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模糊自适应整定PID控制器设计
内容摘要
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的控制系统。而对于一些多变量、非线性、时滞的系统，传统的PID控制器并不能达到预期的效果。
随着模糊数学的发展，模糊控制的思想逐渐得到控制工程师们的重视，各种模糊控制器也应运而生。而单纯的模糊控制器有其自身的缺陷—控制效果很粗糙、控制精度无法达到预期标准。但利用传统的PID控制器和模糊控制器结合形成的模糊自适应的PID控制器可以弥补其缺陷；它将系统对应的误差和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，实现优良的控制效果。
论文介绍了参数自适应模糊PID控制器的设计方法和步骤。并利用MATLAB中的SIMULINK和模糊逻辑推理系统工具箱进行了控制系统的仿真研究，并简要地分析了对应的仿真数据。
关键词:经典PID控制，模糊控制，参数整定，MATLAB仿真
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Self tuning fuzzy adaptive PID controller design
ABSTRACT
PID ( proportional integral differential ) control has the advantages of simple structure, stable performance, high reliability, especially can be applied to establish the precise mathematical model of the control system. And for some, multivariable, nonlinear, time-delay system, the traditional PID controller can not achieve the desired effect.
With the development of fuzzy mathematics, fuzzy control theory has gradually gained control engineers attention, also emerge as the times require different kinds of fuzzy controller. And the simple fuzzy controller has its own defects, the control effect is very rough, control accuracy can not meet standards. But the traditional PID controller and fuzzy controller is formed by the combination of fuzzy adaptive PID controller can remedy the defects of the system; it corresponds to the error and error change rate feedback to determine the parameters of fuzzy controller, to ensure the system work in the best condition, achieved excellent control effect.
This paper introduces the parameter self-tuning fuzzy PID controller design method and steps. And the use of MATLAB in the SIMULINK and fuzzy logic inference system toolbox for the simulation research of control system, and briefly analyzes the corresponding simulation data.
Keywords: Classic PID control, fuzzy control, parameter setting, MATLAB simulation
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目录
第一章 绪论 ................................................................................ 错误！未定义书签。 1.1 引言 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2 PID控制器的发展 ................................................................ 错误！未定义书签。 1.3 控制的优点 ............................................................................................................. 3 1.4 传统控制局限性 ..................................................................................................... 3 1.5 论文的主要内容 ..................................................................................................... 4 第二章 控制器参数整定方法 ...................................................................................... 6 2.1 控制器的基本原理 ................................................................................................. 6 2.2 参数整定方法 ......................................................................................................... 7 2.2.1 Z-N整定方法 ....................................................................................................... 7 2.2.2 不同准则下的最优整定 ...................................................................................... 8 2.2.3 基于总和时间常数 .............................................................................................. 9 2.2.4 稳定边界法 ........................................................................................................ 10 2.2.5 衰减曲线法 ........................................................................................................ 10 2.2.6 基于增益优化的整定法 .................................................................................... 11 2.3 PID参数自整定方法 ............................................................................................ 12 2.3.1 模式识别法 ........................................................................................................ 13 2.3.2 继电型自整定控制策略 .................................................................................... 14 第三章 模糊控制的原理及其在自整定方面的应用 ........ 错误！未定义书签。 3.1 模糊数学理论 ....................................................................................................... 15 3.1.1 概述 .................................................................................................................... 15 3.1.2 模糊理论的几个重要概念 ................................................................................ 15 3.1.3 确定隶属度函数的方法 .................................................................................... 17 3.2 模糊控制理论 ....................................................................................................... 18 3.2.1 模糊控制理论概述 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.2.2 模糊控制的基本原理 ........................................................................................ 19 3.2.3 模糊控制算法的实现方法 ................................................................................ 20 3.3 模糊控制在自整定中的应用 ............................................................................... 23
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3.3.1 参数模糊自整定控制器 .................................................................................... 23 3.3.1.1 控制系统结构 ................................................................................................. 23 3.3.1.2 参数自整原则 ................................................................................................. 24 3.3.1.3 参数模糊自整定控制器的设计 ..................................................................... 25 第四章 模糊PID控制器的设计 ....................................... 32 4.1 模糊PID控制器组织结构和算法的确定 .......................................................... 32 4.2 模糊PID控制器模糊部分设计 .......................................................................... 32 4.2.1 定义输入、输出模糊集并确定个数类别 ........................ 错误！未定义书签。 4.2.2 确定输入输出变量的实际论域 ........................................ 错误！未定义书签。 4.2.3 定义输入、输出的隶属函数 ............................................................................ 33 4.2.4 确定相关模糊规则并建立模糊控制规则表 .................................................... 35 4.2.5 模糊推理 ............................................................................................................ 36 第五章 模糊PID控制器的MATLAB仿真 .............................. 39 5.1 模糊控制部分的fuzzyinferencesystem仿真 ...................................................... 39 5.1.1 定义输入输出变量并命名 ................................................................................ 39 5.1.2 编辑隶属函数 .................................................................................................... 39 5.1.3 编辑模糊规则库 ................................................................................................ 40 5.2 对模糊控制器的SIMULINK建模 ..................................................................... 41 5.2.1 将模糊系统载入SIMULINK ........................................................................... 41 5.2.2 在SIMULINK中建立模糊子系统 .................................................................. 41 5.3 PID部分的SIMULINK建模 ............................................................................... 42 5.4 模糊PID控制器的SIMULINK建模 ................................................................. 43 5.5 利用子系统对控制系统进行SIMULINK建模 ................................................. 43 5.6 控制系统的SIMULINK仿真研究 ..................................................................... 44 结论 .............................................................................................................................. 48 致谢 .............................................................................................................................. 49 参考文献 ...................................................................................................................... 50 附录 .............................................................................................. 错误！未定义书签。
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第一章 绪论
1.1 引言
PID控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，广泛应用于化工、机械、冶金和轻工等工业过程控制系统中。有一些文献陈述了当前的应用状况。日本电子测量仪表协会在1989年对过程控制做的调查报告，该报告表明90%以上的控制回路具有PID结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2000多个控制回路，其中97%以上是PID控制，而且仅仅有20%的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适的占30%，阀门问题占30%，而另外20%的控制器性能差有多种原因，如传感器问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。在已安装的过程控制器中30%是处于手动状态，20%的控制回路采用厂家整定的参数，即控制器制造商预先设定的参数值，30%的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差。
因此，PID控制器虽然在工业过程控制中普遍应用，但是获得的控制效果并不十分理想。同时由于PID控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的情况，但随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对于控制系统的精度性能和可靠性的要求越来越高，这对PID控制技术提出了严峻的挑战。只有和先进控制策略相结合，才能保证PID控制技术永不过时，而它也正是向高精度、高性能、智能化的方向在逐步发展。 1.2 PID控制器的发展
自Ziegler-Nichols在1942年提出参数整定方法以来，许多技术己经被应用于控制器的手动和自动整定中。根据研究方法的划分，可分为基于频域的参数整定方法和基于时域的参数整定方法；根据发展阶段的划分，可分为常规参数整定方法和智能参数整定方法；按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法和多变量参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点；按控制量的组合形式来划分，可分为线性参数整定方法和非线性参数整定方法，前者适用于经典调节器，后者适用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性控制器。