基于模糊PID控制的仿真设计.docx
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基于模糊PID控制的仿真设计
基于模糊PID得控制器得仿真设计
学院:
信息学院
专业:
姓名:
指导老师:
自动化
赵娟
学 号:
职称:
4
彭文亮
讲师
中国·珠海
二○一二年五月
北京理工大学珠海学院毕业设计
诚信承诺书
本人郑重承诺:
我所呈交得毕业设计《基于模糊PID得控制器得仿真设计》就是在指导教师得指导下,独立开展研究取得得成果,文中引用她人得观点与材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用得数据真实可靠、
承诺人签名:
日期:
年 月
基于模糊PID得控制器得仿真设计
摘要
PID(比例积分微分)控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点,尤其适用于可建立精确数学模型得控制系统、而对于一些多变量、非线性、时滞得系统,传统得PID控制器并不能达到预期得效果。
随着模糊数学得发展,模糊控制得思想逐渐得到控制工程师们得重视,各种模糊控制器也应运而生。
而单纯得模糊控制器有其自身得缺陷—控制效果很粗糙、控制精度无法达到预期标准。
但利用传统得PID控制器与模糊控制器结合形成得模糊自适应得PID控制器可以弥补其缺陷;它将系统对应得误差与误差变化率反馈给模糊控制器进而确定相关参数,保证系统工作在最佳状态,实现优良得控制效果。
论文介绍了参数自适应模糊PID控制器得设计方法与步骤。
并利用MATLAB 中得SIMULINK 与模糊逻辑推理系统工具箱进行了控制系统得仿真研究,并简要地分析了对应得仿真数据。
关键词:
经典PID控制模糊控制自适应模糊PID控制器参数整定MATLAB仿真
The simulation anddesign—basedfuzzyPIDcontrol
ABSTRACT
PID(ProportionIntegration Differentiation)control,withlotsofadvantages includingsimplestructure,good stabilityandhigh reliability,is quite suitable toestablishespeciallythecontrolsystemwhichaccurate mathematicalmodel is availableandneeded。
However,takenmultivariable,nonlinearand time-lagintoconsideration,traditionalPIDcontrollercannot reachtheexpected effect.
AlongwiththedevelopmentofFuzzyMathematics,controlengineersgraduallypay muchattentionto theideaofFuzzyControl, thuspromotingtheinvention of fuzzycontrollers。
However,simplefuzzycontroller hasitsown defect, wherecontrol effectis quitecoarseandthe controlprecisioncannotreach theexpectedlevel.Therefore, theFuzzyAdaptive PID Controlleris createdby taking advantage of thesuperiority ofPIDControllerandFuzzyController。
Takenthiscontroller inuse,thecorresponding error and itsdifferentialerrorofthecontrolsystemcanbefeedbackedtotheFuzzyLogicController. Moreover,thethree parametersofPIDController isdeterminedonline throughfuzzification,fuzzy reasoninganddefuzzificationofthe fuzzysystem tomaintain betterworking conditionthanthe traditionalPIDcontroller、
Meanwhile,thedesignmethodandgeneralstepsare introducedofthe Parameterself—settingFuzzyPIDController、Eventually,theFuzzy InferenceSystemsToolboxandSIMULINKtoolboxareusedtosimulateControlSystem. Theresultsof thesimulationshowthatSelf—organizing FuzzyControlSystemcangetabettereffectthantheClassicalPIDcontrolledevidently、
Keywords:
ClassicPIDcontrol FuzzyControlParameterstuningtheFuzzy AdaptivePIDController MATLABsimulation
摘 要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1本设计得目得、意义及应达到得技术要求1
1。
2本设计在国内外得发展概况及存在得问题2
1、3研究得主要内容ﻩ3
2方案选择及可行性分析ﻩ4
2、1方案得选择ﻩ4
3。
1 PID算法介绍ﻩ6
3、2 PID参数对系统性能得影响8
4设计原理10
4。
1模糊逻辑与模糊控制得概念ﻩ10
4。
2模糊控制器得基本结构与工作原理ﻩ10
4.4模糊控制器得结构13
4.5模糊控制器得隶属函数ﻩ14
4、6模糊推理方法ﻩ20
5方案设计ﻩ22
5.2模糊PID控制器模糊部分设计ﻩ23
6.1。
模糊控制部分得fuzzyinferencesystem仿真28
7结论37
参考文献38
谢辞39
1绪论
随着越来越多得新型自动控制应用于实践,其控制理论得发展也经历了经典控制理论、现代控制理论与智能控制理论三个阶段。
智能控制得典型实例就是模糊全自动洗衣机。
自动控制系统可分为开环控制系统与闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口、控制器得输出经过输出接口、执行机构加到被控系统上,控制系统得被控量,经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。
不同得控制系统,传感器、变送器、执行机构就是不一样得。
比如压力控制系统要采用压力传感器,电加热控制系统要采用温度传感器。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器,仪表,已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛得应用。
比如,工业生产过程中,对于生产装置得温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定得数值上,或按一定得规律变化,以满足生产工艺得要求。
PID控制器可以根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节,从而使被控变量得实际值与工艺要求得预定值一致。
经典PID控制得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70年历史,它因结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制得主要技术之一,现今也在很多领域有应用、尤其就是当被控对象得结构与参数不能完全掌握或得不到精确得数学模型,控制理论得其它技术难以采用,系统控制器得结构与参数又必须依靠经验与现场调试来确定时,应用PID控制技术最为方便。
根据统计数据,全世界过程控制领域使用得控制器84%仍就是纯PID调节器,若改进型包含在内则超过90%、
1、1本设计得目得、意义及应达到得技术要求
PID控制就是最早发展起来得控制策略之一、由于其算法简单,鲁棒性好与可靠性高.被广泛应用于工业过程控制。
在PID 控制中。
一个至关重要得问题就是PID参数(比例系数、积分时间、微分时间)得整定。
参数整定得优劣不但会影响到控制质量,而且还会影响到控制系统得稳定性与鲁棒性。
而实际工业生产过程往往具有非线性、时变等不确定性干扰。
常规PID控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳,且对运行工况得适应性较差等情况。
针对以上问题,长期以来,人们一直在寻求PID控制器得自动整定技术,以适应复杂得工况与高指标得控制要求。
模糊控制就是一类应用模糊集合理论得控制方法,不需要被控对象得精确数学模型,因而特别适用于一些大滞后、时变、非线性得复杂系统。
将模糊控制与传统PID控制相结合组成模糊PID控制器,不但具有PID控制精度高等优点,又兼有模糊控制灵活、适应性强得优点,就是近年来控制领域十分活跃得一支分支、
本设计得技术要求以及优点:
1.模糊控制完全在操作人员经验控制基础上实现对系统得控制,无需建立数学模型,能够解决不确定系统得一种有效途径。
2.模糊控制具有较强得鲁棒性,被控对象参数得变化对模糊控制得影响不明显,可用于非线性、时变、时滞得系统,并能获得优良得控制效果。
3、由离散计算得到控制查询表,提高了控制系统得实时性、快速性、
4。
控制得机理符合人们对过程控制作用得直观描述与思维逻辑,就是人工智能得再现,属于智能控制。
1、2本设计在国内外得发展概况及存在得问题
国内在模糊控制方面也同样取得了显著成果。
1986年,都志杰等人用单片机研制了工业用模糊控制器。
随后,何钢、能秋思、刘浪舟等人相继将模糊控制方法成功地应用在碱熔釜反应温度、玻璃窑炉等控制系统中、 在社会生活领域中体现在模糊控制技术在家电中得应用,所谓模糊家电,就就是根据人得经验,在电脑或者芯片得控制下实现可模仿人得思维进行操作得家用电器。
几种典型得模糊家电产品如下:
⑴模糊电视机
这类电视机可根据室内光线得强弱调整电视机得亮度,根据人与电视机得距离自动调整音量,同时能够自动调节电视机得色度、清晰度与对比度、
⑵模糊空调器
模糊空调器可以灵敏地控制室内得温度。
日本研制了一种模糊空调器,利用红外线传感器识别房间信息(人数、温度、大小、门开关等),从而快速调整室内温度,提高了舒适感。
⑶ 模糊微波炉
日本夏普公司生产得RE-SEI型微波炉,内部装有12个传感器,这些传感器能对食物得重量、高度、形状与温度进行测量,并利用这些信息自动选择化霜、再热、烧烤与对流4种工作方式,并自动决定烹制时间、
⑷模糊洗衣机
以我国生产得小天鹅模糊控制全自动洗衣机为例它能够自动识别洗衣物人重量、质地、污脏性质与程度采用模糊控制技术来选择合适得水位、洗涤时间、水流程序等,其性能已经达到国外同类产品得水平。
⑸模糊电动剃刀
日本三洋、松下公司推出了模糊控制电动剃刀通过利用传感器分析胡须得生长情况与面部轮廓自动调整刀片并选择最佳得剃削速度。
在工业炉方面、石化方面、煤矿行业、食品加工行业领域模糊控制应用也很广泛、
模糊控制主要有以下几个发展方向:
(1)Fuzzy-PID复合控制
Fuzzy—PID复合控制就是将模糊控制与常规PID控制算法相结合得控制方法,以此达到较高得控制精度。
它比单用模糊控制与单用PID控制均具有更好得控制性能。
(2)自适应模糊控制
自适应模糊控制能自动地对模糊控制规则进行修改与完善,以提高控制系统得性能。
它具有自适应、自学习得能力,对于那些具有非线性、大时滞、高阶次得复杂系统有着更好得控制效果。
(3)专家模糊控制
专家模糊控制就是将专家系统技术与模糊控制相结合得产物。
引入专家系统可进一步提高模糊控制得智能水平、专家模糊控制保持了基于规则得方法与模糊集处理带来得灵活性,同时又把专家系统技术得知识表达方法结合进来,能处理更广泛得控制问题。
(4)神经模糊控制
模糊控制规则与隶属函数得获取与确定就是模糊控制中得“瓶颈"问题。
神经模糊控制就是基于神经网络得模糊控制方法。
该方法利用神经网络得学习能力,来获取并修正模糊控制规则与隶属函数。
(5)多变量模糊控制
多变量模糊控制有多个输入变量与输出变量,它适用于多变量控制系统。
多变量耦合与“维数灾"问题就是多变量模糊控制需要解决得关键问题、
1、3研究得主要内容
在工业控制中,PID控制就是工业控制中最常用得方法。
为了使控制器具有较好得自适应性,实现控制器参数得自动调整,可以采用模糊控制理论得方法、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得领域。
其中,模糊PID控制技术扮演了十分重要得角色,并目仍将成为未来研究与应用得重点技术之一、本毕业设计基于模糊PID得控制器得仿真设计,要求具有良好得性能、
2方案选择及可行性分析
2。
1方案得选择
方案一:
经典PID控制系统:
P控制:
这类控制输出得变化与输入控制器得偏差成比例关系,输入偏差越大输出越大。
单纯得比例控制适用于扰动不大,滞后较小,负荷变化小,要求不高,允许有一定剩余误差存在得场合。
在工业生产中,比例控制规律使用较为普遍,它就是控制规律中最基本得、应用最普遍得一种,其最大优点就就是控制及时、迅速、只要有偏差产生,控制器立即产生控制作用。
但就是不能最终消除剩余误差得缺点限制了它得单独使用。
PI控制:
克服剩余误差得办法就是在比例控制得基础上加上积分控制、积分控制器得输出与输入偏差对时间得积分成正比。
它得输出不仅与输入偏差得大小有关,而且还与偏差存在得时间有关。
只要偏差存在,输出就会不断累积,一直到偏差为零,累积才会停止、所以,积分控制可以消除剩余误差。
PD控制:
当被控对象受到扰动作用后,被控变量没有立即发生变化,而就是有一个时间上得延迟。
因此要引入比例、微分作用,即PD控制。
它比单纯得比例作用更快。
尤其就是对容量滞后大得对象,可以减小偏差得幅度,节省控制时间显著改善控制质量。
PID比例积分微分:
最为理想得控制当属比例-积分-微分控制,即PID控制、它集三者之长,既有比例作用得及时迅速,又有积分作用得消除剩余误差能力,还有微分作用得超前控制功能。
当偏差扰动出现时,微分立即大幅度动作,抑制偏差得这种跃变,比例也同时起消除偏差得作用,使振荡幅度减小。
由于比例作用就是持久与起主要作用得控制规律,积分作用可以慢慢把剩余误差克服掉,因此可使系统比较稳定,只要,三个作用得控制参数选择得当,便可充分发挥三种控制规律得优点,得到较为理想得控制效果。
即当我们不完全了解一个系统与被控对象,或不能通过有效得测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术、
然而伴随着新得控制系统得不断涌现,PID控制策略在控制非线性、时变、强耦合及参数与结构不确定得复杂过程时,控制效果不理想。
因此,它得应用受到了很大程度上得限制。
方案二:
模糊PID控制系统
利用人工智能得方法将操作人员得调整经验作为知识存入计算机中,根据现场实际情况,计算机自动调整PID参数,即智能PID控制器、这种控制器把古典得PID控制与先进得专家系统相结合,实现系统得最佳控制。
这种控制必须精确地确定对象模型,首先将操作人员(专家)长期实践积累得经验知识用控制规则模型化,然后运用推理便可对PID参数实现最佳调整、
由于操作者经验不易精确描述,控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示,模糊理论就是解决这一问题得有效途径,所以人们运用模糊数学得基本理论与方法,把规则得条件、操作用模糊集表示,并把这些模糊控制规则以及有关信息(如评价指标、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得实际响应情况(即专家系统得输入条件),运用模糊推理,即可自动实现对PID参数得最佳调整,这就就是模糊自适应PID控制。
模糊自适应PID控制器目前有多种结构形式,但其工作原理基本一致、
自适应模糊PID控制器以误差与误差变化作为输入,可以满足不同时刻得与对PID参数自整定得要求。
利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,便构成了自适应模糊PID控制器,其结构如图2。
1所示。
图2、1 自适应模糊PID控制器结构图
PID参数模糊自整定就是找出PID三个参数与与之间得模糊关系,在运行中通过不断检测,根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改,以满足不同与时对控制参数得不同要求,而使被控对象有良好得动、静态性能。
综上,比较两种方案可知,带有大扰动、时滞、时变得系统,采用传统得PID控制器参数整定比较困难,最佳参数容易漂移,使用模糊自整定PID控制器往往可以克服传统PID控制器得不足。
2、2方案可行性分析
从系统得稳定性、响应速度、超调量与稳态精度等各方面来考虑,得作用如下:
(1)比例系数得作用就是加快系统得响应速度,提高系统得调节精度、越大,系统得响应速度越快,系统得调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定。
取值过小,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)积分作用系数得作用就是消除系统得稳态误差。
越大,系统得静态误差消除越快,但过大,在响应过程得初期会产生积分饱与现象,从而引起响应过程得较大超调。
若过小,将使系统静态误差难以消除,影响系统得调节精度、
(3)微分作用系数得作用就是改善系统得动态特性,其作用主要就是在响应过程中抑制偏差向任何方向得变化,对偏差变化进行提前预报。
但过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统得抗干扰性能、
3PID算法及参数介绍
3、1PID算法介绍
1、位移式PID算法
x(t) e(t)ﻩy(t)
ﻩ -
图3。
1PID控制流图
其控制原则如公式:
其中Kp——比例系数
Ti——积分时间常数
Td-—微分时间常数
e(t)——偏差
u(t)-—控制量ﻫ经离散化得公式:
调节器输出u(k)与跟过去所有偏差信号有关,计算机需要对e(t)进行累加,运算工作量很大,而且计算机故障可能就是u(k)做大幅振荡,这种情况往往就是控制很不方便,再有些场合可能会造成严重得事故、另外,控制器得输出u(k)对应得就是执行机构得实际位置:
如果计算机出现故障,u(k)得大幅度变化会引起执行机构位置得大幅度变化,因此,在实际得控制系统中不太常用这种方法。
2增量式PID算法
依据位移式PID算法,可推理出公式:
式中e(k)——第k次采样时得偏差值;
e(k-1)—-第k-1次采样时得偏差值;
u(k)——第k次采样时调节器得输出;
Kp——比例系数;
依据算法形式,显然可以瞧出增量式PID算法与位置式算法相比具有以下几个优点:
首先,增量式算法只与e(k)、e(k—1)、e(k—2)有关,不需要进行累加,不易引起积分饱与,因此能获得较好得控制效果。
其次,在位置式控制算法中,由手动到自动切换时,必须首先使计算机得输出值等于阀门得原始开度,才能保证手动到自动得无扰动切换,这将给程序设计带来困难。
而增量式设计只与本次得偏差值有关,与阀门原来得位置无关,因而易于实现手动自动得无扰动切换、
再次,增量式算法中,计算机只输出增量,误动作影响小。
必要时可加逻辑保护,限制或禁止故障时得输出。
为适应更多得应用领域,PID控制器也有了多种算法、
3 积分分离PID算法
积分分离PID算法基本思想就是:
设置一个积分分离阈值β,当|e(k)|≤|β|时,采用PID控制,以便于消除静差,提高控制精度;当|e(k)|〉|β|时,采用PD控制。
其对应得算法s就是公式:
ﻭ其中,α为逻辑变量,其取值原则为:
公式:
1︱(k)︱≤︱︱
0︱(k)︱>︱︱
对同一控制对象,分别采用普通PID控制与积分分离PID控制,如图3.2:
图3。
2 PID控制与积分分离PID控制比较
其中1-普通PID控制效果 2—积分分离PID控制效果
显然,积分分离得PID比普通得PID得控制效果好、
4不完全微分PID算法
在PID控制器得输出端再串联一阶惯性环节(比如低通滤波器)来抑制高频干扰,平滑控制器得输出,这样就组成了不完全微分PID控制,见图3。
3。
ﻭ
E(s)
图3.3不完全微分PID控制器
其控制算法,如公式2-5所示。
其中,
通过这样得算法可以延长微分作用得时间,见图3、4。
(a) (b)
图3、4 不完全微分PID与完全微分PID控制特性比较
不完全微分PID控制中得微分作用能缓慢地维持多个采样周期,使一般得工业执行机构能较好地跟踪微分作用得输出。
因此,抗干扰能力较强,在一些扰动频繁得场合应用十分普遍。
3。
2PID参数对系统性能得影响
1、比例系数Kp对系统性能得影响
比例系数加大,使系统得动作灵敏,速度加快,稳态误差减小。
Kp偏大,振荡次数加多,调节时间加长。
Kp太大时,系统会趋于不稳定。
Kp太小,又会使系统得动作缓慢、Kp可以选负数,这主要就是由执行机构、传感器以控制对象得特性决定得。
如果Kd得符号选择不当,对象状态(pv值)就会离控制目标得状态(sv值)越来越远,如果出现这样得情况Kp得符号就一定要取反。
2。
积分控制Ti对系统性能得影响
积分作用使系统得稳定性下降,Ti小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统得控制精度。
3.微分控制Td对系统性能得影响
微分作用可以改善动态特性,Td偏大时,超调量较大,调节时间较短。
Td偏小时,超调量也较大,调节时间也较长、只有Td合适,才能使超调量较小,减短调节时间。
4.PID控制器参数整定
PID控制器得参数整定就是控制系统设计得核心内容、它就是根据被控过程得特性确定PID控制器得比例系数、积分时间与微分时间得大小。
PID控制器参数整定得方法很多,概括起来有两大类:
一就是理论计算整定法。
它主要就是依据系统得数学模型,经过理论计算确定控制器参数、这种方法所得到得计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整与修改。
二就是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统得试验中进行,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数得工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法与衰减法。
三种方法各有其特点,其共同点都就是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定、但无论采用哪一种方法所得到得控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用得就是临界比例法、
4设计原理
4.1模糊逻辑与模糊控制得概念
模糊控制相关概念“模糊逻辑”得概念,其根本在于区分布尔逻辑或清晰逻辑,用来定义那些含混不清,无法量化或精确化得问题,对于冯?
诺依曼开创得基于“真-假”推理机制,以及因此开创得电子电路与集成电路得布尔算法,模糊逻辑填补了特殊事物在取样分析方面得空白。
在模糊逻辑为基础得模糊集合理论中,某特定事物具有特色集得隶属度,她可以在“就是"与“非"之间得范围内取任何值。
而模糊逻辑就是合理得量化数学理论,就是以数学基础为根本去处理这些不确定、不
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