四川省科技創(chuàng)新苗子工程

資助項目申請書

申請人:

在讀(或所在孵化園)單位:

西南科技大學郵政編碼：

621010電

話：

傳

真：

E_mail：

申請日期：

2012-08-28

四川省科技創(chuàng)新苗子工程指導委員會二○一○年制

填報說明填寫申請書前，請先查閱《四川省科技創(chuàng)新苗子工程實施暫行辦法》和《四川省科技創(chuàng)新苗子工程指南》。申請書各項內(nèi)容須實事求是，表達明確。外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)的縮寫詞，須注明全稱。申請書在A4紙上用5號宋體打印，上邊距30mm，下邊距20mm，左邊距25mm，右邊距20mm，統(tǒng)一標明頁碼，從網(wǎng)上將文件電子版提交給四川省科技創(chuàng)新苗子工程辦公室，用于初選。經(jīng)初選合格后由在讀單位審核簽署意見并加蓋公章，報送四川省科技創(chuàng)新苗子工程辦公室一式三份。如內(nèi)容填寫不下，請另加附頁。如有其他反映申請人情況的材料可以用附件形式同時呈報。附件材料版面應(yīng)與申請書相同。申請書格式可登陸下載。填好的申請書從網(wǎng)上提交。

項目名稱基于近似三維模糊控制的PID參數(shù)整定研究按項目指南分類編號計算機與醫(yī)學、材料、環(huán)境等的交叉技術(shù)研究與應(yīng)用項目負責人姓

名

性別

年齡

身份證

在讀單位（或所在孵化園）西南科技大學

專業(yè)

在讀身份（或已取得的學歷）學士通信地址

郵政編碼621010聯(lián)系電話

電子郵箱項目組成員姓名性別年齡在讀單位（或工作單位）及身份陳波男西南科技大學在讀本科生梁凱男西南科技大學在讀本科生謝歡西南科技大學在讀本科生陳浩男西南科技大學在讀本科生王春媚女西南科技大學在讀本科生

1、項目主要內(nèi)容、工作計劃、資金使用計劃概要：1、項目主要內(nèi)容：本項目提出一種利用近似三維模糊控制模型,對PID控制參數(shù)進行整定的新方法。近似三維模糊控制模型，指在傳統(tǒng)二維模糊控制模型的基礎(chǔ)上，增加對第三維模糊語言變量的近似考慮。該方法綜合了傳統(tǒng)二維模糊控制系統(tǒng)開銷小，計算簡潔和傳統(tǒng)三維模糊控制精確度高的優(yōu)點，項目成果可以廣泛應(yīng)用于激光二極管的跟蹤誤差控制模型中，使激光二極管工作在更穩(wěn)定的溫度下，在成本降低的同時提升其耐用性、穩(wěn)定性。項目內(nèi)容包括：①對于溫度電阻數(shù)據(jù)進行擬合，得到擬合曲線。模糊控制的優(yōu)化以獲取PID控制參數(shù)：1）在傳統(tǒng)二維模糊控制基礎(chǔ)上增加對第三維模糊語言變量的近似考慮；2）在保證控制精度的前提下將每維語言變量的論域縮小。2、工作計劃：2025.09-2026.12

完成系統(tǒng)需求分析、詳細設(shè)計2025.01-2026.02

邀請相關(guān)專家對系統(tǒng)模型進行初步驗證2025.02-2026.04

完成系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)2025.05-2026.06

系統(tǒng)測試及完善工作2025.07-2026.08

撰寫結(jié)題材料，準備結(jié)題3、資金使用計劃：①實驗設(shè)備、耗能、文獻資料:0.6萬②專利申請、論文版面費：1.0萬③差旅費：0.2萬④專家驗證：0.2元

2、國內(nèi)外現(xiàn)狀、項目意義、市場需求、創(chuàng)新點和特色：1、國內(nèi)外現(xiàn)狀：隨著寬帶產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，激光通信遇到了一些技術(shù)上的難題，其中，隨著中繼距離增加及通信速率提高，跟蹤誤差已成為其性能瓶頸之一[1]。因此半導體激光器的恒溫控制顯得尤為重要。溫度控制器中很重要部分是控制器的PID參數(shù)整定。常規(guī)的PID控制器設(shè)計方法，難以滿足非線性、高階系統(tǒng)、時滯系統(tǒng)的工程應(yīng)用要求。學術(shù)界、工程界對非線性PID控制方法進行了大量研究，模糊PID控制器作為非線性PID控制器的一種,融合了模糊控制動態(tài)響應(yīng)性能好,PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的特點,近年來成為智能控制、先進PID研究的重要技術(shù)之一[2]，該技術(shù)在工程應(yīng)用中可以有效且便捷地實現(xiàn)控制策略和人為經(jīng)驗，且被控對象的動態(tài)特性已隱含在模糊控制器輸入，輸出模糊集及模糊規(guī)則中，不需被控對象的數(shù)學模型即可實現(xiàn)較好的控制。基于模糊的PID控制受到各界廣泛關(guān)注，已在智能自動化中扮演十分重要的角色[3]。針對模糊PID控制器，很多學者對此進行了大量的分析、仿真和實驗[5-8]。文6提出一種新型的二維PID模糊控制器,其結(jié)構(gòu)形式簡稱為fuzzyPD+fuzzyID型；文7提出模糊-PI雙?？刂破鞴ぷ髟硎钱斚到y(tǒng)偏差較大，落在某個閾值A(chǔ)以外時，就采用模糊控制以獲得良好的動態(tài)性能；當系統(tǒng)偏差較小，落在閾值以內(nèi)時，就采用PI控制以獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能。中國工程物理研究院流體物理研究所江孝國等人采用PID控制技術(shù)，研制的LD用溫度控制系統(tǒng)，在18~25攝氏度溫度范圍內(nèi)，控制的穩(wěn)定度由于正負0.1攝氏度目前，企業(yè)產(chǎn)品以傳統(tǒng)二維模糊控制為主流。一維模糊控制器常被用于一般被控對象。三維模糊控制器結(jié)構(gòu)較復雜、推理運算時間長，除對動態(tài)特性要求比較高的場合，一般較少選用這類模糊控制器。而二維模糊控制器能夠較嚴格的反應(yīng)受控過程中輸出變量的動態(tài)特性，效果較一維控制較好[10]，但不能滿足激光器高精度要求。針對應(yīng)用激光器的溫度控制器，PID參數(shù)的設(shè)置基本以通過大量測試得出的經(jīng)驗值的方式為主，此種方法簡單可靠，但是需要有一定的現(xiàn)場的運行經(jīng)驗，整定時易帶有主觀片面性，當整定參數(shù)個數(shù)增加時，反復試湊次數(shù)增加，難以得到最佳整定參數(shù)，在實際操作中花費的時間偏長，且不具有通用性，不能通過一套完整的規(guī)則算法來得出參數(shù)值。課題提出將智能控制以非線性控制方式引入到控制器中，系統(tǒng)在任何運行狀態(tài)下均能得到比傳統(tǒng)PID控制更好的控制性能，這樣的系統(tǒng)能控制較復雜的對象，其復雜性表現(xiàn)在高度的非線性，高噪聲干擾及動突變性等。智能控制能通過不斷修正控制策略和控制參數(shù)，使系統(tǒng)從不穩(wěn)定狀態(tài)變化到期望的穩(wěn)定狀態(tài)[11]。智能控制也具有不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學模型對控制器參數(shù)進行在線自動調(diào)整等特點，其系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的自適應(yīng)性。綜上所述，基于近似三維模糊控制的PID參數(shù)整定算法研究具有較大的理論研究和工程應(yīng)用價值。國內(nèi)外相關(guān)專利技術(shù)參考：[1]PID參數(shù)整定方法及PID參數(shù)整定系統(tǒng),廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院,G05B11/42(2025.01)I[2]智能現(xiàn)場總線PID控制器,北京時代金普科技發(fā)展有限公司,G05B19/418(2025.01)I[3]PID調(diào)整輔助裝置及方法,株式會社山武,G05B13/04(2025.01)I[4]模糊控制用的方法和裝置,西門子公司,G06F7/00。參考文獻:[1]HUANGJie,XUBen,SHENWei-Min.Abipolartemperaturecontrollerwithhighprecisionforlaserdiode[J].ChineseJournalofQuantumElectronics2025,27(2)151～154.[2]WooZW,YuanCH,LinJJ.APIDtypefuzzycontrollerwithself-tuningscalingfactors,FuzzySetsandSystems,2000,115(3):321~326[3]夏紅，宋建成，模糊PID控制器的發(fā)展，comment&reviewsinC.I.2025年第一卷第一期[4]MamdaniEH,Applicationsoffuzzyalgorithmsforsimpledynamicplant.ProceedingofIEE,1974,121(12):1585~1588[5]PetrovM,GanchevI,TanevaA.FuzzyPIDcontrolofnonlinearplants,intelligentceedingsof2025FirstInternationalIEEESymposium,2025,1:30~35[6]TemperatureControlSystemforHigh-PowerPumpLaserBasedonPIDAlgorithm[7]ButkiewiczBS.Systemwithhybridfuzzy-conventionalPIDcontroller,IEEEinternationalconferenceonSystems,Man,andCyberneticsof2000,5:3705~3709[8]一種新型的二維PID模糊控制器，李慶春;沈德耀;-控制工程2025年第04期雜志[9]江孝國，祁雙喜，王偉。高精度半導體激光器自穩(wěn)溫控系統(tǒng)[J]。電子技術(shù)，2025,5；56—59。[10]邢俊紅，基于模糊PID控制理論的半導體激光器溫控系統(tǒng)的研究，西安理工大學，2025年3月[11]李士勇，模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用[M]，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1990.230—232.2、項目意義和市場需求：PID控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。 獲取和整定PID參數(shù)的傳統(tǒng)方法就是根據(jù)經(jīng)驗，逐步調(diào)整每個參數(shù)，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)性能以及響應(yīng)時間，這樣的調(diào)試方法在一定程度上能夠滿足控制系統(tǒng)的要求，但是缺乏獲得參數(shù)的理論依據(jù)，本項目所提出的根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，通過采集溫度與電阻的對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)擬合，最終由模糊推理得出PID的三個控制參數(shù)，能夠從理論上確定PID參數(shù)的大致方向，在此參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用場合，考慮系統(tǒng)其它變量對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，結(jié)合PID的調(diào)試經(jīng)驗，再對參數(shù)進行微調(diào)優(yōu)化整定。 本項目所提出的控制方案，綜合了傳統(tǒng)二維模糊控制系統(tǒng)開銷小，計算簡潔和傳統(tǒng)三維模糊控制精確度高的優(yōu)點，在成本降低的同時提升其耐用性、穩(wěn)定性。項目成果可以廣泛應(yīng)用于激光二極管的跟蹤誤差控制模型中，使激光二極管工作在更穩(wěn)定的溫度下。通過擬合溫度電阻關(guān)系數(shù)據(jù)，得出前導關(guān)系，利用該關(guān)系進行模糊推理，加入第三維語言變量的近似考慮，獲取PID的控制參數(shù)，這樣的方法使PID的參數(shù)更可靠，能從多角度改善跟蹤誤差的控制效果。除此之外，該模型能夠應(yīng)用在其它控制系統(tǒng)中，比如電機的速度控制（使步進電機或者直流電機在不同的負載下以恒定速度運轉(zhuǎn)），電機的角度控制（使電機朝某個方向轉(zhuǎn)動固定的角度，收到外界的擾動之后能夠回到預設(shè)的角度），壓力控制系統(tǒng)等。基于近似三維模糊控制的PID參數(shù)整定和優(yōu)化的方法在控制領(lǐng)域有較大的市場空間，國內(nèi)外市場潛力巨大。3、創(chuàng)新點和特色：PID參數(shù)的獲?。篜ID參數(shù)的獲取通過在窄域論下的近似三維模糊控制算法實現(xiàn)，而不僅僅是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。該綜合了傳統(tǒng)二維模糊控制系統(tǒng)開銷小，計算簡潔和傳統(tǒng)三維模糊控制精確度高的優(yōu)點。PID參數(shù)雙模整定：通過本系統(tǒng)所提出模型得出PID參數(shù)之后，從兩個方面整定PID參數(shù)：首先需根據(jù)控制對象的反饋，優(yōu)化數(shù)學模型和模糊推理機的查詢表，再根據(jù)系統(tǒng)的超調(diào)量和響應(yīng)時間，微調(diào)參數(shù)，達到雙模整定的PID參數(shù)目的。

3、項目內(nèi)容和方案（１）項目目標、主要內(nèi)容、技術(shù)途徑、開發(fā)平臺、語言工具1、項目目標提出一種新的模糊控制算法——近似三維模糊控制算法，以實現(xiàn)PID參數(shù)整定方法的優(yōu)化，降低系統(tǒng)計算復雜度和開銷，同時提高控制精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。需要達到的性能指標見下表：模糊控制算法計算復雜度控制精度二維模糊控制算法計算平面內(nèi)的坐標值，得出二維表格計算簡單0.25精度低三維模糊控制算法計算三維空間里的坐標值，得出三維表格計算復雜0.08精度高近似三維模糊控制算法計算平面內(nèi)的坐標值，得出二維表格，之后考慮第三維變量的變化趨勢，對之前的二維表格進行優(yōu)化計算簡單0.10精度高2、主要內(nèi)容①對于溫度電阻數(shù)據(jù)進行擬合，得到擬合曲線。②利用近似三維模糊控制算法整定PID控制參數(shù)：1）在傳統(tǒng)二維模糊控制基礎(chǔ)上增加對第三維模糊語言變量的近似考慮；2）在保證控制精度的前提下將每維語言變量的論域縮小。3、技術(shù)途徑技術(shù)途徑項目提出的PID參數(shù)的整定方法，需同時滿足“低系統(tǒng)開銷”和“高控制精度”要求?，F(xiàn)有的PID參數(shù)整定方法主要包括專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及經(jīng)模糊控制而得到的數(shù)據(jù)，模糊控制精度優(yōu)于經(jīng)驗數(shù)據(jù)手段。項目提出的近似三維模糊控制模型(圖3)在傳統(tǒng)二維模糊控制模型基礎(chǔ)上增加對第三維模糊語言變量的近似考慮，達到“低系統(tǒng)開銷”和“高控制精度”目標。二維二維模糊控制器EECOUT圖1三維三維模糊控制器EECECCOUT圖2三維三維模糊控制器PID控制器EECECCOUT△Kp圖3△Ti△Td（２）項目進展計劃和預期成果1、進展計劃：2025.09-2026.10

完成系統(tǒng)功能需求分析及初步設(shè)計2025.11-2026.12

完成系統(tǒng)詳細設(shè)計并進行模塊劃分2025.01-2026.02

邀請相關(guān)專家對系統(tǒng)模型進行初步驗證2025.02-2026.03

分別完成各個模塊編碼和調(diào)試工作2025.03-2026.04

整合各個模塊形成完整的系統(tǒng)體系2025.05-2026.06

對系統(tǒng)進行測試，做測試記錄202