电子信息与电气工程学部智能控制论文

1、智能控制系统论文学 号： 31309045 姓 名： 王开祥 学 院：电子信息与电气工程学部1绪论22 PID控制原理简介32.1引言32.1PID控制原理32.2比例控制(P)42.3积分调节(I)52.4微分调节(D)63PID控制器应用技术简介83.1数字PID控制算法原理83.2位置式PDI控制算法83.3 控制规律的选择103.4 PID控制器的参数整定104模糊PID控制器及系统仿真104.1模糊自适应PID控制系统104.2 常规PID和模糊自适应PID控制系统的仿真比较114.4模糊自适应PID控制系统仿真135 总结16模糊自适应PID控制器及Simulink仿真摘要:随着工

2、业生产的发展，于20世纪30年代，美国开始使用PID功调节器，它比直接作用式调节器具有更好的控制效果，因而很快得到了工业界的认可。至今，在所有生产过程控制中，大部分的回路仍采用结构简单、鲁棒性强的PID控制或改进型PID控制策略。PID控制作为一种经典的控制方法，几乎遍及了整个工业自动化领域，是实际工业生产过程正常运行的基本保证;控制器的性能直接关系到生产过程的平稳高效运行以及产品的最终质量，因此控制系统的设计主要体现在控制器参数的整定上。随着计算机技术的飞跃发展和人工智能技术渗透到自动控制领域，近年来出现了各种实用的PID控制器参数整定方法。PID控制算法作为最通用的控制方法，对它的参数整定

3、有许多方法;对于不同的控制要求、不同的系统先验知识，考虑用不同的方法;这些算法既要考虑到收敛性、直观、简单易用，还要综合负载干扰、过程变化的影响，并能根据尽可能少的信息和计算量，给出较好的结果。为克服一自由度PID控制器无法兼顾目标跟踪和外扰抑制的缺点，结合二自由度控制器的结构和基于幅值最优化的控制器参数整定方法，并通过分析得到控制器参数求解公式，实现了二自由度PID控制器参数整定和二自由度Pl控制器参数整定。与常规控制方法相比，该方法得到的控制器具有更好的闭环响应性能，并且由于二自由度系数的半固定性，在整定PID控制器参数之前就可以确定，因此，对控制器参数的求解难度无影响。通过仿真比较研究，

4、对于连续对象，综合得到几种较好的基于继电器反馈的控制器参数整定方法，对离散采样数据采用基于最小二乘模型辨识的参数整定方沪书尸摘要法，提出并设计基于Matlab/simulink仿真工具的PID控制器参数整定仿真应用软件。介绍了PID整定控制器的应用框架、辅助设计与仿真软件的功能、特点，并给出了仿真实例。关键词：模糊PID控制器参数自整定 Matlab 自适应PID控制1绪论在工业控制中，PID控制是工业控制中最常用的方法。模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并目仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。到目前为止，现代控制理论在

5、许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而在工业过程控制中，PID类型的控制技术仍然占有主导地位。虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广、被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的基本控制单元。本文将模糊控制和PID控制结合起来，应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定，实现PID参数的最佳调整，设计出参数模糊自整定PID控制器，并进行了Matlab/Simulink仿真。仿真结果表明，与常规PID控制系统相比，该设计获得了更优的鲁棒性和动、静态性及具有良好的自适应性。随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在

6、非线性、滞后和时变现象。其中有的参数未知或缓慢变化;有的带有延时和随机干扰;有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。传统的PID(比例proportional，积分integral，微分derivative)控制器虽然以其结构简单、工作稳定、适应性好、精度高等优点成为过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器(据日本统计，当前工业上使用的控制中，PID控制约占91.3%，而现代控制理论的控制方式只有1.5%)，而且PID调节规律特别是对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节品质取决于PID控制器各个参数的确定。然而，针对上述的复杂系统，如果使用常规的PID

7、控制器，其PID参数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到满意的控制效果。为此，近年来各种改进的PID控制器如自校正、自适应PID及智能控制器迅速发展起来。模糊控制理论无论从理论方面还是应用方面都已经取得了很大的进展，但是与传统控制理论相比模糊控制理论仍然显得不够成熟。从上面的分析我们也可以看出模糊控制的主要缺点就是没有一个有效的分析和设计方法，仍然需要靠积累的专家经验。2 PID控制原理简介2.1引言PID调节器从上世纪40年代问世以来，至今已有半个多世纪的历史，在这前几十年工业过程控制中，除在最简单的情况下可直接采用开关控制以外，PID控制一直是最主要的控制方式。随着工业生产自动控制的

8、发展，由于人们的勤劳与智慧，为PID的发展和推广做出了巨大的贡献，使之成为工业过程控制中历史最悠久、生命力最顽强、应用最广泛的基本控制策略。就是在微处理技术迅速发展的今天，尤其随着电子计算机的诞生以及科学技术智能化的发展，涌现出各种新的控制方法，然而在生产过程控制中仍广泛应用PID控制或改变了形式的PID控制策略。以上足以说明PID控制在自动控制的发展过程当中，已具有不可替代的地位，并仍将成为今后新型控制策略中，具有主导地位的必要组成部分。PID控制之所以在生产过程中普遍采用，主要由于它具有良好的控制性能、鲁棒性好、可靠性高;控制算法简单、使用方便、灵活等优点。2.1PID控制原理PID控制是

9、偏差比例(P)、偏差积分(I)、偏差微分(D)控制的简称。在模拟控制系统中，常规模拟PID控制系统原理框图(如图2-1)所示。系统由模拟PID控制(虚框内部分)和被控对象组成。如图2-1模拟PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差公式（2-1）将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为公式（2-2）其传递函数形式为公式（2-3）式中 KP比例系数TI积分时间常数TD微分时间常数2.2比例控制(P)如图2-3 比例电路公式（2-7）公式（2-8）在比例调节器中，调节器的输出信号u

10、与偏差信号e成正比例，即公式（2-9）其中KP称为比例系数。比例调节即及时成比例地反映控制系统的偏差信号e，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例调节器的特点是简单、快速，对于具有自平衡性的控制对象可能产生静差(自平衡性是指系统阶跃响应终值为一有限值);而对于带有滞后的系统，可能产生振荡，系统的动态特性也随之降低。增大比例系数KP，可以加快响应速度，减小系统稳态误差，从而有利于提高控制精度。然而KP取的过大，系统开环增益也随之加大，一般将导致系统稳定性降低甚至激烈震荡(也有一些系统，其稳定性随KP增大反而变好。此时，如果残差过大，则需要通过其它途径解决)。减小比例系数KP，能使

11、系统减少超调量，稳定裕度增大，却同时降低了系统的调节精度，导致过度过程时间延长。根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以及操作者的经验，通常在控制的初始阶段，适当的把KP放在较小的档次，以减小各物理量初始变化的冲击;在控制过程中期，适当加大KP，以提高快速性和动态精度，而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将KP调小。2.3积分调节(I)2-4 积分电路公式（2-10）公式（2-11）公式（2-12）2-5微分电路在积分调节中，调节器的输出信号u的变化速度与偏差信号e。成正比，即公式（2-13）或公式（2-14）式中TI称为积分时间常数。可见偏差一旦产生，控制

12、信号不断增大，偏差信号消失后，控制信号保持原值，显然，在已知TI为常数的情况下，控制信号为常数当且仅当e=O，即对于一个带积分作用的控制器而言，如果它能够使闭环系统达到内稳，并存在一个稳定状态，则此时对设定值r的跟踪必然是无静差的。积分调节主要用于提高系统的抗干扰能力，消除静差，提高系统的无差度。积分调节的特点是，它相当于滞后校正环节，因此如相位滞后，使系统的稳定性变差。积分作用虽然可以消除静差，但不能及时克服静差，偏差信号产生后有滞后现象，使调节过程缓慢，超调量变大，并可能产生振荡。TI越大积分速度越慢，TI越小积分速度越快。即积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反

13、之则越强。增大积分作用即减小TI有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调过大，系统稳定性下降甚至引起振荡。减小积分作用即增大TI，虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，但又对系统消除静差不利。在控制系统设计实践中，通常在调节过程的初期阶段，为防止由于某些因素引起的饱和非线性等影响而造成积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调量，积分作用应弱些，而取较大的TI;在响应过程的中期，为避免对系统动态稳定性造成影响，积分作用应适中;在过程后期，应以较小的TI值以减小系统静差，提高调节精度。2.4微分调节(D)公式（2-15）公式（2-16）公式（2-17）实际中也有PI和PD控制器。PID控制

14、器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中如公式（2-18）和（2-19）:u(t)=Kp(e(t)+Td+) 公式（2-18）U(s)=+E(s) 公式（2-19）公式中U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换，其中、分别为控制器的比例、积分、微分系数。在微分调节器中，调节器的输出u与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，既公式（2-20）其中TD称为微分时间常数。可见微分作用输出只与偏差变化有关，偏差无变化就无控制信号输出，所以不能消除静差。调节器中增加微分作用相当于使控制输出超前了TD时间，TD为零时，相当于没有微分作用。

15、微分调节的特点是，针对被控对象的大惯性改善动态特性，它能给出响应过程提前制动的减速信号，相当于其具有某种程度的预见性。它有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性。3PID控制器应用技术简介3.1数字PID控制算法原理随着计算机的诞生与发展，传统的控制方式已经逐渐被数字控制方式所取代。在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机算法程序来实现的，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。3.2位置式PDI控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量

16、，因此公式（3-1）中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换:公式（3-1）式中T为采样周期，k为采样序号，k=0，1，2显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即略去了T。将(3-1)代入(2-2)，可得离散的PID表达式为公式（3-2）或公式（3-3）式中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)-第令(k-1)次采样时刻输入的偏差值；KI-

17、积分系数，KI=KD-微分系数，由Z变换性质得式(3-5)的Z变换式为公式（3-5）由式(3-6)便可得到数字PID控制器的Z传递函数为公式（3-6）数字PID控制器(如图3-1)所示。3-1数字PID控制器的结构图3.3 控制规律的选择由以上论述可知，无论采用常规模拟调节器还是数字调节器均可实现PID调节，但为了得到满意的控制效果，有时需要在控制过程中根据对象特性和负荷情况，合理选择控制规律。尤其是数字PID控制器算法简单，控制参数整定方便，并且其参数KP、TI、TD和T相对独立，要求计算机运算工作量比较小。所以采用数字PID控制器在线修改控制方案就能轻而易举的达到选择不同控制规律的要求3.

18、4 PID控制器的参数整定数字PID控制中一个至关重要的问题，就是控制器参数(比例系数、积分时间、微分时间和采样周期T)的整定。控制系统参数整定好坏，不但直接影响控制器的调节品质，而且还会影响到控制器的鲁棒性。自从产生PID控制以来，人们始终关注的重要问题之一，就是PID控制器参数整定问题。4模糊PID控制器及系统仿真4.1模糊自适应PID控制系统模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，让计算机把人的经验形式化、模型化，根据所取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并将其转化为精确量，作为馈送到被控对象(或过程)的控制作用。模糊控制表是模糊控制算法在计算机中的表达方式，它是根据输入输出的

19、个数、隶属函数及控制规则等决定的。日的是把人工操作控制过程表达成计算机能够接受，并便于计算的形式。模糊控制规则一般具有如下形式:If e = Ai and ec = Bithen u= Ci ,i=1,2,其中e,ec和u分别为误差变化和控制量的语言变量，而Ai、Bi、Ci为其相应论域上的语言值。应用模糊推理的方法可实现对PID参数进行在线自整定，设计出参数模糊自整定PID控制器。仿真结果表明，该设计方法使控制系统的性能明显改善。自适应模糊PID控制器是在PID算法的基础上，以误差e和误差变ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数

20、自整定的要求。利用模糊规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器，其结构框图如图4-1所示。4-1 自适应模糊PID控制器结构框图PID糊自整定是找出PID参数(KP、KI、KD）与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，从而使对象具有良好的动、静态性能，模糊控制的核心是总结工程设计人员的技术和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对3个参数KP、KI、KD,分别整定的模糊规则表。4.2 常规PID和模糊自适应PID控制系统的仿真比较利用MATLAB中的simulink工具箱和模

21、糊逻辑工具箱可以对经典PID控制系统和模糊自适应PID控制系统进行仿真，公式（4-1）4.3常规PID控制系统仿真在MATLAB中，构建PID控制系统仿真的模型如图4-2所示。利用稳定边界法、按以下步骤进行参数整定:4-2 PID控制系统仿真模型将积分、微分系数TI=inf ,TD=0，KP置较小的值，使系统投入稳定运行，若系统无法稳定运行，则选择其他的校正方式。逐渐增大KP, 直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程，记录此时临界振荡增益KC临界振荡周期TC。按照经验公式:，,。整定相应的PID参数，然后进行仿真校验。等幅振荡时: KC=12.8，TC=25-10=15临界稳定法整定后参数：KP

22、= 7.6800 ； Ti= 7.5 Td= 2，得到 KI=1,KD=15等幅振荡如图4-3，4-3 系统等幅振荡图临界振荡整定法整定后图形如4-4 传统PID控制系统仿真结果4.4模糊自适应PID控制系统仿真首先利用F IS图形窗口创建1个两输入（e、ec）和三输出（KP、KI、KD）的Mamdani推理的模糊控制器，如图4-5设输入（e、ec）的论域值均为（-6,6），输出（KP、KI、KD）的模糊论语为（-3,3），取相应论域上的语言值为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中（PM）和正大（PB），而令所有输入、输出变量的隶属度函数均为trinf如图4-6，