技术 相结合，利用各自的优点，对液位进行控制，具有一定的实用价值。本论文对PID空制器、模糊控制器、模糊自适应控制器的构成，调节规律，模糊控制规则进行了研究。分析了模糊控制系统中，误差的量化因子、误差变化率的量化因子、比例因子对 系统性能的影

26、响。对本次实验用到的设备：“CS”自动化综合实验系统，德国倍福公司推出的基PC-base技术的TwinCA控制平台进行详细介绍。对C-base控制技术，和TwinCA平 台所用到的现场通讯协议Profibus-DP也作了一定的描述。对液位控制系统的被控对象水箱，应用阶跃响应法建立其数学模型。在控制程序的编写过程中，利用winCAT控软件提供的接门程序组件，与C+开发工具进行连接，进行混合编程研究，编制出基本模糊控制算法和监控画面。最后，针对过程对象中参数的时变性和实验系统的特点，设计了基本模糊控制器，模糊自适D控制器，并用Matlab/Simulink对液化控制系统进行实验仿真。通过仿真比较了

27、D空 制器，模糊控制器，模糊自适应控制器，带修正因子的模糊控制器的控制效果。仿真结果表明，模糊控制与传统制比较，具有良好的动念性能和稳态性能；模糊自适应具有很强 的鲁棒性；带修正因子的模糊控制器控制效果取决于修正因子的选择。常规控制实验和模糊控制实验结果表明：模糊控制的动态稳念性能更好。7. 期刊论文 孙叶青PID空制与模糊控制的比较-科技信息2010（14）本文以具有大惯性、大滞后特点的流水线加热炉为控制对象利用半实物仿真控制系统对其温度分别进行D空制和模糊控制根据控制结果的比较得出利用模糊控制方案对于控制具 有大惯性、大滞后的复杂系统比PID空制更有优势在不需要知道被控对象数学模型的前提禳

28、现起来比3ID空制更加简单同时便于修改控制参数和设计控制缩短实验时间节约成本 ，可以在过程控制中推广利用.8. 学位论文林益平高性能速度伺服系统研究2000该文围绕提高速度伺服系统的性能开展研究工作根据速度伺服系统的整体要求设计了基于Intel高性能单片机8XC196速度伺服系统的软、硬件经近一年的大量实验研究表明该系 统硬件设计正确功能齐全软件功能完备系统在强磁场环境下运行稳定可靠有工程实用价值通过数学推导和现场实测创建了系统各环节的数学模型按扰动性能和按阶跃响应性能设 计了二种工业界常用捌和PID空制器比较它们之间的优缺点指出常规控制器在参数选择上动、静态性能之间存在矛只能在二者之中折衷选

29、择难以获得完美的效果基于分析阶跃输 入响应曲线和相平面法分析模糊系统的基础上设计了速度伺服系统的模糊控制规则离线计算出控制查询表通过仿真和在线控制实验并与PID空制结果比较模糊控制比PID空制有较快的 响应速度但其稳态特性不女PID空制.在模糊控制算法设计中对比了在零点附近加入偏移量和不加偏量的控制效果0入偏移量后可以明显提高模糊控制动、静态，性由于模糊与=ID空制 各有所长若将它们结合起来构成模糊PID控制系统让它们各自发挥自己的长处使系统兼有模糊控制快速性和ID空制平稳性该文实现了能交替运用两种不同类型的模糊PID控制方式 ；点切换模糊控制和首创地提出具有切换滞环的模糊PID控制.该文将基

30、于神经网络优化-S模糊模型的模糊推理系统首次用于学习具有切换滞环的模糊ID控制器形成基于T-S模型的 模糊控制器实现在线仿滞环切换的模糊PID连续平稳控制由于不存在不同类型的控制之间的切t取得了很好的控制效果.9. 期刊论文 俞红卫.YU Hong-wei 一种PID空制与模糊控制相结合的智能温度控制系统-上海应用技术学院学报(自然科学版)2007,7(2)根据某加热炉的控制要求设计出一种PID空制与模糊控制相结合的智能控制系濟用Fuzzy-PIDt合控制算法具有模糊控制灵活、响应快、适应性强等优又具有PID空制精度高的 特点该系统采用3L作为控制系统的核心通过对偏差的智能化处理以及引入最大最

31、小限幅值智能分段控制等概念实现对数学模型不确定的控制对象的满意控鞭系统具有可靠性高、 使用寿命长等适合实际工业现场的特性.10. 学位论文陈淳辉模糊控制技术在数控机床中的应用研究2007常规PID空制具有算法简单、高精度和高可靠性等优点，其核心是参数的整定。对于确定性的被控对象通过适当地整定数，可以获得比较满意的控制效果，但对于不确定、大滞 后、非线性的复杂系统，则难以整定其参数，因此也比较难以达到预期的控制效果。而模糊控制不依赖于被控对象的模型，适应能力强，但它的稳态精度差。因此，针对常规和模 糊控制的特点，将模糊控制和常规ID空制两者结合起来，构成模糊ID空制器，此类控制器既具有模糊控制灵

32、活、适应性强的优点，又具有控制精度高的特点，从而获得理想的控制效 果。本文以此为目标，研究将模糊控制和D空制相结合的智能控制方式及其控制算法。机床控制系统是数控机床的关键核心部件之一，其性能的好坏直接决定数控设备的整体性能。通常设计进给控制系统时必须满足一定的要求，才能保证进给系统的定位精度和静态、 动态性能，从而确保数控机床的加工精确度。目前数控机床向着高速、高效率、高精度和高自动化的方向发展，进给控制系统的设计要求也就越来越高，因此深入研究数控机床进给控制 系统的动静态特性，这对数控机床性能的提高具有重要的意义。本文以典型的数控机床闭环进给控制系统为研究对象，在综合自适应控制、模糊控制以及

33、常D空制算法优点的基础上，设计出基于模糊规则切换的智能自适应模糊D复合控制器 ，使得整个控制器能够根据不同的响应阶段和性能指标，自动调整控制参数、自动切换控制算法，以适应数控进给控制系统在不同的工作状态下的动态性能要求。为了验证所设计的基于模糊规则切换的智能自适应模糊D复合控制器的可行性和有效性，文中利用atlab方真软件，对该控制器在实际工作过程的各种工况进行仿真分析。实验结 果证明，本文研究的基于模糊规则切换的智能自适应模糊D复合控制器对数控系统参数变化具有较强的鲁棒性和抗外界干扰能力，能够满足高精度数控系统对零件的加工要求。引证文献(50条)1. 佘致廷.黄文 基于DS的大功率高频软开关

34、电镀电源的设计期刊论文-微计算机信息2008(34)2. 全定可.白海涛.马惠铖PID空制与智能控制的融合期刊论文-科技资讯2008(32)3. 陈树湛.BAI Jing-feng .陈亚珠肿瘤热疗的区域多点温控研究期刊论文-中国医学物理学杂志2008(4)4. 殷云华.樊水康.陈闽鄂 自适应模糊PID空制器的设计和仿真期刊论文-火力与指挥控制2008(7)5. 叶文通.陈国定.黄云龙.刘莎 热工控制对象的不同控制方案的鲁棒性分析期刊论文-计算机仿真2008(6)6. 张锦龙.余重秀.胡晓明.刘兵 基于PID和FPG的宽带增益平坦拉曼放大器的实现期刊论文-光电子激光2007(12)7. 张锦龙

35、.余重秀.刘兵.颜玢玢.陈竞 高精度控制多泵浦实现宽带平坦的拉曼放大期刊论文-光学技术2007(6)8. 谭宝成.程智远.牟云霞.刘江移动机器人模糊控制系统的设计期刊论文-西安工业大学学报2007(4)9. 任长青.王宏华一种改进的Fuzzy-PIC复合控制研究期刊论文-机械制造与自动化2007(5)10. 李彬.郑宾.殷云华.陈闽鄂 模糊逻辑控制的改进与仿真期刊论文-机械工程与自动化2007(4)11. 钱志俊 基于DS控制的新型静止无功补偿控制器的设计期刊论文-自动化仪表2007(7)12. 廖明.罗利文智能多点模糊PID温度控制系统期刊论文-微计算机信息2007(10)13. 史云强模糊

36、PID空制在伺服系统中的应用期刊论文-舰船电子对抗2007(2)14. 左文涛 基于嵌入式平台的数控铳削加工递阶智能控制器研究学位论文硕士 200715. 傅松荣.贾梓平 体外反搏机电磁阀噪声抑制技术研究期刊论文-中国医疗器械杂志2006(2)16. 王兴贵.李国华.陈文睿 新型高能脉冲电源的研究期刊论文-电气应用2006(10)17. 史浩 基于DS的无刷直流电机的模糊控制学位论文硕士 200618. 陈克明 模糊控制理论在时滞系统中的应用学位论文硕士 200619. 姜永健 基于模糊理论的电站锅炉蒸汽压力控制研究学位论文硕士 200620. 邢霞 基于人工器官的智能执行机构一一人工腿的研究学位论文硕士 200621. 吴润 模糊控制在半导体氧化扩散炉中的应用学位论文硕士 200622. 胡慧琴.李少远 模糊控制系统的解析结构与鲁棒性分析期刊论文-上海交通大学学报2005(12)23. 张持健.王伦文.张铃 模糊控制中的序关系分析期刊论文-模式识别与人工智能2005(6)24. 张延彬.王现军 煤质分析仪器中的温度控