模糊自适应PID控制..

1、系统辨识与自适应控制课程论文基于Matlab的模糊自适应PID控制器仿真研究学院：电信学院专业：控制工程名：学号：基于Matlab的模糊自适应PID控制器仿真研究（辽宁科技大学电信学院鞍山）摘要：传统PID在对象变化时，控制器的参数难以自动调整。将模糊控制与PID控制结合，利用模糊推理方法实现对PID参数的在线自整定。使控制器具有较好的自适应性。使用MATLAB对系统进行仿真，结果表明系统的动态性能得到了提高。关键词：模糊PID控制器；参数自整定；Matlab；自适应0引言在工业控制中，PID控制是工业控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性:当控制对象不同时，控制器的参数难以自动调整以适

2、应外界环境的变化。为了使控制器具有较好的自适应性，实现控制器参数的自动调整，可以采用模糊控制理论的方法1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兀。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

3、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。r(t)1PID控制系统概述PID控制器系统原理框图如图1所示。将偏差的比例（Kp）、积分（KJ和微分（KD）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，KP、KI和KD3个参数的选取直接影响了控制效果。图1PID控制器系统原理框图在经典PID控制中，给定值与测量值进行比较，得出偏差e(t)，并依据偏差情况，给出控制作用u(t)。对连续时间类型，PID控制方(1)程的

4、标准形式为，u(t)=Ke(t)+Jfe(t)dt+Tde(t)CT0DdtI式中，u(t)为PID控制器的输出，与执行器的位置相对应；t为采样时间；Kp为控制器的比例增益；e(t)为PID控制器的偏差输入，即给定值与测量值之差；TI为控制器的积分时间常数；TD为控制器的微分时间常数。离散PID控制的形式为2)u(k)=Ke(k)+T丈e(j)+Te(k):k»pTDTIj=0式中，u(k)为第k次采样时控制器的输出;k为采样序号，k=0,1.2;e(k)为第k次采样时的偏差值;T为采样周期;e(k-1)为第(k-1)次采样时的偏差值。离散PID控制算法有如下3类:位置算法、增量算法

5、和速度算法。增量算法为相邻量词采样时刻所计算的位置之差，即(3)Au(k)=u(k)一u(k一1)=Ke(k)一e(k一1)+Ke(k)+Ke(k)一2e(k一1)+e(k一2)PID式中，K=K，K=KD。IPTDPTI从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，KP、KI、KD对系统的作用如下。(1) 系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定、KP过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。(2) 积分系数KI的作用是消除系统的稳态误差。叫越

6、大，系统的稳态误差消除越快，但KI过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调;若KI过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。(3) 微分作用系数KD的作用是改善系统的动态特性。其作用要是能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变的太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。KP、K、K,D与系统时间域性能指标之间的关系如表1所示。参数名称上升时间超调亮过渡过程时间静态误差KP减少增大微小变化减少KI减少增大增大消除KD微小变化减小减小微小变化表1Kp、K、K,D与系统时间域性能指标之间的关系2模糊自适应PID控制系统

7、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：Ife=Aiandec=Bithenu=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A：、BpCi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P

8、ID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2所示e(t)-PID对象1de/dt4调节卅模制推理ec(t)图2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、K、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

9、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、K、KD,分别整定的模糊规则表。3常规PID和模糊自适应PID控制系统的仿真比较利用MATLAB中的SMUL11VK工具箱和模糊逻辑工具箱可以对经典P1U控制系统和模糊自适应PID控制系统进行仿真，G(S)=(5s+1)(2s+1)(10s+1)3.1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3所示。利用稳定边界法、按以下步骤进行参数整定：图3PID控制系统仿真模型(1) 将积分、微分系数T=inf,TD=0,KP置较小的值，

10、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，(2) 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:于Obi，T二0.5T；,Td二0.1257；。整定相应的P【D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：得到KI=1,KD=15KP=7.6800；Ti=7.5Td=2TTK=K，K=Kdiptdpt等幅振荡如图4，1.81.61.41.210.80.60.40.20102030405060708090100图4系统等幅振荡临界振荡整定法整定后图形如下：图5传统P

11、ID控制系统仿真结果3.2模糊自适应PID控制系统仿真首先利用FIS图形窗口创建1个两输入（e、ec）和三输出（Kp、K【、KD）的Mamdani推理的模糊控制器，如图6设输入（e、ec）的论域值均为（-6,6）,输出（Kp、K【、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6,图7所示;图9为PID控制的3个参数（KP、片、TD）的模糊控制规则。FileEditViewEGEminuFISType:mamdaniFISName:Andm

12、ethodOrmethodImpllcevtlonAaareostionDeTuzzlTlcatloncentraidCurrentVariableNameTypeRangeEInput-66F?enaniEd尸喧t口"e口hu"FISVariablestKPECKIKC图6模糊控制器窗口Close图7E、EC的模糊论域和隶属函数FISVariablesKCoutputvariable'KP图8KP、KI、KD的模糊论域和隶属函数1. lf(EisNS)andEC蛙NBJthen(KPsPBKIisNBXKQisPS)(1)2. lf(EisNB)and(ECisN

13、hXlthen(HPisPBJ(NisNB)i：lDisN3J旳3. lf(EisND)and(ECisNS)then(MPisPMJ(KIisNM)(I5DisNB(1)4. lf(EisNB)and(ECisZO)then(KPisPM)(KIisNM)(KDis5. lf(EisNB)and(ECisPSJihen(KPisPS)(KIisNS)CKDisNB)(1)6. lf(EisND)and(ECisPM)then(KPisZ0)(KIisZQXHJDisNM)(1)7. lf(EisNB)and(ECisPBJ-then(KPisis2O)(KDisPSJ口)8. lf(EisN

14、M)and(ECisNB)then(KPisPBKIisNB)(KDisPS)(139. ir(EisNM)and(ECisNM)then(KPisPB)(KIisNB)(KDisNS(1)1U.If(EisNM)and(ECisNS)then(KPisPMKIisNM)(KDisNB)111.IT(EisNMjand(ECisZO)then(KPisP3)(KIisNS)(KDisIMM(112.lf(EisNMjand(ECisPSthen(KPisPS)(KIisNS)(KDisNM)13.lf(EisNMJand(ECisPMJthen(KPisZOKIisZQ)(KDisNS(1)1

15、4.lf(EisNMOand(ECisPBDthen(K卩isNS)(KIisZO)(KDis上Qj(1315.IT(EisNS)and(ECisNBJthen(KPisPM)(NisNBJDisZO)16.lf(EisNS)and(EC材NMJthen<KPisPM)(KIis邺KE3isNS)(1)17.ITCEisNS)and(ECisN3then(KPisPM)(KIisNSJtKDisNM)(1318.ITCEisNS)and(ECisZOJthen(KPisPS)(NisNSJCDisNM)19.lf(EisNS)and(ECisPS)then(KPisZO)(KIisZO)

16、(KDisMS)20.11(EisNS)and(ECiePMthen(KPisNS)(KIisPS)(KDi£NS)(1j21.If(EisIM勺and(ECiePBJthen(KPisNSKIisPSKDisZO)22. If(EisZOand(ECisNBJthen(KPisPM)(KIisNMXKDisZ0)(1J23. If(EisZOand(ECisNM)then(KPisPM)(h(lisNMXKDisN3)(1J24. If(EisZ<T)and(ECisNSjthen(KPisPS)<KIis忖S)(KDisNS)25. If(tisZOand(ECisZ

17、O)then(KPis2O)(KIisZO)(KDisNS)口j26. If(EisZOand(ECisPSthen(KPisNSXKIisPSXKDisNS)27. If(EisZOand(EGisPM)then(KPisNM)(KIisPMXKDisNS)(1)28 If(EisZ<Tand(ECisPBthen(KPisNM)(KIisPM)(KDisZO)(1)29 If(EisPS)and(ECisNBJthen(KP倍PS)(KIisNM(KDisZO)30.If(EisPS)and(ECisNMJthen(KPisPSXKIisNSJ(KDisZO)(1)31 ,lf(Ei

18、sPS)and(BZisN3then(KPisZOKIisZO)(KDisZO)(1)32 lf(EisPS)and(EGisZOJthen(KPisNSKIisPS)(KDisZO(1)33 ,lf(EisPS)and(ECisPS)then(KPisNS)(KIisPS)(KDis20)(134.lf(EisPS)and(ECisPMthen(KPisisPM)(KDisZ0)(1)35,lf(EisPS)and(ECisPBthen(KPisNM)(KIisPBXKDisZO)Cn36.lf(EisPMand(ECisNBJihen(KPisPS)(KIisZO)(KDisPB;(1)3

19、7.lf<EisPMJand(ECisNM)then(KP怡ZO)(KIisZOKDisNS)38.lf(EisPMJand(ECisMS)-then(KPisNSJ(KIisPS)(KDisPS)(1)39.lf(EisPMjand(ECisZO)then(KPisNM)(KIisPS)(KDisPS(1)4Qlf(EisPM：and(ECisPSJthen(KPisM3)(I5IisPhXl)(KDisP3)(1J42. If(EisPM)and(ECisP日)then(KPisNMKIisPB)(KDisPB)43. If(EisPB)and(ECisNB)then(KPsZOKI

20、isZO)(KDisPBJ0)44. If(EisPB)and(ECisNM)then(KPisZO)(KIisZOKDisPM)(1)45. lf(EisP0)and(ECisNS)then(KPisNMj(KIisPS)(KDisPM)46. If(EisPB)and(ECisZO)then(KPisNM)(KIisPM)(KDisPM)(1)47. If(EisPB)and(ECisPS)then(KPisNM其KIisPM)(KDisPS)48 If(EisPB)and(ECisPM)then(KPisNBJ(KIiePB)(KDisPS)49 If(EisPB)and(ECisPBJthen(KPisNB)(KIisPa)(KDisPB)(1)图9模糊控制规则