1、.模糊 PID 控制器參數(shù)自整定報告0 引言：PID 控制作為一種典型的傳統(tǒng)反饋控制器， 以其結(jié)構(gòu)簡單， 易于實現(xiàn)和魯棒性好等特點在工業(yè)過程控制中廣泛應(yīng)用。 但是傳統(tǒng) PID 控制器的參數(shù)需要被控對象的數(shù)學(xué)模型來進行調(diào)整，而控制過程中的滯后性、控制參數(shù)的非線性和高階陛增加了對Kp、Ki 、 Kd 三個參數(shù)的調(diào)整難度。 所以對確定的控制系統(tǒng)通過復(fù)雜的計算后，其三個參數(shù)的值在控制運行中一般是固定的， 不易進行在線的調(diào)整。 而在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中， 許多被控對象受到負荷變化和干擾因素的作用，其對象參數(shù)的特征和結(jié)構(gòu)易發(fā)生改變，這就需要對參數(shù)進行動態(tài)的調(diào)整。同樣因為被控系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，其精確的

2、數(shù)學(xué)模型難以建立，甚至無法建立模型，所以需要利用模糊控制技術(shù)等方法來解決。模糊 PID 無需考慮被控系統(tǒng)的模型，而只根據(jù)其誤差 e 和誤差變化 ec 等檢測數(shù)據(jù)來自適應(yīng)調(diào)整 Kp、Ki 、Kd 的值，最終使被控系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作態(tài)。1、PID 控制器：PID 參數(shù)模糊自整定是找出PID 中 3 個參數(shù)與e 和 ec 之間的模糊關(guān)系，在運行過不斷檢測 e 和 ec，根據(jù)模糊控制原理來對3 個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e 和 ec 時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動穩(wěn)態(tài)性能。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮 Kp,Ki,Kd 的作用如下：(1) 比例系數(shù)Kp 的作

3、用是 : 加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Kp 取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。(2) 積分作用系數(shù) Ki 的作用是 : 消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 Ki 越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但 Ki 過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象, 從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若Ki過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。(3) 微分作用系數(shù) Kd 的作用是 : 改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。其作用主要是能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢 , 并能在偏差信號值變得太大之

4、前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。2、 模糊 PID 參數(shù)自整定控制器設(shè)計2.1 控制器結(jié)構(gòu)：.2.2 模糊化由 PID 各個參數(shù)對系統(tǒng)的影響得到：(a) 當誤差 |e| 較大時， 說明誤差的絕對值較大， 不論誤差的變化趨勢如何， 都應(yīng)該考慮控制器的 Kp 取較大值， 以提高響應(yīng)的快速性； 而為防止因為 |ec| 瞬時過大， kd 應(yīng)該取較小的值；為控制超調(diào)， ki 也應(yīng)該取值很小。(b) 當誤差 |e| 在中等大小時， 為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)， 應(yīng)減小 Kp，Ki 值應(yīng)增大， Kd 應(yīng)適中。(c) 當誤差 |e| 較小時，為保證系統(tǒng)具有良好

5、的穩(wěn)態(tài)特性，應(yīng)加大Kp、 Ki 的取值，同時為避免產(chǎn)生振蕩， Kd 的取值應(yīng)該和 |ec| 聯(lián)系起來。模糊 PID 控制根據(jù)系統(tǒng)運行的不同狀態(tài)，考慮 Kp、Ki 、Kd 三者的關(guān)聯(lián)，根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)計模糊整定這三個參數(shù)，選擇輸入語言變量為誤差e 和偏差變化率ec，語言變量值取NB，NM， NS， 0， PS， PM， PB七個模糊值；選擇輸出語言變量為Kp， Ki ， Kd 語言變量值也取 NB，NM，NS， 0， PS， PM，PB七個模糊值，建立 Kp， Ki ， Kd 的模糊規(guī)則表如下表 1、表 2、表 3。.2.3 設(shè)計模糊控制器在 MATLAB命令空間輸入fuzzy ，彈出對話框，然后

6、進行設(shè)置，如圖：.設(shè)置為兩輸入三輸出結(jié)構(gòu)。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置輸入輸出的隸屬度函數(shù)都為：設(shè)置完隸屬度函數(shù)后，按照上述三個模糊規(guī)則表格設(shè)置模糊規(guī)則，如圖.設(shè)置完畢后，保存文件“zhinengkongz.fis”至磁盤，留給仿真調(diào)用，生成的文件為：SystemName='zhinengkongz'Type='mamdani'Version=2.0NumInputs=2NumOutputs=3NumRules=49AndMethod='min'OrMethod='max'ImpMethod='min'AggMethod='

7、;max'DefuzzMethod='centroid'Input1Name='e'Range=-3 3NumMFs=7MF1='nb':'zmf',-3 -1MF2='nm':'trimf',-3 -2 0MF3='ns':'trimf',-3 -1 1MF4='zo':'trimf',-2 0 2.MF5='ps':'trimf',-1 1 3MF6='pm':'tri

8、mf',0 2 3MF7='pb':'smf',1 3Input2Name='ec'Range=-3 3NumMFs=7MF1='nb':'zmf',-3 -1MF2='nm':'trimf',-3 -2 0MF3='ns':'trimf',-3 -1 1MF4='zo':'trimf',-2 0 2MF5='ps':'trimf',-1 1 3MF6='pm':&

9、#39;trimf',0 2 3MF7='pb':'smf',1 3Output1Name='kp'Range=-3 3NumMFs=7MF1='nb':'zmf',-3 -1MF2='nm':'trimf',-3 -2 0MF3='ns':'trimf',-3 -1 1MF4='zo':'trimf',-2 0 2MF5='ps':'trimf',-1 1 3MF6='p

10、m':'trimf',0 2 3MF7='pb':'smf',1 3Output2Name='ki'Range=-3 3NumMFs=7MF1='nb':'zmf',-3 -1MF2='nm':'trimf',-3 -2 0MF3='ns':'trimf',-3 -1 1MF4='zo':'trimf',-2 0 2MF5='ps':'trimf',-1 1 3MF

11、6='pm':'trimf',0 2 3MF7='pb':'smf',1 3Output3Name='kd'Range=-3 3NumMFs=7.MF1='nb':'zmf',-3 -1MF2='nm':'trimf',-3 -2 0MF3='ns':'trimf',-3 -1 1MF4='zo':'trimf',-2 0 2MF5='ps':'trimf'

12、,-1 1 3MF6='pm':'trimf',0 2 3MF7='pb':'smf',1 3Rules11,715(1):112,713(1):113,621(1):114,651(1):115,531(1):116,442(1):117,445(1):121,715(1):122,713(1):123,621(1):124,532(1):125,532(1):126,443(1):127,344(1):131,614(1):132,623(1):133,632(1):134,532(1):135,443(1):136,353(

13、1):137,354(1):141,624(1):142,623(1):143,533(1):144,443(1):145,353(1):146,263(1):147,264(1):151,524(1):152,534(1):153,444(1):154,354(1):155,354(1):156,264(1):157,274(1):1.61,547(1):162,443(1):163,355(1):164,255(1):165,265(1):166,275(1):167,177(1):171,447(1):172,446(1):173,256(1):174,266(1):175,265(1)

14、:176,175(1):177,177(1):13、 系統(tǒng)仿真設(shè)控制對象為： G(s)=25/s2+6s+25通過程序（含注釋）仿真如下：clear all;clc;a=readfis('zhinengkongz');%讀取設(shè)定的 FIS 模糊控制器ts=0.001;%抽樣時間為 1MSsys=tf(25,1,6,25);%構(gòu)造系統(tǒng) G(s)=25/s2+6s+25dsys=c2d(sys,ts,'z');%離散化num,den=tfdata(dsys,'v');%得到系數(shù)%設(shè)置系統(tǒng)初值u1=0;u2=0;y1=0;y2=0;x=0,0,0;e1

15、=0;ec1=0;Kp0=0.3;Ki0=2;Kd0=1;for k=1:5000;%仿真 5Stime(k)=k*ts;r(k)=1;%輸入階躍信號fpid=evalfis(e1,ec1,a);%模糊推理Kp(k)=Kp0+fpid(1);%得到新的參數(shù)Ki(k)=Ki0+fpid(2);Kd(k)=Kd0+fpid(3);u(k)=Kp(k)*x(1)+Ki(k)*x(2)+Kd(k)*x(3);%PID輸出y(k)=-den(2)*y1-den(3)*y2+num(1)*u(k)+num(2)*u1+num(3)*u2;%系統(tǒng)輸出e(k)=r(k)-y(k);%計算誤差u2=u1;u1=

16、u(k);%更新數(shù)據(jù)y2=y1;y1=y(k);x(1)=e(k);%對應(yīng) KP.x(2)=x(2)+e(k)*ts;%對應(yīng) KIx(3)=e(k)-e1;%對應(yīng) KDec1=e(k)-e1;%重新計算 ece1=e(k);%重新計算 eend%打印輸出figure(1);plot(time,y,'g',time,r,'r');grid on;xlabel('time(s)');ylabel( 'y ');figure(2)plot(time,Kp,'r');xlabel('time(s)');yl

17、abel( 'Kp ');grid on;figure(3)plot(time,Ki,'b');grid on;xlabel('time(s)');ylabel( 'Ki ');figure(4)plot(time,Kd,'g');xlabel('time(s)');ylabel( 'Kd ');grid on;結(jié)果顯示：1.40.51.20.410.30.20.8y0.1p0.6K00.4-0.1-0.20.2-0.30-0.400.511.522.533.544.5500.511.522.533.544.55time(s)time(s)輸入輸出對比圖Kp自動調(diào)整曲線.2.82.712.60.92.50.82.40.7i2.3Kd0.6K2.20.52.120.41.90.31.80.511.522.533.544.550.20.511.522.533.544.5500time(s)time(s)Ki自動調(diào)整曲線Kd自動調(diào)整