基于Matlab的模糊自適應PID控制器仿真研究.pdf

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1、基于Matlab的模糊自適應PID控制器仿真研究?在工業(yè)控制中，PID控制是工業(yè)控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性:當控制對象不同時，控制器的參數(shù)難以自動調(diào)整以適應外界環(huán)境的變化。為了使控制器具有較好的自適應性，實現(xiàn)控制器參數(shù)的自動調(diào)整，可以采用模糊控制理論的方法?將模糊控制與PID控制結(jié)合，利用模糊推理方法實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線自整定，使控制器具有較好的自適應性。?通過MATLAB對系統(tǒng)進行仿真，對比傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制的仿真結(jié)果。比例r(t)e(t)+u(t)c(t)積分被控對象++-+微分圖1PID控制器系統(tǒng)原理框圖?如圖1，在經(jīng)典PI

2、D控制中，給定值與測量值進行比較，得出偏差e(t)，并依據(jù)偏差情況，給出控制作用u(t)，然后作用于被控對象。輸出c(t)同時反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)。kTek()??ek(1)uk()?KekpD[()??ej()?T]TTIj?0?模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，讓計算機把人的經(jīng)驗形式化、模型化，根據(jù)所取得的語言控制規(guī)則進行模糊推理，給出模糊輸出判決，并將其轉(zhuǎn)化為精確量，作為饋送到被控對象(或過程)的控制作用。?模糊控制表是模糊控制算法在計算機中的表達方式，它是根據(jù)輸入輸出的個數(shù)、隸屬函數(shù)及控制規(guī)則等決定的。目的是把人工操作控制過程表達成計算機能夠接受，并便于

3、計算的形式。?模糊控制規(guī)則一般具有如下形式:If{e=Aiandec=Bi}thenu=Ci,i=1,2…,其中e,ec和u分別為誤差變化和控制量的語言變量，而Ai、Bi、Ci為其相應論域上的語言值。模糊推理KKKDPIr(t)e(t)c(t)PID對象+調(diào)節(jié)器u(t)-dd/utect()圖2自適應模糊PID控制器系統(tǒng)原理框圖?如圖2所示，自適應模糊PID控制器是在PID算法的基礎上，以誤差e和誤差變ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調(diào)整，來滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改，便構(gòu)成

4、了自適應模糊PID控制器。圖3PID控制系統(tǒng)仿真模型?圖3為采用傳統(tǒng)PID控制的建模。運行可知仿真結(jié)果，如圖4所示。其參數(shù)是利用穩(wěn)定邊界法、按以下步驟進行參數(shù)整定:(1)將積分、微分系數(shù)TI=inf,TD=0，KP置較小的值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運行，若系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行，則選擇其他的校正方式。?模糊自適應PID控制系統(tǒng)仿真（1）首先利用FIS模糊編輯器創(chuàng)建一個兩輸入（e、ec）和三輸出（KP、KI、KD）的Mamdani推理的模糊控制器。如圖5，設輸入（e、ec）的論域值均為（-6,6），輸出（KP、KI、KD）的模糊論域為（-3,3）。（2）取相應論域上的語言值為負

5、大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中（PM）和正大（PB），而令所有輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)，如圖6和圖7所示，分別為輸入及輸出的模糊論域和隸屬函數(shù)。圖8為PID控制的3個參數(shù)(KP、Ti、TD)的模糊控制規(guī)則。圖5模糊控制器窗口圖6E、EC的模糊論域和隸屬函數(shù)圖7KP、KI、KD的模糊論域和隸屬函數(shù)圖8部分模糊控制規(guī)則（3）然后構(gòu)建模糊自適應PID控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖9所示，并且給出了其相應部分的子系統(tǒng)的框圖如圖10。最后的仿真結(jié)果如圖11所示。圖9模糊自適應PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖10子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖11模糊PID控制仿真結(jié)果

6、?小結(jié)：比較圖4的PID控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果和圖11模糊PID控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果，可以看出來在對三階線性系統(tǒng)的控制中，利用穩(wěn)定邊界法進行參數(shù)整定的經(jīng)典PID控制的超調(diào)量比模糊自適應PID控制的超調(diào)量要大。模糊控制用模糊集合和模糊概念描述過程系統(tǒng)的動態(tài)特性，根據(jù)模糊集和模糊邏輯來做出控制決策，它在解決復雜控制問題方面有很大的潛力，可以動態(tài)地適應外界環(huán)境的變化。當然這里也反映了一些問題，模糊PID控制存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。因此，如何選擇變量的合適的隸屬度函數(shù)、論域和語言值、模糊規(guī)則表及控制器的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)對系統(tǒng)在超調(diào)量、上升時間、過渡時間及穩(wěn)定性等方面的最優(yōu)控制，是要今

7、后做的工作。