基于模糊PID控制的仿真设计之欧阳结创编文档格式.docx
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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。
而对一些多变量、非线性、时滞的系统,传统的PID控制器其实不克不及达到预期的效果。
随着模糊数学的成长,模糊控制的思想逐渐获得控制工程师们的重视,各种模糊控制器也应运而生。
而纯真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更率反响给模糊控制器进而确定相关参数,包管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控制器的设计办法和步调。
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,并简要地阐发了对应的仿真数据。
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
ThesimulationanddesignbasedfuzzyPIDcontrol
ABSTRACT
PID(ProportionIntegrationDifferentiation)control,withlotsofadvantagesincludingsimplestructure,goodstabilityandhighreliability,isquitesuitabletoestablishespeciallythecontrolsystemwhichaccuratemathematicalmodelisavailableandneeded.However,takenmultivariable,nonlinearandtimelagintoconsideration,traditionalPIDcontrollercannotreachtheexpectedeffect.
AlongwiththedevelopmentofFuzzyMathematics,controlengineersgraduallypaymuchattentiontotheideaofFuzzyControl,thuspromotingtheinventionoffuzzycontrollers.However,simplefuzzycontrollerhasitsowndefect,wherecontroleffectisquitecoarseandthecontrolprecisioncannotreachtheexpectedlevel.Therefore,theFuzzyAdaptivePIDControlleriscreatedbytakingadvantageofthesuperiorityofPIDControllerandFuzzyController.Takenthiscontrollerinuse,thecorrespondingerroranditsdifferentialerrorofthecontrolsystemcanbefeedbackedtotheFuzzyLogicController.Moreover,thethreeparametersofPIDControllerisdeterminedonlinethroughfuzzification,fuzzyreasoninganddefuzzificationofthefuzzysystemtomaintainbetterworkingconditionthanthetraditionalPIDcontroller.
Meanwhile,thedesignmethodandgeneralstepsareintroducedoftheParameterselfsettingFuzzyPIDController.Eventually,theFuzzyInferenceSystemsToolboxandSIMULINKtoolboxareusedtosimulateControlSystem.TheresultsofthesimulationshowthatSelforganizingFuzzyControlSystemcangetabettereffectthantheClassicalPIDcontrolledevidently.
Keywords:
ClassicPIDcontrolFuzzyControlParameterstuningtheFuzzyAdaptivePIDControllerMATLABsimulation
1绪论
随着越来越多的新型自动控制应用于实践,其控制理论的成长也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典范实例是模糊全自动洗衣机。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包含控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构加到被控系统上,控制系统的被控量,经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。
不合的控制系统,传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比方压力控制系统要采取压力传感器,电加热控制系统要采取温度传感器。
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获得了广泛的应用。
比方,工业生产过程中,对生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量经常要求维持在一定的数值上,或按一定的规律变更,以满足生产工艺的要求。
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,从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。
经典PID控制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70年历史,它因结构简单、稳定性好、工作可靠、调整便利而成为工业控制的主要技术之一,现今也在很多领域有应用。
尤其是当被控对象的结构和参数不克不及完全掌握或得不到精确的数学模型,控制理论的其它技术难以采取,系统控制器的结构和参数又必须依靠经验和现场调试来确按时,应用PID控制技术最为便利。
根据统计数据,全世界过程控制领域使用的控制器84%仍是纯PID调节器,若改进型包含在内则超出90%。
1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求
PID控制是最早成长起来的控制战略之一。
由于其算法简单,鲁棒性好和可靠性高.被广泛应用于工业过程控制。
在PID控制中。
一个至关重要的问题是PID参数(比例系数、积分时间、微分时间)的整定。
参数整定的优劣不单会影响到控制质量,并且还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。
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。
惯例PID控制器经常呈现参数整定不良、控制性能欠佳,且对运行工况的适应性较差等情况。
针对以上问题,长期以来,人们一直在寻求PID控制器的自动整定技术,以适应庞杂的工况和高指标的控制要求。
模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制办法,不需要被控对象的精确数学模型,因而特别适用于一些年夜滞后、时变、非线性的庞杂系统。
将模糊控制和传统PID控制相结合组成模糊PID控制器,不单具有PID控制精度高等优点,又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点,是近年来控制领域十分活跃的一支分支。
本设计的技术要求以及优点:
1.模糊控制完全在操纵人员经验控制基础上实现对系统的控制,无需建立数学模型,能够解决不确定系统的一种有效途径。
2.模糊控制具有较强的鲁棒性,被控对象参数的变更对模糊控制的影响不明显,可用于非线性、时变、时滞的系统,并能获得优良的控制效果。
3.由离散计算获得控制查询表,提高了控制系统的实时性、快速性。
4.控制的机理合适人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑,是人工智能的再现,属于智能控制。
1.2本设计在国内外的成长概略及存在的问题
国内在模糊控制方面也同样取得了显著功效。
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办法胜利地应用在碱熔釜反响温度、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的应用,所谓模糊家电,就是根据人的经验,在电脑或者芯片的控制下实现可模仿人的思维进行操纵的家用电器。
几种典范的模糊家电产品如下:
⑴模糊电视机
这类电视机可根据室内光线的强弱调整电视机的亮度,根据人与电视机的距离自动调整音量,同时能够自动调节电视机的色度、清晰度和比较度。
⑵模糊空调器
模糊空调器可以灵敏地控制室内的温度。
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、年夜小、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
日本夏普公司生产的RESEI型微波炉,内部装有12个传感器,这些传感器能对食物的重量、高度、形状和温度进行丈量,并利用这些信息自动选择化霜、再热、烧烤和对流4种工作方法,并自动决定烹制时间。
⑷模糊洗衣机
以我国生产的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、污脏性质和水平采取模糊控制技术来选择合适的水位、洗涤时间、水流法度等,其性能已经达到国外同类产品的水平。
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阐发胡须的生长情况和面部轮廓自动调整刀片并选择最佳的剃削速度。
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成长标的目的:
(1)FuzzyPID复合控制
FuzzyPID复合控制是将模糊控制与惯例PID控制算法相结合的控制办法,以此达到较高的控制精度。
它比单用模糊控制和单用PID控制均具有更好的控制性能。
(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和完善,以提高控制系统的性能。
它具有自适应、自学习的能力,对那些具有非线性、年夜时滞、高阶次的庞杂系统有着更好的控制效果。
(3)专家模糊控制
专家模糊控制是将专家系统技术与模糊控制相结合的产品。
引入专家系统可进一步提高模糊控制的智能水平。
专家模糊控制坚持了基于规则的办法和模糊集处理带来的灵活性,同时又把专家系统技术的知识表达办法结合进来,能处理更广泛的控制问题。
(4)神经模糊控制
模糊控制规则和隶属函数的获取与确定是模糊控制中的“瓶颈”问题。
神经模糊控制是基于神经网络的模糊控制办法。
该办法利用神经网络的学习能力,来获取并修正模糊控制规则和隶属函数。
(5)多变量模糊控制
多变量模糊控制有多个输入变量和输出变量,它适用于多变量控制系统。
多变量耦合和“维数灾”问题是多变量模糊控制需要解决的关键问题。
1.3研究的主要内容
在工业控制中,PID控制是工业控制中最经常使用的办法。
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,可以采取模糊控制理论的办法。
模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有功效的领域。
其中,模糊PID控制技术饰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。
本结业设计基于模糊PID的控制器的仿真设计,要求具有良好的性能。
2计划选择及可行性阐发
2.1计划的选择
计划一:
经典PID控制系统:
P控制:
这类控制输出的变更与输入控制器的偏差成比例关系,输入偏差越年夜输出越年夜。
纯真的比例控制适用于扰动不年夜,滞后较小,负荷变更小,要求不高,允许有一定剩余误差存在的场合。
在工业生产中,比例控制规律使用较为普遍,它是控制规律中最基本的、应用最普遍的一种,其最年夜优点就是控制及时、迅速。
只要有偏差产生,控制器立即产生控制作用。
可是不克不及最终消除剩余误差的缺点限制了它的单独使用。
PI控制:
克服剩余误差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制。
积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分红正比。
它的输出不但与输入偏差的年夜小有关,并且还与偏差存在的时间有关。
只要偏差存在,输出就会不竭累积,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:
当被控对象受到扰举措用后,被控变量没有立即产生变更,而是有一个时间上的延迟。
因此要引入比例、微分作用,即PD控制。
它比纯真的比例作用更快。
尤其是对容量滞后年夜的对象,可以减小偏差的幅度,节省控制时间显著改良控制质量。
PID比例积分微分:
最为理想的控制当属比例积分微分控制,即PID控制。
它集三者之长,既有比例作用的及时迅速,又有积分作用的消除剩余误差能力,还有微分作用的超前控制功能。
当偏差扰动呈现时,微分立即年夜幅度举措,抑制偏差的这种跃变,比例也同时起消除偏差的作用,使振荡幅度减小。
由于比例作用是耐久和起主要作用的控制规律,积分作用可以慢慢把剩余误差克服失落,因此可使系统比较稳定,只要,三个作用的控制参数选择适当,即可充分阐扬三种控制规律的优点,获得较为理想的控制效果。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不克不及通过有效的丈量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
然而陪伴着新的控制系统的不竭涌现,PID控制战略在控制非线性、时变、强耦合及参数和结构不确定的庞杂过程时,控制效果不睬想。
因此,它的应用受到了很年夜水平上的限制。
计划二:
模糊PID控制系统
利用人工智能的办法将操纵人员的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。
这种控制器把古典的PID控制与先进的专家系统相结合,实现系统的最佳控制。
这种控制必须精确地确定对象模型,首先将操纵人员(专家)长期实践积累的经验知识用控制规则模型化,然后运用推理即可对PID参数实现最佳调整。
由于操纵者经验不容易精确描述,控制过程中各种信号量以及评价指标不容易定量暗示,模糊理论是解决这一问题的有效途径,所以人们运用模糊数学的基本理论和办法,把规则的条件、操纵用模糊集暗示,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的实际响应情况(即专家系统的输入条件),运用模糊推理,即可自动实现对PID参数的最佳调整,这就是模糊自适应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控制器以误差和误差变更作为输入,可以满足不合时刻的和对PID参数自整定的要求。
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参数模糊自整定是找出PID三个参数与和之间的模糊关系,在运行中通过不竭检测,根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改,以满足不合和时对控制参数的不合要求,而使被控对象有良好的动、静态性能。
综上,比较两种计划可知,带有年夜扰动、时滞、时变的系统,采取传统的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控制器的缺乏。
2.2计划可行性阐发
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,的作用如下:
(1)比例系数的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。
越年夜,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会招致系统不稳定。
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、静态特性变坏。
(2)积分作用系数的作用是消除系统的稳态误差。
越年夜,系统的静态误差消除越快,但过年夜,在响应过程的早期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较年夜超调。
若过小,将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。
(3)微分作用系数的作用是改良系统的静态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何标的目的的变更,对偏差变更进行提前预报。
但过年夜,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,并且会降低系统的抗干扰性能。
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)y(t)
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,运算工作量很年夜,并且计算机故障可能是u(k)做年夜幅振荡,这种情况往往是控制很不便利,再有些场合可能会造成严重的事故。
另外,控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置:
如果计算机呈现故障,u(k)的年夜幅度变更会引起执行机构位置的年夜幅度变更,因此,在实际的控制系统中不太经常使用这种办法。
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次采样时的偏差值;
e(k1)——第k1次采样时的偏差值;
u(k)——第k次采样时调节器的输出;
Kp——比例系数;
依据算法形式,显然可以看出增量式PID算法和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(k1)、e(k2)有关,不需要进行累加,不容易引起积分饱和,因此能获得较好的控制效果。
其次,在位置式控制算法中,由手动到自动切换时,必须首先使计算机的输出值即是阀门的原始开度,才干包管手动到自动的无扰动切换,这将给法度设计带来困难。
而增量式设计只与本次的偏差值有关,与阀门原来的位置无关,因而易于实现手动自动的无扰动切换。
再次,增量式算法中,计算机只输出增量,误举措影响小。
需要时可加逻辑呵护,限制或禁止故障时的输出。
为适应更多的应用领域,PID控制器也有了多种算法。
3积分别离PID算法
积分别离PID算法基本思想是:
设置一个积分别离阈值β,当|e(k)|≤|β|时,采取PID控制,以便于消除静差,提高控制精度;
当|e(k)|>
|β|时,采取PD控制。
其对应的算法s是公式:
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,辨别采取普通PID控制和积分别离PID控制,如图3.2:
图3.2PID控制和积分别离PID控制比较
其中1普通PID控制效果2积分别离PID控制效果
显然,积分别离的PID比普通的PID的控制效果好。
4不完全微分PID算法
在PID控制器的输出端再串连一阶惯性环节(比方低通滤波器)来抑制高频干扰,平滑控制器的输出,这样就组成了不完全微分PID控制,见图3.3。
E(s)
图3.3不完全微分PID控制器
其控制算法,如公式25所示。
其中,
通过这样的算法可以延长微分作用的时间,见图3.4。
(a)(b)
图3.4不完全微分PID和完全微分PID控制特性比较
不完全微分PID控制中的微分作用能缓慢地维持多个采样周期,使一般的工业执行机构能较好地跟踪微分作用的输出。
因此,抗干扰能力较强,在一些扰动频繁的场合应用十分普遍。
3.2PID参数对系统性能的影响
1.比例系数Kp对系统性能的影响
比例系数加年夜,使系统的举措灵敏,速度加快,稳态误差减小。
Kp偏年夜,振荡次数加多,调节时间加长。
Kp太年夜时,系统会趋于不稳定。
Kp太小,又会使系统的举措缓慢。
Kp可以选正数,这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。
如果Kd的符号选择不当,对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远,如果呈现这样的情况Kp的符号就一定要取反。
2.积分控制Ti对系统性能的影响
积分作用使系统的稳定性下降,Ti小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。
3.微分控制Td对系统性能的影响
微分作用可以改良静态特性,Td偏年夜时,超调量较年夜,调节时间较短。
Td偏小时,超调量也较年夜,调节时间也较长。
只有Td合适,才干使超调量较小,减短调节时间。
4.PID控制器参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的年夜小。
PID控制器参数整定的办法很多,归纳综合起来有两年夜类:
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。
这种办法所获得的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定办法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且办法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采取。
PID控制器参数的工程整定办法,主要有临界比例法、反响曲线法和衰减法。
三种办法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后依照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采取哪一种办法所获得的控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采取的是临界比例法。
4设计原理
4.1模糊逻辑与模糊控制的概念
模糊控制相关概念“模糊逻辑”的概念,其根本在于区散布尔逻辑或清晰逻辑,用来界说那些含混不清,无法量化或精确化的问题,对冯?
诺依曼开创的基于“真假”推理机制,以及因此开创的电子电路和集成电路的布尔算法,模糊逻辑填补了特殊事物在取样阐发方面的空白。
在模糊逻辑为基础的模糊集合理论中,某特定事物具有特色集的隶属度,他可以在“是”和“非”之间的规模内取任何值。
而模糊逻辑是合理的量化数学理论,是以数学基础为根本去处理这些不确定、不精确的信息。
模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程的控制算法。
它是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方法,根据模糊现象进行识别和判决,给出精确控制量,进而对被控对象进行控制的。
对参数精确已知的数学模型,我们可以用波特图或奈克斯特图来阐发其过程以获得精确的设计参数。
而对一些庞杂系统,如粒子反响,气象预报等设备,建立一个合理而精确的数学模型是很是困难的。
对电力传动中的变速矢量控制问题,尽管可以通过丈量得知其模型,但由于其多变量且非线性变更的特点,精确控制也是很是困难的。
模糊控制技术依据与操纵者的实践经验和直观推断,也依靠设计人员和研发人员的经验和知识积累。
它无需建立设备模型,因此基本上是自适应的,具有很强的鲁棒性。
历经多年成长,已有许多胜利应用模糊控制理论的案例,如Rutherford、Carter应用于冶金炉和热交换器的控制装置。
4.2模糊控制器的基本结构和工作原理
模糊控制器有如下结构,图4.1呈现了其基本控制流程。
FC
为了了解模糊控制器到工作原理,图4.2列出其结构框图。
显然,模糊控制器到主要由模糊化接口、知识库、模糊推理机
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