模糊控制论文参数自整定模糊PID控制器设计

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1、模糊控制论文 参数自整定模糊PID控制器设计时间 2010年6月16日参数自整定模糊PID控制器设计【摘要】在借鉴传统PID控制应用工业现场基础上，引进模糊规则的调用方式。根据偏差绝对值和偏差变化率绝对值的改变，在线调节PID参数，最后进行MATLAB仿真，经过比较传统PID控制与模糊PID动态性能的差异，验证模糊PID动态性能得到明显的改善。【关键词】模糊PID、控制器、Matlab仿真（Simulink）传统PID (比例、积分和微分)控制原理简单，使用方便，适应性强，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。但是PID控制器也存在参数调节需要一定过程，最优参数选取比较麻烦的缺点，对一些系统参数

2、会变化的过程，PID控制就无法有效地对系统进行在线控制。不能满足在系统参数发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求，严重的影响了控制效果。本篇文章介绍了对模糊PID控制性能改善，它不需要被控对象的数学模型，能够在线实时修正参数，使控制器适应被控对象参数的任何变化。并对其进行仿真验证，结果表明模糊PID控制使系统的性能得到了明显的改善。1、传统PID与模糊PID的比较PID控制PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点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、得不到精确的数学模型时，采用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制系统设

3、计的核心。它是根据被控过程的特性来确定PID控制器的参数大小。PID控制原理简单、易于实现、适用面广，但PID控制器的参数整定是一件比较困难的事。合理的PID参数通常由经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。为此，需要引入一套模糊PID控制算法。模糊PID控制所谓模糊PID控制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果。模糊PID控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实

4、际位置和理论位置的偏差E以及当前的偏差变化EC，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。2、模糊PID原理工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量采用的仍然是PID算法，PID参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存

5、入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数，这样就出现了智能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时象模型，首先将操作人员长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理便可对PID参数实现最佳调整。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方法，把规则的条件、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，即可自动实现时PID参数的最佳调整，这就

6、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。3、模糊控制器的仿真设计模糊控制器模糊语言变量设计 参数自调节模糊PID的Kp调节 参数自调节模糊PID的Ki调节 参数自调节模糊PID的Kd调节语言值选择及隶属函数设计 FC1输入输出变量的隶属函数 FC2输入输出变量的隶属函数 FC3输入输出变量的隶属函数模糊规则集的设定FC1的模糊推理规则 FC1的模糊规则观察器 FC1模糊推理输入输出关系曲线FC2的模糊推理规则 FC2的模糊规则观察器 FC2模糊推理输入输出关系曲线FC3模糊推理规则 FC3模糊规则观察器 FC2模糊推理输入输出关系曲线系统Simu

7、link模型的建立与仿真分析参数自调节模糊PID控制系统Simulink仿真模型传统PID控制单位阶跃响应模糊控制子系统Simulink模型PID控制器子系统的Simulink模型 PID参数计算模块参数自调节模糊PID控制下单位阶跃响应曲线PID参数调节过程说明：从如图所示的参数自调节模糊PID控制系统单位阶跃响应曲线可以看出，系统超调量为10%，比PID控制的超调量少了一半，但峰值时间为2s，比PID控制要长。所以参数自调节模糊PID控制在改善系统稳态性能的同时，牺牲了其动态性能。4、模糊控制PID控制的应用：1、将模糊PID控制应用于变风量空调系统中，任务是将送风温度和空调房间内的温度(

8、回风温度)控制在各自的设定目标值附近。分别设计了变风量空调系统的送风温度模糊PID控制系统和室内温度(视为回风温度)模糊PID控制系统，通过调节冷冻水阀门的开度来控制送风温度，通过调节变频风机的转速来控制室内温度。应用所设计的模糊PID控制器对送风温度和空调房间的温度(即回风温度)进行了实时在线控制，控制结果表明模糊PID控制器设计合理，采用模糊控制器能够取得比PID控制更好的控制效果。2、锅炉及热力系统的氧腐蚀是锅炉安全运行的一大隐患，目前常用的减缓或消除锅炉中氧腐蚀的方法是热力除氧。影响热力除氧器除氧效果的主要因素有温度、压力和水位，这三者之问具有非线性、时变性和耦合性等特点，因此，除氧器

9、的精确控制成为国内外很多学者关注的问题。对于热力除氧器系统大滞后、大惯性、非线性以及难以建立精确的动态数学模型等特点，采用模糊控制算法与传统的PID控制算法相结合，设计了热力除氧器温度控制系统。为了检测所设计的温度控制系统的性能，采用仿真软件MATLAB的模糊工具箱结合Simulink动态仿真分别对模糊PID控制算法和PID控制算法仿真试验。试验结果表明，模糊PID控制系统能较好地满足除氧工艺要求，提高了热力除氧器温度控制系统的精度和工作效率。3、电加热炉是一个非线性、时变的复杂对象，常规的PID控制难以达到控制要求。为此提出了Fuzzypid复合控制方案，对电加热炉的炉温进行控。电加热炉是一

10、个非线性、时变的复杂系统，用准确的数学解析式表示其特性十分困难，采用模糊-PID复合控制器，可以消除稳态误差，提高稳态精度。这种复合策略是在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成PID控制。将两者合理结合，既具有传统PID控制精度高的优点，又具有模糊控制器快速、适应性强的特点，并可以迅速消除系统误差，保证了系统具有良好的动、静态特性，能达到较好理想的控制效果。5、模糊控制PID控制的优点：对于难以建立精确的数学模型的非线性系统的控制，传统的控制理论和控制方法具有很大的局限性，作为智能控制的重要组成部分，模糊控制可以解决具有非线性、不确定性、难以建立精确的数学模型的复杂系统的控制问题，因

11、而在非线性系统控制中得到了越来越广泛的应用。针对控制对象的大惯性、大时延特点，采用了串级控制策略；针对对象的非线性、不确定性，主控器采用了模糊自整定PID参数的方式，经仿真验证具有良好的动、静态特性，特别是在鲁棒性方面大大优于常规的PID控制器。6、总结：常规PID控制时通过调节PID 3个参数，就可以得到系统比较理想的响应图，控制效果的优良与参数的调整有很大的关系，也能提高快速性。但3个参数的调整非常繁琐。而且，如果系统环境不断变化，则参数又必须进行重新调整，往往达不到最优。而单独模糊控制，系统动态性能好，但稳态性能较差，且很难使两种性能指标都达到理想，所以采用模糊PID控制，通过模糊控制器对PID进行非线性的参数整定，可使系统无论是快速性方面还是稳定性方面都达到比较好的效果。