新型自適應(yīng)模糊pid控制系統(tǒng)仿真

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1、新型自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真9新型自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真*作者簡(jiǎn)介：趙國(guó)山(1978-),男,山東泰安人,博士生,研究方向?yàn)榫孪到y(tǒng)、信息與控制工程;管志川(1959-),男,博士,教授,研究方向?yàn)橛蜌饩苤W(xué),油氣井井下過(guò)程監(jiān)測(cè)、診斷與控制等.趙國(guó)山管志川中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061摘要：PID控制具有算法簡(jiǎn)單和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，但是當(dāng)被控對(duì)象變化時(shí)，控制器的參數(shù)難以自動(dòng)調(diào)整，尤其是對(duì)大滯后和非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程具有的非線性和不確定性，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID控制方法。它是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和常規(guī)PID

2、控制器的有效結(jié)合，將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)策略引入到傳統(tǒng)PID控制中，使得PID控制器具有模糊控制簡(jiǎn)單有效的非線性控制的優(yōu)點(diǎn)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。并建立控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，給出控制器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果表明新型自適應(yīng)模糊PID控制有較好的魯棒性、抗干擾性和自適應(yīng)性，其控制特性優(yōu)于傳統(tǒng)的PID。關(guān)鍵詞：PID控制參數(shù)整定系統(tǒng)仿真模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1引言PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，其涉及的設(shè)計(jì)算法和控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[1]。但由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性和時(shí)變不確定性[2]，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達(dá)到理想控制效果，本文將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)策略引入到傳統(tǒng)PID控制

3、中，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求，并利用SIMULINK工具箱建立了常規(guī)PID控制系統(tǒng)和新型自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真研究。2PID控制系統(tǒng)建模2.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)常規(guī)PID控制系統(tǒng)模型如圖1所示，其控制規(guī)律[1]為：（1）式中，e(t)－控制器偏差輸入；u(t)－控制器輸出；KP、KI和KD－比例、積分和微分項(xiàng)系數(shù)。本文所用的PID參數(shù)的整定方法是ZN法[1-3]。ZN經(jīng)驗(yàn)公式[3]如式2所示：，，（2）2.2模糊PID控制系統(tǒng)的信號(hào)采用二輸入三輸出的模糊控制器，以e和ec為輸入語(yǔ)言變量[4-6]，以KP、KI和KD為輸出語(yǔ)言變量，輸入、輸出的模糊子集如下：新型自適

4、應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真9偏差e：本文選取{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}這七個(gè)語(yǔ)言變量值來(lái)描述用符號(hào)表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；同理，偏差變化率ec：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；KP：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；KI：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；KD：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；把語(yǔ)言變量進(jìn)行量化歸檔[4-6]：偏差e：(-6，-4，-2，0，，+2，+4，+6}；偏差變化率ec：(-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}；KP：(-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}；KI：(-

5、6，-4，-2，0，+2，+4，+6}；KD：(-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}；在本設(shè)計(jì)中隸屬函數(shù)采用三角形函數(shù)[6]，KP、KI和KD的控制規(guī)則如表1所示。表1KP、KI和KD控制規(guī)則表KPKIKDeNBNMNSZOPSPMPBecNBPBNBPSPBNBNSPMNMNBPMNMNBPSNSNBZOZONMZOZOPSNMPBNBPSPBNBNSPMNMNBPSNSNMPSNSNMZOZONMNSZOZONSPMNBZOPMNMNSPMNSNMPSNSNMZOZONSNSPSNSNSPSZOZOPMNMZOPMNMNSPSNSNSZOZONSNSPSNSNMPMNSNMPMZO

6、PSPSNMZOPSNSZOZOZOZONSPSZONSPSZONMPMZONMPBZOPMPSZOPBZOZONSNSPSPSNMPSPSNMPMPSNMPBPSNBPBPBPBZOZOPBZOZOPMNMPSPMNMPMPMNMPMPSNBPBPSNBPBPB圖1常規(guī)PID控制系統(tǒng)模型2.3新型自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)BP網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)BP網(wǎng)絡(luò)具有兩個(gè)輸入分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的偏差e和偏差變化ec，具有4層隱層和一個(gè)輸出層[7-9]，隱層的活化函數(shù)[7-9]均選為tansig函數(shù)，其取值在[-11]之間。輸出層有一個(gè)神經(jīng)元，對(duì)應(yīng)于PID控制器的三個(gè)參數(shù)KP、KI和KD，輸出層活化函數(shù)取為p

7、urelin線性函數(shù)。采用BP算法對(duì)表1所示的模糊控制規(guī)則進(jìn)行訓(xùn)練，其實(shí)質(zhì)是確定BP網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的連接權(quán)值和閾值。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息的處理具有自組織和自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)[7-9]，當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束達(dá)到期望的誤差精度要求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)具備反映模糊規(guī)則代表的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的能力。采用帶動(dòng)量回傳的梯度遞減法作為訓(xùn)練函數(shù)[7-9]，在MATLAB的指令窗中輸入‘nntool’新型自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真9，打開(kāi)一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)/數(shù)據(jù)管理”窗口，在這