动态切换模糊PID控制器

III动态切换模糊PID控制器的研究和设计摘要PID控制器由于其容易实现、结构简单，而且具有较强的鲁棒性，理论体系成熟等特点，在实际工程控制中得到了极为广泛的应用。但是一旦PID控制器的某组参数确定，它将仅与当前指定被控对象匹配，当被控对象不发生时变时，该控制器可以获得非常好的控制效果。但现实工业现场中，很多被控对象在运行的过程中会发生缓慢的时变以及受到不确定性的干扰，定参数的PID控制器由于其无法实现参数的自整定而与当前时变对象进行最佳匹配，从而可能导致控制性能严重变差。模糊控制器源自专家等人的经验，鲁棒性强，但某些场合无法消除系统相应的稳态残差。本文的工作是先从理论上分析PID和模糊控制器的优缺点，再结合两者的优点，并采用模糊控制器和经典PID控制器并行结构另加一个转换开关，实现动态切换模糊PID控制。本设计还对模糊PID动态切换控制控制器进行了仿真，同时对经典的PID控制、模糊控制进行了仿真，将它们的控制效果与采用模糊PID动态切换控制的效果进行对比，验证了动态切换模糊PID控制器的控制品质。关键词：PID控制模糊控制模糊PID切换控制DynamicswitchingfuzzyPIDcontrollerresearchanddesignAbstractPIDcontrollerhasbeenwidelyusedintherealcontrolengineeringforitsadvantagessuchasstructuresimplicity,butalsohasstrongrobustnessandmatureintheory.OnceagroupofPIDcontrollerparameters,however,itwillonlywiththecurrentspecifiedcontrolledobjectmatching,whenthecontrolledobjectisnotoccurredtime-varying,thiscontrollercanobtaingoodcontroleffect.Butrealindustrialsite,alotofcontrolledobjectwillhappenintheprocessofrunningslowtime-varyinganduncertaintyofdisturbance,andsettheparametersofPIDcontrollerbecauseitcannotaccomplishtheself-tuningoftheparametersandthetime-varyingobjectsforthebestmatch,leadingtoseriouspoorcontrolperformance.Nevertheless，fuzzycontrolalgorithmwhichhasstrongadaptabilityofcontrolobjectparametervariationCanensurethefastresponseandlessovershootforthecontrolsystem，butithasthedisadvantageofstaticerrorremaining.TheworkofthispaperistotheoreticallyanalyzetheadvantagesanddisadvantagesofPIDandfuzzycontroller.Combiningtheadvantagesofboth,andusestheclassicalPIDcontrollerandfuzzycontrollerinparallelstructureplusachange-overswitch,switchtoimplementdynamicfuzzyPIDcontrol.ThisdesignalsodynamicswitchingcontroloffuzzyPIDcontrolleraresimulated,andtheclassicPIDcontrolandfuzzycontrolaresimulated,andtheircontroleffectanddynamicswitchadoptsfuzzyPIDcontroleffectiscompared,verifythefuzzyPIDcontrollertocontrolquality.Keywords:PIDcontrol;Fuzzycontrol;FuzzyandPIDswitchingcontrol目录TOC\o"1-3"\h\u6378摘要 I1951Abstract II22947第一章绪论 143861.1选题背景及意义 126091.2控制器发展现状 220031.2.1自适应控制器 2159191.2.2PID控制器 241591.2.3模糊控制器 3291391.2.4模糊PID控制器 3246361.3论文的主要内容 319524第二章常规PID控制器 5205652.1引言 5250492.2PID控制系统 5126912.2.1PID控制器的基本结构和基本原理 5238752.2.2PID控制器参数对控制性能的影响 6211302.3临界比例度法整定PID参数 10283832.3.1PID参数整定的作用与分类 10137812.3.2临界比例度法 1071112.3.3Simulink仿真 11198102.4本章小结 134712第三章模糊控制器的设计与仿真 14269493.1引言 1462923.2模糊控制系统 14158433.2.1模糊控制系统的组成 1419083.2.2模糊控制的特点 15175883.3模糊控制器的分类 16112103.3.1按输入输出变量个数分类 1651113.3.2模糊控制器其他分类 17218453.4模糊控制器的设计与仿真 17279043.4.1二维模糊控制器的结构设计 18303033.4.2二维模糊控制器的规则设计 18322733.5建立模糊控制系统的仿真模型 20319343.5.1模型传递函数与仿真模型 20317073.5.2模糊控制系统仿真与分析 2060913.6本章小结 216163第四章模糊PID动态切换控制器的设计 22315174.1引言 22178694.2模糊PID动态切换控制器设计 22276534.2.1控制器设计的思路 223684.2.2切换控制器的切换时机分析 2361864.3Fuzzy-PID动态切换控制系统的仿真 24167644.3.1控制器的仿真模型 24260314.3.2结果分析 2678214.3本章小结 2712736第五章结论与展望 2829740参考文献 2922669致谢 31第一章绪论南京工业大学本科生毕业设计(论文)PAGE30PAGE29第一章绪论1.1选题背景及意义随着社会的发展，越来越多的工业制造趋于自动控制，最大限度的将人的双手从传统作坊中解放出来，进而提高社会生产力。自动控制技术是工业领域研究人员的重点问题。由于工业现场中被控对象的复杂性、非线性及时变等因素，很多被控对象的精确数学模型难以建立，PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。常规PID控制经过半个多世纪的发展，已经成为工业过程控制中生命力最顽强、应用最广泛的基本控制策略。由于规律简单、鲁棒性好、运行可靠、易于实现等特点，在微处理技术迅速发展的今天，仍是目前工业生产过程控制系统中应用最广泛的一类控制器。但常规的的PID调节器还存在着许多不足的地方[2][3]，比如：(1)一组PID参数只能给定一组控制性能，即一旦PID参数确定，被控对象的动态响应确定，尤其针对大时滞环节的被控对象在响应速度、超调量两方面无法同时满足。(2)在实际的控制过程中，由于被控对象的高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点，过程参数有的时候甚至连模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。(3)然而只有不到一半的PID控制器在实际应用过程中取得了令人满意的控制效果,大部分PID控制系统的控制性能达不到用户所期望的要求。这给控制理论研究和应用带来了前所未有的机遇和挑战。模糊控制器FC作为一种新型的控制器，近年来有了很大的发展和应用。模糊控制器与PID控制器相比其显著的优点是不需要知道控制对象的数学模型，而且它是依据人工控制规则对控制决策表进行设计。模糊控制与PID控制的联系非常的紧密,事实上,在许多情况下把模糊控制被称作为非线性PID控制。一般情况都采用误差()和误差变化()作为模糊控制器的输入变量,因此，模糊控制器与常规的PD控制器的作用相似[4]。虽然模糊控制器可以使控制系统具有良好的动态性能，但是这种控制器却无法消除系统的静态残差，因此在精度要求高的场合还是不能得到应用。针对上述PID控制器和模糊控制器存在的缺点本文提出了种新型的控制器即模糊PID动态切换控制器，模糊PID动态切换控制器又继承了PID控制器良好的静态特性，能够有效的消除系统的稳态误差，提高精度，它的这些特性对提高工程应用系统的稳定性和安全都有着十分重要的意义。1.2控制器发展现状1.2.1自适应控制器自适应控制器是一种具有一定适应能力的控制器，它可以根据控制系统环境条件的改变，并自动校正控制动作，从而使整个系统达到最佳控制效果，如图1-1所示。图1-1自适应原理框图1.2.2PID控制器在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节[5]。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便[6]。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。传统的控制理论都建立在被控对象精确模型(传递函数和状态方程)的基础上[7]，而对一些复杂系统，建立其数学模型是比较困难的，有时甚至是不可能的，也就无法用系统控制方法实现自动控制，但由人工控制却往往做的比较好。而模糊控制正是总结操作人员的经验并形成语言规则，运用模糊集合论模拟操作人员的操作和决策，从而实现自动控制[8]。1.2.3模糊控制器模糊控制系统是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年美国的扎德创立了模糊集合论，1973年,他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年英国的Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器,并把它用于锅炉和蒸汽机的控制[9]在实验室获得成功,这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制系统主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法,它将人的经验、常识等用自然语言的形式表达出来,建立一种适用于计算机处理的输入输出过程模型,是智能控制的一个重要研究领域[10]。1.2.4模糊PID控制器模糊PID控制器是在模糊控制和常规PID控制相结合的相结合的基础上做出的研究。这种相结合的控制器得到了越来越多学者的关注。模糊PID控制器是一种双模控制形式[11][12]。这种改进的控制器主要目的是在控制系统中消除模糊控制作用中存在的统稳态误差,通过PID控制器使系统具有良好的控制精度,消除误差,以及增强系统的稳态性能。在PID控制的基础上,相继提出了FI—PI、FI—PD、FI—PID三种形式的结合方式,并能通过许多种方式得出模糊控制器中量化和比例这两个因子与PID控制器的因子、、三个参数之间存在的关系式。但是如今模糊PID控制器的结合方式多以模糊控制器的输出去调整PID控制器的参数为主[13]，从而实现PID参数的自整定。但这种结合方式需要模糊控制器的维数多，且控制规则复杂，导致控制设计困难，不能得到广泛的运用，因此，没有一套系统的的理论体系作为基础和依据，将会是这种新型结合方式面临的一个严峻的问题[14][15]。这就需要一种结构简单，能够充分发挥PID控制器和模糊控制器优点的新的结合方式的模糊PID控制器。1.3论文的主要内容本文首先对常规PID控制器进行分析，得出PID控制器的优缺点，然后对模糊控制器进行分析的得出模糊控制器的优缺点，最后结合这两种控制器的优点设计出模糊PID动态切换控制器，然后这种控制器进行仿真分析，将得出的动态响应曲线与PID和模糊控制器的得出的曲线进行比较，通过比较来验证模糊PID动态切换控制器不仅弥补了经典PID控制在快速性、超调量上的不足。同时还该改善了模糊控制器在消除系统稳态误差上的缺点，对提高控制系统的精度起到了很好的作用论文的工作安排如下：第一章绪论。针对课题的选题背景，选题意义，对此课题的国内外研究现状及论文的主要章节内容安排情况进行概括性描述。第二章常规PID控制器的分析与仿真。重点介绍PID控制器的原理和特性，并通过仿真得出的图像分析了比例，积分，微分作用对控制性能的影响。最后简单的介绍了PID参数整定的作用与分类以及通过临界比例度法对PID控制器的参数进行整定，并进行了仿真与计算。模糊控制器的设计与仿真。本章简单介绍了模糊控制的特点，系统组成以及模糊控制器的分类，重点介绍了模糊控制器的结构与规则设计，最后对设计好的模糊控制器进行了仿真与分析的出了模糊控制器的控制效果图。模糊PID动态切换控制系统的设计与仿真分析。针对模糊与PID控制器在控制过程中存在的不足，提出了一种模糊PID动态切换控制模型，并对模糊PID动态切换控制系统进行设计和仿真分析。同时，采用经典的PID控制、纯模糊控制进行仿真并以其仿真结果作为参照，与模糊PID动态切换控制控制器的仿真结果进行比对和分析，验证模糊PID控制器控制品质的优越性。第五章总结了本论文的研究工作及成果，对论文的进一步研究方向提出了建议。第二章常规PID控制器南京工业大学本科生毕业设计(论文)第二章常规PID控制器2.1引言在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近几十年历史，它由于结构简单、工作可靠、稳定性好、调整方便而成为如今工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。虽然PID控制器由于结构简单、使用方便、鲁棒性强等优点，在工业控制中得到了广泛的应用，但由于传统PID控制器的结构还不完美，普遍存在积分饱和，过渡时间与超调量之间矛盾大等缺点。所以改进传统PID控制器也就成了人们研究的热点。本章主要介绍PID控制器的基本原理、基本结构，PID控制器参数对控制性能的影响和控制规律的选择。2.2PID控制系统2.2.1PID控制器的基本结构和基本原理PID控制器是一种基于偏差“过去、现在、未来”信息估计的有效而简单的控制控制器。常规PID控制系统原理图如图2-1所示。图2-1PID控制系统原理图整个系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线形控制器，PID控制器根据给定值和实际输出值构成偏差，即(2-1)然后对偏差按比例、积分和微分通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制，由图2-1得到PID控制器的理想控制器为：(2-2)或者写成传递函数的形式为：(2-3)其中，—比例增益、—积分时间常数、—微分时间常数。式(2-2)和式(2-3)是最常用的两种PID控制器的表达式形式。在数字计算机代替模拟调节器组成的计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。其中经常采用的是数字PID位置型控制控制器，其控制规律是：(2-4)在表达式(2-2)-(2-4)中比例、积分、微分作用的实现表述的很清楚，与之对应的控制器参数包括比例增益()、积分时间常数()和微分时间常数()。、、的取值将直接影响到PID控制系统的控制效果，下面会对这按个参数的作用做具体分析。2.2.2PID控制器参数对控制性能的影响(1)动态性能的指标定义描述稳定的系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间的变化状况的指标，称为动态性能指标。如图2-2(a)(b)所示。(a)(b)图2-2单位阶跃响应对于图2-2所示的单位阶跃响应其动态性能指标通常如下：延迟时间指响应曲线第一次达到其中值的一半所需的时间。上升时间指响应从终值10%上升到终值90%所需要的时间；对于有振荡的系统，亦可定义为响应从零第一次上升到终值的所需要的时间。峰值时间指响应超过其终值达到第一个峰值的时间。调节时间指向应达到并保持在终值5%误差内所需的最短时间。超调量%指响应的最大偏离量与终值比的百分数。(2)比例作用对控制性能的影响在PID控制器中比例作用就是及时成比例的放大控制系统的偏差信号，当控制系统中一旦出现偏差()，此时与偏差成比例的控制作用将会产生，以便能够减小偏差()。比例控制作用的优点是反映速度快，但作用于有些控制系统时，稳态误差还是有可能存在的。如果增大比例系数，可以减小系统的稳态误差()，但稳定有可能变差。以式(2-5)所述的被控对象为例，分别进行实验：(2-5)从图2-3可以看出随着比例系数的增大，系统响应速度变快，系统的调节精度更高，但同时可能会造成更大的超调。图2-3比例控制的系统响应(2)积分作用对控制性能的影响控制系统中积分作用可以消除稳态误差，提高系统的精确度，可以实现对目标值的无误差跟踪。对于已处于稳定状态的闭环控制系统，它的输出和误差量保持为常值和。则由式(2-2)可知，如果控制器的输出要为一个常数，只有当且仅当控制系统的动态误差()时才能够实现。因此，可得出只有没有动态误差时积分作用才会停止，这时输出保持为一常值。积分时间常数()决定了控制系统中积分作用的强弱，越小，系统中的积分作用越强，反之如果越大则积分作用弱。但是积分作用会使系统动态响应变慢，稳定性下降。从图2-4可以看出随着积分时间常数增大(减小)，静差在减小；但是过小的会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定，这种“过积分饱和”现象应及时限制；而很小的(很大)，又会因为积分作用不够而延长稳定时间，这种情况在实际过程中被称为“欠积分”。图2-4比例积分控制的系统响应()(3)微分作用对控制性能的影响控制系统中的微分作用，主要是使控制系统具有良好的稳定性和控制性能。由于微分作用能够对控制系统误差变化率做出反应，可以预测误差变化的趋势，因此能够在控制系统中提前产生控制作用。简而言之，微分作用就是在误差还没有产生前，就已经对其进行抑制。由上所述，微分作用能够有效的可以提高系统的动态性能。微分时间常数()的大小决定了控制系统中微分作用的大小，越大，系统中的微分作用就越强，相反微分作用越弱。在控制系统中合适的微分作用可以有效的减小调节时间和超调量。但是，如果只是不断地增加微分调节则会影响系统的抗干扰能力。同时，微分作用是对误差变化率的反应，当没有偏差变化时，微分作用的输出为零。从图2-5可以看出随着微分时间常数增加，超调量减小。微分作用也从一定程度上消除了响应曲线的尖峰，使得响应曲线更加平滑。总的来说，微分可改善系统的动态性能，在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，可有效减小超调和振荡，并增大调节时间。图2-5比例积分微分控制的系统响应(，)2.3临界比例度法整定PID参数2.3.1PID参数整定的作用与分类PID控制器参数整定，是指在控制器规律已经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。在一些学者和专家提出PID控制器参数经验公式法之后，相继出现了很多参数整定的方法被用于整定PID控制器的参数。可以把这些方法按照发展阶段分为常规整定方法和智能参数整定方法；如果按照被控对象个数的个数分类，可分为单变量以及多变量PID控制器参数整定方法；按照控制量的组合形式可以把PID控制器参数整定的方法分为线性和非线性两种参数整定方法[16][17]。下面将会用临界比例度法整定常规PID控制器的参数方法，并进行出相应的仿真。2.3.2临界比例度法(1)临界比例度法的定义[18][19]临界比例度法是在闭环的情况下，将PID控制器的积分和微分作用先去掉，仅留下比例作用，然后在系统中加入一个扰动，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益，重做实验；相反如果系统响应的振荡幅度不断增大，则需要减小。实验的最终目的，是要使闭环系统做临界等幅周期振荡，此时的比例增益就被称为临界增益，记为；而此时系统的振荡周期被称为临界振荡周期，记为。临界比例度法就是利用和由经验公式求出P，PI和PID这三种控制器的参数整定值。表2-1所示就是ZN临界比例度法参数整定经验公式。表2-1临界比例度法参数整定经验公式PID控制器参数P型控制器0.5PI型控制器0.450.83PID型控制器25(2)临界比例度法存在的不足虽然用临界比例度法进行参数整定比较简单，也曾广泛应用到工程上，但是这种整定方法还是存在着一些些不足：A)想要获得和，这是比较困难的，当系统的时间常数很大时，这种方法更难实现参数整定。B)在控制现场，当时的控制环境存在的各种干扰会直接影响由于现场实验中存在着不确定的影响会给实验数据带来一定甚至关键的噪声，因而会对最终的控制品质但来很大的影响。C)对不允许做临界振荡实验的系统，该整定方法不能运用到不能做临界振荡的控制系统。2.3.3Simulink仿真(1)PID控制器SIMULINK仿真结构图所选的模型传递函数和上述传递函数相同。图2-6PID控制器SIMULINK仿真结构图(2)用试凑法得出的等幅周期振荡曲线(a)(b)图2-7对象模型在临界增益下的临界振荡图2-7(a)所示为对象模型在整个仿真时间内的闭环振荡图，此时临界振荡增益=10；同时，为了方便计算临界周期，特画出一个周期范围的对象临界振荡图，如图2-7(b)所示，此时求得振荡周期为=2.12s。由表2-1可求得临界比例度法的PID控制器整定值为：，，。将基于这些参数所获得的PID控制器用于原被控对象中，获得如图2-8所示的阶跃响应曲线。图2-8PID控制器闭环控制效果图如图2-8所示，用临界比例度法整定的PID控制器具有很快的系统响应，系统快速稳定且稳态残差为零，但超调量较大(接近30%，工业期望值一般小于5%)，故在某些要求不高的场合，可用临界比例度法整定相应的PID控制器的参数，而在控制要求非常高的场合，则可在临界比例度法所获得PID控制器的一次参数的基础上进行二次试凑或用其它方法获得控制性能更加完美的PID控制器参数。2.4本章小结本章通过对常规PID的仿真分析得出了比例，积分，微分作用对PID控制性能的影响，画出了在不同的、、下PID控制器的阶跃响应曲线，最后用临界比例度法对PID参数进行了整定，并进行了仿真与计算，为模糊PID动态切换控制系统的设计奠定了基础。第三章模糊控制器的设计与仿真南京工业大学本科生毕业设计（论文）第三章模糊控制器的设计与仿真3.1引言在日益复杂的被控过程面前，由于不可能得到过程的精确数学模型，传统的基于精确模型的控制系统设计理论(包括古典控制理论及现代控制理论)受到严峻挑战。智能控制通过在系统控制和决策中引入人工智能，实现了对这些用传统控制理论难以控制的过程的有效控制。智能控制理论覆盖的范畴十分广泛，其主要分支有模糊控制、学习控制、专家控制、神经网络控制等[20][21]。模糊控制是近代控制理论中的一种基于语言规则与模糊推理的高级控制策略和新颖技术，它作为智能控制的一个重要分支，发展迅速，应用广泛，实效显著，引人关注。本章就本论文涉及到的模糊控制部分进行论述;首先概述模糊控制系统，然后简要介绍模糊控制器的组成及其设计方法，最后对模糊控制器通过simulink进行仿真得出模糊控制器的效果图。3.2模糊控制系统3.2.1模糊控制系统的组成模糊控制是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性空的角度分类，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，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式。由于它是一种计算机数字控制，因此它的组成类似于一般的数字控制系统，如图3-1图3-1计算机模糊控制系统框图其中模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊系统的优劣主要取决于模糊控制器的结构，以及所采用的模糊规则、合成推理控制器和模糊决策的方法等因素，模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口4个部分，糊控制器组成如图3-2所示。图3-2模糊控制器(1)模糊化接口：将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值求该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合[22]。(2)知识库：包括数据库与规则库两部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。(3)推理机：模仿人类判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精髓所在。(4)清晰化接口：将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为系统的输入值。3.2.2模糊控制的特点概括地讲模糊控制具有以下特点[23]：(1)它是一种非线性控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制。(2)它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能利用人的经验知识或其它方法来设计模糊控制器完成控制任务;而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型，才能设计控制器。(3)它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整。(4)控制器简单，执行快易于实现。(5)不需要很多的控制理论知识，容易普及推广。由于模糊控制具有上述的几个有点，因此很多国际著名的专家学者指出：“模糊控制是21世纪的控制技术”，将有非常广阔的发展前途和产品市场[24]。3.3模糊控制器的分类随着人们对模糊控制器的深入研究和广泛应用，模糊控制器从原来单一的结构形式已发展成为多种多样的结构形式。从模糊控制器输入、输出变量的个数多少可以分为单变量和多变量两种类型的模糊控制器[25]。3.3.1按输入输出变量个数分类(1)单变量模糊控制器结构在模糊控制系统中通常把单变量模糊控制器的输入变量个数称之为模糊控制的维数。1.一维模糊控制器(FC)它的输入变量往往选择为受控变量的实测值和给定值之间的偏差，由于仅仅采用偏差值，很难反映受控对象的动态特性品质，因此，所能获得的动态性能是不能令人满意的。这种模糊控制器往往被用于一阶被控对象，结构如图3-3。图3-3一维模糊控制器2.二维模糊控制器由于二维模糊控制器的选用的是偏差E以及偏差的变化EC作为系统的输入，它可以较为准确的对控制系统输出变量的动态特性做出反应，因此，控制效果比一维模糊控制器好得多，是目前采用比较广泛的一类模糊控制器，结构如图3-4。图3-4二维模糊控制器3.多维模糊控制器多维模糊控制器它是指控制输入变量数多于两个的模糊控制器。但是因为多维模糊控制器有着非常复杂的结构，而且在控制推理是会耗费很长的时间，因此只有在对动态性能要求很高的控制中才会采用这种控制器。图3-5为三维模糊控制器，它是以系统的设定值的偏差E、偏差的变化率ECC以及E的变化率ECC作为它的输入变量的。图3-5三维模糊控制器从理论上讲，控制系统中算选的模糊控制器维数越高，整个控制系统的控制精度就越高，但如果控制器的维数太高，这就大大的增加了控制规则的复杂程度，增加了规则制定的困难，基于模糊合成推理的控制器计算机实现就更困难，这是多维的模糊控制器不能够得到广泛运用的原因。(2)多变量模糊控制器的结构多变量的模糊控制器主要出现在多变量模糊控制系统中，结构如图3-6。图3-6多变量模糊控制器个多输入-单输出的模糊控制器可以由个多输入-多输出的模糊控制器可以通过结构解耦获得。3.3.2模糊控制器其他分类按模糊控制器主要可以按照建模形式和控制功能分类，按照前一种可分为多多值逻辑模型、数学方程模型和语言规则模型的模糊控制器；按后一种上可以分为自适应模糊控制器、自组织模糊控制器、自学习模糊控制器和专家模糊控制器等。3.4模糊控制器的设计与仿真模糊控制器其控制规则是以模糊条件语句的语言控制规则为基础的，因此，模糊控制器又称为模糊语言控制器。模糊控制器是模糊控制系统的核心，因而在模糊控制系统设计中怎样设计和调整模糊控制器及其参数是一项很重要的工作。一般来说，设计模糊控制器主要包括以下几项内容[22]。(1)确定模糊控制器的输入变量和输出变量（即控制量）。(2)设计模糊控制器的控制规则。(3)确定模糊化的非模糊化（又称清晰化）的方法。(4)选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（如量化因子、比例因子）。(5)建立模糊控制器的仿真模型。(6)选择合理的仿真的采样时间。3.4.1二维模糊控制器的结构设计设控制系统的输入为单位阶跃信号,输出为,误差为，误差导数为;被控对象的输入为;模糊控制器对应的输入分别为,,对应的输出为。这类模糊控制器的一般形式为：R1：ifX1isA1ianX2isA2ithenYisBi这里，A1i、A2i和Bi均为论域上的模糊子集。在实际系统中，X1一般取为误差，X2一般取为误差变化率，Y一般取为控制量。3.4.2二维模糊控制器的规则设计(1)模糊控制器的变量的论域与隶属度函数经过对模糊控制器变量、、的输出范围的分析，得出了他们的论域：输入变量和的论域取[-22]，输出变量的论域取[-33]。语言值取5个,分别为“负大NB”,“负小NS”,“零ZR”,“正小PS”和“正大PB”。其中的语言值取了7个。NB,NS,PS,PB，ZR取三角形隶属度函数,、、的隶属度函数如图3-7(a)(b)(c)所示。(a)(b)(c)图3-7,,的隶属度函数(2)根据经验,可以得到用if...then形式表达的模糊控制规则，如图3-9所示。图3-8二维模糊控制器的控制规则图3-9二维模糊控制器规则观察器3.5建立模糊控制系统的仿真模型3.5.1模型传递函数与仿真模型(1)模糊控制器simulink仿真结构图所选的模型传递函数为式(2.5)。(2)模糊控制系统的仿真模型如图3.10所示。图3-10模糊控制系统仿真模型3.5.2模糊控制系统仿真与分析(1)在MATLAB的命令窗口中输入指令:hhl=readfis('hhl.fis)'这样就在基本工作空间中建立起了模糊推理系统的结构变量,然后再输入指令:start仿真即开始.这时可以利用模拟示波器来观察系统的动态响应情况.仿真结束后,利用plot(t,y)指令可将响应曲线绘出[26][27],如图3-11所示：图3-11模糊控制系统的仿真结果(2)在常规的模糊控制中,为实现简便性和快速性,通常采用和作为模糊控制器的输入,因而,具有类似于常规PD控制器的作用。通过图3-11可以看出,此类模糊控制器有可能获得良好的动态特性,但无法消除静态误差。3.6本章小结本章介绍了模糊控制系统的组成与基本原理，并对模糊控制器进行了仿真分析，通过仿真分析得出了模糊控制器的控制效果图，从仿真结果可以看出此类模糊控制器有可能获得良好的动态特性,但无法消除静态误差。第四章模糊PID动态切换控制器的设计南京工业大学本科生毕业设计（论文）第四章模糊PID动态切换控制器的设计4.1引言模糊控制器具有良好的动态性能和很强的鲁棒性，而且它不仅能适应参数变化而且具备较强的抗干扰能力。它的缺点就是在控制过程中稳态精度不够，另外模糊控制器在接近工作点时容易产生振荡，最后控制器规则的制定是非常困难的，它要运用大量的专家和经验知识。PID控制器的动态性能不如模糊控制器，但是它的静态特性好，它即使在工作点周围也能保持较好的控制性能。因此在前两种控制器的基础上，本课题就想设计这样一种新型控制器：在的数值较大时采用模糊控制器，这样整个系统就可以快速逼近给定值；在的数值，就是在系统趋于稳定时则采用PID控制器，这样就可以运用PID控制器的控制精度高、稳态态误差小的一些优点更好的改善动整个系统的静态特性。另外，这两种控制器的结构较其他的控制器而言都比较简单，用一个切换开关把这两种控制器结合起来，就是本章要介绍的模糊PID动态切换控制器。本章将通过仿真来验证这种控制器的优越性。4.2模糊PID动态切换控制器设计4.2.1控制器设计的思路在整个控制系统中，模糊动态切换控制器将根据和的大小，在不同的工作时段选择PID控制器或者模糊控制器，这样可以很好的利用PID控制器和模糊控制器的优点来提高系统的动态性能和静态性能。如果系统的误差绝对值||大于误差设定值时，控制系统则选择模糊控制器，因为模糊控制器可以同时兼顾系统响应的快速性和超调量，使系统具有良好的动态性能，对弥补常规PID控制器在动态响应方面的不足又很好效果。当系统响应接近稳定状态时，误差的绝对值||减小设定值以下，系统将由模糊控制器切换至PID控制器，这样PID控制器的积分作用能够消除静态误差差，能够很好的消除系统的控制余差，弥补模糊控制器缺陷，最终可以使系统具有良好的静态性能和，控制精度。图4-1模糊PID切换控制系统结构图模糊PID动态切换控制器的设计步骤如下[28]：(1)对模糊控制器(FC)和PID控制器在何时切换作出分析。(2)根据分析得出的切换时机，对模糊PID控制器的决策模块进行设计。(3)对PID控制子模型与模糊控制子模型进行仿真分析，分别得出控制系统达到较好静态性能和动态性能时的各个参数，作为切换控制器中的参数。(4)调整由PID控制子系统和模糊控制子系统组成的动态切换控制器的参数，使得其能达到最好的控制效果。4.2.2切换控制器的切换时机分析对于一个控制系统的阶跃响应来说，其是否具有良好的动态控制性能，前两个振荡周期是非常关键的，所以想获得一个准确的切换点，就必须获取误差()的信息，如果被控对象在模糊控制的作用下，控制系统将要接近稳态时，那么控制系统就切换成PID控制使用PID控制器；如果因为扰动，误差()超出了切换条件的设定值，则系统的控制方式就切换为模糊控制使用模糊控制器。根据以上的分析可以知道模糊控制和PID控制的切换条件应依据系统信息：误差(e)。模糊PID动态切换控制器的控制策略的切换过程应如下：系统控制的初始阶段，应选择模糊控制器，这样能够使得系统在误差()较大的时候具有良好的动态性能。当系统响应接近稳定状态时，误差()满足设定的值，系统则切换为PID控制，这样系统就能够获得较好的静态性能。根据上述切换条件的分析可以得出模糊PID动态切换控制器的切换流程图如图4-2所示。图4-2Fuzzy-PID切换流程图4.3Fuzzy-PID动态切换控制系统的仿真4.3.1控制器的仿真模型在Simulink平台上建立模糊PID动态切换控制器的仿真模型[29]如下图4-3所示，控制器被控对象的传递函数还有阶跃信号发生器的参数都和PID控制器仿真模型的被控对象和参数设定是一致的。图4-3模糊PID切换控制系统模型图示中的PID控制模块和模糊控制模块分别为已经进行过参数整定的PID控制子模型[30]和模糊控制子模型[31]如图4-4和图4-5所示，在第2章和第3章已经详细介绍，在此不再赘述。图4-4PID控制子系统模型图4-5模糊控制子系统模型设计并建立好Fuzzy-PID动态切换仿真模型后，就对这个控制器模型通过Simulink进行仿真，通过参数调整之后可以得出的仿真图形如图4-6所示。图4-6模糊PID动态切换控制器的响应曲线由图4-6动态切换控制器的阶跃响应曲线能够看出，Fuzzy—PID动态切换控制器的具有良好的控制效果，从曲线可以看出整个控制系统的稳态特性较好，最后可以达到消除静态误差效果。此外，控制系统也具有良好的动态性能，还可以从那个图中看出系统具有较快的响应速度，大约4秒就已经到稳定状态，最后可以看出系统的上升曲线平滑，且超调量很小，因此，模糊PID动态切换控制器的控制性能超过了PID和模糊控制器。4.3.2结果分析通过对常规PID控制器，模糊控制器，和模糊PID动态切换控制器模型进行仿真可得到一组基于不同控制策略的系统响应曲线如图4-7图所示：图4-7不同控制系统的阶跃响应曲线由图4-7可以看出，在阶跃信号的作用下，如果只是在控制系统使用常规PID控制器，系统能够达到没有稳态误差的效果，但从图上可以看出，它的响应曲线在1.8s左右超调量比较大，不能够达到比较好的动态响应。如果在同一系统中只是使用模糊控制器，从图中可以看到超调量减小了很多，而且具有良好的动态响应性能，但从响应曲线上能够明显的看出，稳态误差在控制系统中是不能够消除的，因此这种控制器的控制精度是不够的。最后当系统采用Fuzzy-PID动态切换控制器，从图中能够看出系统具有良好的快速性，在1.5s左右即达到稳态，单就系统响应的快速性而言，这种控制器优于PID控制器和模糊控制器。另外，可以看出系统不仅快速性增强，它的超调量也得到了很大的改善。提高了整个控制系统的动态性能。4.3本章小结本章结合PID控制器稳态精度高和Fuzzy控制器动态性能好的优点，提出了一种Fuzzy-PID动态切换控制器，并且搭建了仿真模型通过Simulink进行了仿真和分析。由上述分析可以得到结论：结合了模糊控制器和PID控制器优点的新型控制器——模糊PID动态切换控制器，和常规的PID控制器、模糊控制器相比，控制器的动态性能和静态性能都有了很大的提高。第五章结论与展望南京工业大学本科生毕业设计（论文）第五章结论与展望本文首先研究了常规PID控制器的原理和控制结构，其次又研究了模糊控制器的原理和控制结构，最后在对PID和模糊控制器的优缺点分析的基础上，从理论上分析了如何设计出结合它们优点的模糊PID动态切换控制器，并进行了设计和仿真，其目的在于探索出一种能有效地提高控制系统的控制性能、抗干扰能力等的一种控制器。本文的主要研究内容成果如下：l、研究了常规PID控制器的原理和控制器结构，并通过仿真得出的图像分析了比例，积分，微分作用对控制性能的影响以及简单的介绍了PID参数整定的作用与分类以及通过临界比例度法对PID控制器的参数进行整定。2、研究了模糊控制器模糊控制的特点，系统组成以及模糊控制器的分类，重点介绍了模糊控制器的结构与规则设计，最后对设计好的模糊控制器进行了仿真与分析的出了模糊控制器的控制效果图。3、针对PID和模糊控制的优点及这两种控制器在控制过程中存在的缺点展开分析与研究，提出模糊PID动态切换控制器的设计与仿真，并分析了和确定了模糊控器制与PID控制器的切换条件；根据动态切换条件来构思和设计模糊PID动态切换控制器，并对模糊PID动态切换控制控制器进行仿真，验证了该控制器的可行性与良好的控制品质。4、将动态切换控制器的仿真效果图与PID控制、模糊控制器的仿真结果作比较，通过仿真结果的对比验证了模糊PID动态切换控制控制器对提高系统控制性能有很好的品质。模糊PID动态切换控制器的发展前景是十分可观的，没有一种控制器比PID调节规律更有效、更方便的了。而模糊PID动态切换控制是在PID控制器的基础上引入模糊控制器这样不仅有了PID的各种优点，还能消