1、 I 模糊自整定 PID 控制器设计及仿真分析 摘 要 针对常规 PID 控制不具有自适应能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。提出了将模糊技术与 PID 控制相结合的控制方式，设计出各种模糊控制器。论文的主要内容包括： 1.介绍模糊控制技术的背景和重大意义 ，了解常规 PID控制中的优点与缺点。 2.了解模糊控制的数学基础。例如：模糊集合的定义、模糊语言、模糊推理、模糊变量的隶属函数、论域、量化因子、比例因子等。 3.掌握 MATLAB 中模糊工具箱、 SIMULINK 的使用及模糊控制器的设计方法，对于不同的控制系统设计出对应的 模糊控制器的规则。 4.对混合式模糊 PID 控制器、开关
2、式模糊 PID 控制器、自整定模糊 PID 控制器进行 SIMULINK 仿真。 MATLAB 中模糊逻辑控制工具箱设计模糊控制器灵活、方便、可观性强，并可在SIMULINK 环境中非常直观地构建各种复杂的模糊 PID 控制系统。仿真结果表明，模糊 PID 控制具有控制灵活、超调小、响应快和适应性能强的优点 。 关键词： 模糊 PID控制 ； MATLAB仿真； SIMULINK II Fuzzy Adaptive PID Controller Design and Simulation Analysis Abstract To the conventional PID control don
3、t have self-adaptive ,the control effect of time-varing and nonlinearity, We have already take the control method that combine fuzzy technology with PID control, and design various the fuzzy controller. The main contents of thesis is that: 1. Introduce the fuzzy control technologys background and gr
4、eat significance, understanding the advantages and disadvantages of the conventional PID control. 2. Understanding the mathematical basis of the fuzzy control, such as: the definition of fuzzy set, fuzzy language, fuzzy inference, membership function of fuzzy variables, treatise domain, quantifiable
5、 factor, scale factor and so on . 3. Master the use of the fuzzy toolbox, SIMULINK at MATLAB and the design of the fuzzy controller for different control system design the rules of the different fuzzy controller correspondingly. 4. Carry out SIMULINK simulation for the hybrid fuzzy controller, the s
6、witch fuzzy controller, and self-fuzzy controller. When a fuzzy logic control toolbox design fuzzy controller, it is very flexible、convenient and great observability in MATLAB, and it can construct various complex fuzzy PID control system directly in SIMULINK environment. The simulation results show
7、 that III the fuzzy PID control have advantages of flexible control, small overshoot, fast response and strong adaption. Key words： Fuzzy PID control； MATLAB simulation； SIMULINK - IV - 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1章 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景及意义 . 1 1.2 PID控制的特点 . 2 1.3 模糊控制技术概述 . 3 第 2章 模糊控制理论 . 6 2.1 模糊集
8、合定义 . 6 2.2 模糊语言 . 6 2.3 模糊变量的隶属函数 . 8 2.4 模糊推理系统的数据结构管理函数介绍 . 8 2.5 论域、量化因子、比例因子的选择 . 11 2.5.1 论域及基本论域 . 11 2.5.2 量化因子及比例因子 . 12 第 3章 基于 MATLAB的模糊控制器的设计内容 . 14 3.1 模糊控制器概述 . 14 3.2 模糊控制器设计所包括的内容 . 14 3.3 模糊控制器的结构设计 . 15 3.4 模糊控制器规则的设计 . 15 3.5 精确量的模糊化 . 17 3.6 模糊推理及其模糊量去模糊化方法 . 18 3.7 模糊控制规则表 . 18
9、- V - 第 4章 PID 控制器 . 20 4.1 PID的概述 . 20 4.2 PID 控制的基本理论 . 20 4.3 模糊 PID 控制 . 23 第 5章 MATLAB 仿真 . 25 5.1 MATLAB简介 . 25 5.2 模糊控制器的设计 . 25 5.2.1 模糊控制器原 理图 . 25 5.2.2 控制系统的 SIMULINK 实现 . 26 5.2.3 MATLAB仿真 . 29 5.3 混合式模糊 PID控制器 设计 . 29 5.3.1 控制系统原理图 . 29 5.3.2 控制系统的 SIMULINK 实现 . 30 5.3.3 MATLAB仿真 . 30 5
10、.4 开关式模糊 PID控制器设计 . 31 5.4.1 控制系统原理图 . 31 5.4.2 控制系统的 SIMULINK 仿真 . 32 5.4.3 MATLAB仿真 . 32 5.5 自整定模糊 PID控制器设计 . 33 5.5.1 控制系统的原理图 . 33 5.5.2 控制系统的 SIMULINK 实现 . 34 5.5.3 MATLAB仿真 . 39 结 论 . 40 参考文献 . 41 - 1 - 第 1章 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 现代控制系统，规模越来越大，系统越来越复杂，用传统的控制理论方法已不能满足控制的要求。智能控制是在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展
11、起来的，是控制理论、人工智能和计算机科学相结合的产物。智能控制主要分为模糊逻辑控制、神经网络控制和实时 专家系统。研究的主要目标不仅仅是被控对象，同时也包含控制器 本身。 模糊理论是在美国柏克莱加州大学电气工程系 L.A.Zadeh 教授于 1965 年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面内容。 L.A.Zadeh 教授在 1965 年发表的 Fuzzy Set 论文中首次提出表达事物模糊性的重要概念 隶属函数。模糊控制理论的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的算法。但它的控制输出却是
12、确定的，它不仅能成功的实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构成数学模型的对象进行控制 。“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解、与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性。“模糊控制”的特色就是一种“语言型”的决策控制。 模糊控制技术，已经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。自从 1974 年英国的马丹尼 (E.H.Mandani)工程师首先根据模糊集合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发动机的控制以后，在其发展历程的 30 多年中，- 2 - 模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。现在，模糊控制已广泛地应用于冶金与化工过程控制、工业自动化、家用电器智能化、仪
13、器仪表自动化、计算机及电子技 术应用等领域。尤其在交通路口控制、机器人、机械手控制、航天飞行控制、汽车控制、电梯控制、核反应堆及家用电器控制等方面，表现其很强的应用价值。并且目前已有了专用的模糊芯片和模糊计算机的产品，可供选用。我国对模糊控制器开始研究是在 1979 年，并且已经在模糊控制器的定义、性能、算法、鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的成果。著名科学家钱学森指出，模糊数学理论及其应用，关系到我国二十一世纪的国力和命运。 1.2 PID控制 的特点 PID 控制的优点与缺点： 1 (1)PID 控制具有适应性强的特点，适应各种控制对象，参数的整定是 PID 控制的
14、一个关键问题； (2)只要参数整定合适，对大多数被控对象可以实现无差控制，稳态性能好，但动态特性不太理想； (3)PID 控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定。 虽然 PID 控制具有一些不理想的方面，但由于其具有十分明显的优点，在工业过程控制领域一直占据了主导地位，而且全世界的控制技术研究和应用人员对 PID控制进行了大量的研究，努力改善 PID 控制的性能。围绕 PID 控制，并与多种其它- 3 - 控制技术结合，形成了多种 PID 控制技术，以下是一些 PID 控制技术的发
15、展和研究方向： （ 1） 专家 PID 控制：专家控制 (Expert Control )的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计 PID 参数便构成专家 PID控制； （ 2） 模糊 PID 控制：模糊控制技术与 PID 控制结合构成模糊 PID控制； （ 3） 神经 PID 控制：运用神经网络技术对 PID 控制参数进行整定，构成神经PID 控 制； （ 4） 遗传 PID 控制：用遗传算法对 PID 控制参数进行整定和优化，构成遗传PID 控制； （ 5） 灰色 PID 控制：灰色系统理论与 PID 控制结合进行系统控制构成 P
16、ID 控制。 以上多种 PID 控制方法，是 PID 控制与现代控制技术的结合，主要是在 PID 参数动态整定上进行了大量研究，在保持 PID 控制基本原理的基础上，改善了 PID 控制的性能，在工业过程控制领域继续占据着主导地位。 1.3 模糊控制技术概述 模糊控制主要还是建立在人的直觉和经验的基础上，这就是说，操作人员对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是通过 操作人员丰富的实践经验和直观感觉。这种方法可以看成是一组探索式决策规则。 - 4 - 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，作为智能控制的一个重要分支，在控制领域获得了广泛应用。模糊控
17、制的核心是模糊控制器，而模糊控制器的关键是模糊控制规则的确定，即模糊控制规则表，模糊控制规则表是根据专家或者操作者的手动控制经验总结出来的一系列控制规则。 一般最易为人所观察到的就是被控过程的输出变量及其变化率，因此通常把误差 e 及其变化率 ec 作为模 糊控制器的输入语言变量，把控制量 U 作为模糊控制器的输出语言变量，从关系上看为 ),( ECEFU ，实质上体现为模糊控制器是一种非线性的比例微分 (PD)控制关系。 模糊控制系统框图如图 1.1所示。 图 1.1 模糊控制系统框图 误差 e、误差变化率 ec 和输出 y 的实际变化范围，称为模糊控制的基本论域。在模糊控制中，用模糊概念来
18、表述输入和输出变量， e 和 ec 称为输入语言变 量， y称为输出语言变量。语言变量是一个模糊集合，语言变量的取值称为语言变量值。- 5 - 语言变量值根据问题需要确定，是语言变量的模糊子集。语言变量值是构成语言变量的词集。对于输入变量 e、 ec 在基本论域内的一个实际值，为实施模糊控制，需要将其转化为语言变量值，这个转化依赖于语言变量值的隶属度函数，这种转化的过程叫模糊化。 经过模糊化处理后，得到输入变量 e、 ec在输入基本论域内的一个实际值隶属于各语言变量值的程度。一般在一个模糊规则的前件中往往不只有一个命题，需要用模糊算子获得该规则前件被满足的程度。模糊算子的输入是两个 或者多个输
19、入的经过模糊化后得到的语言变量值 (隶属度值 )，其输出是一条规则的整个前件被满足的隶属度。将一条规则的整个前件被满足的隶属度作为输入，根据规则“如果 x是A，则 y是 B”，表示的 A与 B之间的模糊蕴涵关系 (AB)进行模糊推理，可以得到一个输出模糊集，即输出语言变量值，这种过程称为模糊推理。模糊推理又称模糊逻辑推理，它是一种以模糊推断为前提，运用模糊语言规则，推出一个新的近似的模糊推断结论的方法。 模糊推理的关键是模糊控制规则的确定，即模糊控制规则表，模 糊控制规则表是根据专家或者操作者的手动控制经验总结出来的一系列控制规则。由于一般情况下，模糊规则库由多条规则组成，经过模糊推理得到的是一个由每一条规则推理得出的输出语言变量值的集合，因此需要将这些输出语言变量值进行某种合成运算，得到一个综合的输出模糊集，这种过程称为模糊合成。将经过模糊合成得到的综合输出模糊集进行转化，即将语言变量值转化为输入变量基本论域内的一个实值，对被控过程进行控制，这种过程叫模糊判决或者叫去模糊化 。
