PID控制與模糊控制分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u3577PID控制與模糊控制分析綜述 146841.1PID控制 292071.1.1模擬PID控制 2254331.1.2數(shù)字PID控制 230451.1.3PID控制器的參數(shù)整定方法 3137851.1.4大純滯后過程的控制 515711.2模糊控制 6163941.2.1模糊控制基本思想 6229221.2.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 6197811.2.3模糊控制器的設(shè)計(jì) 7269081.2.4溫度模糊控制器的設(shè)計(jì) 752221.3模糊PID控制 8302071.1.1模糊PID控制器結(jié)構(gòu) 8140381.1.2模糊控制器的設(shè)計(jì) 9246101.1.3模糊推理及模糊決策 91.1PID控制PID控制器在工業(yè)控制過程中應(yīng)用廣泛。但是，由于工業(yè)控制過程中比較復(fù)雜、時變性和時滯性，很難得到精確的數(shù)學(xué)模型。通常用一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來使高階對象降階。根據(jù)它的算法比較簡單，魯棒性能好，比較可靠，應(yīng)用性廣，使用方便。所以我們通常選用該算法建立控制系統(tǒng)的模型。但是，現(xiàn)實(shí)中很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，建立的數(shù)學(xué)模型也無法達(dá)到其應(yīng)有的效果。1.1.1模擬PID控制模擬控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示，室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)由模擬控制器和被控對象組成。圖3-1模擬控制系統(tǒng)原理圖控制器的偏差e(t):e(t)=r(t)-c(t)當(dāng)我們對被控對象進(jìn)行控制時，得出公式如下：u傳遞函數(shù)為：G其中Kp比例系數(shù)，Ti1.1.2數(shù)字PID控制當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制算法時，我們選用的輸入和輸出信號都是離散信號。首先，將PID控制被控對象的連續(xù)形式應(yīng)改為離散形式，我們得到其相應(yīng)的離散形式如下：u或者：u根據(jù)Z變換性質(zhì)：ZZ上式變換為：U于是，從上式可以可得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為：G數(shù)字PID控制器的控制框圖為圖3-2:圖3-2數(shù)字PID控制器控制框圖1.1.3PID控制器的參數(shù)整定方法在使用PID控制器對被控對象進(jìn)行控制時，我們需要對系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行整定，一般進(jìn)行整定的方法有試湊法和擴(kuò)充臨街比例度法，這兩種方法都是非常重要且實(shí)用的方法。（1）湊試法這種方法也叫經(jīng)驗(yàn)法，它是按照從小到大的順序?qū)?shù)進(jìn)行整定。（2）擴(kuò)充臨界比例度法這種方法首先將調(diào)節(jié)器在純比例的控制下，然后由小到大調(diào)節(jié)比例值。兩個相鄰峰之間的時間間隔稱為臨界振蕩周期Tu。如圖3-3所示，Ku，圖3-3臨界振蕩響應(yīng)表3-1擴(kuò)充臨界比例度法參數(shù)整定公式KpTiTd比例0.5Ku比例積分0.45Ku0.85Tu比例積分微分0.6Ku0.5Tu0.125Tu（3）過渡過程響應(yīng)法Cohen和coon提出的C-C方法，這種算法把被控對象看做成一階純滯后慣性環(huán)節(jié)。G根據(jù)開環(huán)的研究，可以通過測量系統(tǒng)的單位響應(yīng)曲線來確定延時時間τ和時間常數(shù)T，所以PID參數(shù)通過如下公式來整定：對于比例控制:K對于比例積分控制:KTi=(對于比例積分微分控制:KTi=(T1.1.4大純滯后過程的控制純滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響不依賴于τ的絕對值與案例領(lǐng)域中的常數(shù)(τ/T)之比，通常當(dāng)τ/T>0.5時，可以看作成一個大的純滯后過程。Smith預(yù)測補(bǔ)償控制的思想是引入適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以讓閉環(huán)傳遞函數(shù)的墳?zāi)共缓儨蟓h(huán)節(jié)。圖3-4引入補(bǔ)償環(huán)節(jié)的框圖由圖3-4可以看出加入一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到的傳遞函數(shù)為:G令閉環(huán)特征方程為：1+G由上兩式得：1+G圖3-5Smith預(yù)估補(bǔ)償控制由圖3-5可知，原來值與設(shè)定值R(s)進(jìn)行相應(yīng)對比得出測量值是控制作用u利用G0se?τs后的輸出，相當(dāng)與有e?τs的純滯后。通過對Gk(s)反饋補(bǔ)償后，Gk(s)1.2模糊控制1.2.1模糊控制基本思想模糊控制是將模塊化數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，將精確量擴(kuò)散到“自然語言”的擴(kuò)散量中，再由美國的混淆推理規(guī)則根據(jù)人類的思維方式來計(jì)算這些混淆量。我們?nèi)四X經(jīng)過思維推理把混亂的事物轉(zhuǎn)化成精確量，進(jìn)行全過程的人工控制。1.2.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)基本的模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-6模糊控制器基本結(jié)構(gòu)由圖可以得知，模糊控制器主要由模糊化、知識庫、模糊推理、清晰化四部分組成。1.2.3模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，模糊控制器的好壞可以直接影響到系統(tǒng)的性能。所以，設(shè)計(jì)一種高效的模糊控制器具有十分重要的意義。以下為設(shè)計(jì)控制器的具體步驟步驟：1.選擇合適的控制器結(jié)構(gòu)模糊控制器的結(jié)構(gòu)是非常重要的，它的輸入輸出直接影響整個控制系統(tǒng)的性能?？刂破鞯妮斎胱兞繛檎`差或誤差變化率，輸出變量為被控對象的一些變化的變量，輸入變量越多，控制器的控制效果越好。選取模糊控制規(guī)則選定描述控制器輸入和輸出變量的語義詞匯選用的輸入輸出變量越多，控制效果越好，通常情況下，我們會把選擇7到9個模糊狀態(tài)。規(guī)定模糊集對應(yīng)系統(tǒng)誤差可分為下列7個模糊狀態(tài)：PL，PM，PS，ZE，NS，NM，NL。對應(yīng)于系統(tǒng)的誤差變化率EC的語言變量，可分為7個模糊狀態(tài)：PL，PM，PS，ZE，NS，NM，NL。（3）確定模糊化的解模糊策略在我們進(jìn)行模糊化操作時，需要得到一個明確的量，一般我們會采用最大隸屬度法、中位數(shù)法和重心法。1.2.4溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)如圖3-7所示，輸入量為誤差E和誤差變化率EC。圖3-7溫度模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖模糊子集如下:E={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；EC={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；U={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；選取各輸入量與輸出量的論域?yàn)?輸入變量的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6}；輸入變量的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6}；輸出變量的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。我們現(xiàn)在使用的模糊規(guī)則是人們經(jīng)過長期的經(jīng)驗(yàn)積累起來的。它是研究被控對象的重要工具，如果我們選用數(shù)字模型時，根據(jù)上文設(shè)定的模糊規(guī)則表如表3-2所示。表3-2模糊規(guī)則UENLNMNSZEPSPMPLECNLNLNLNLNLNMNSZENMNLNLNLNMNSZEPSNSNLNLNMNSZEPSPMZENLNMNSZEPSPMPLPSNMNSZEPSPMPLPLPMNSZEPSPMPLPLPLPLZEPSPMPLPLPLPL1.3模糊PID控制模糊PID控制是模糊控制和PID控制相結(jié)合的一種控制方法，我們通常采用這種方法設(shè)計(jì)模糊控制和PID控制中的一些不足之處，取二者之長，補(bǔ)二者之短。模糊PID控制的優(yōu)點(diǎn)是不需要控制被控對象的數(shù)學(xué)模型，只需要人們通過控制規(guī)則設(shè)計(jì)控制決策表，然后用模糊PID指令對被控對象進(jìn)行控制，并采用模糊推理方法在線調(diào)整PID參數(shù)，不僅方便簡單而且控制精度高，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。1.1.1模糊PID控制器結(jié)構(gòu)模糊PID控制器原理框圖如圖3-8所示。圖3-8模糊PID控制器原理框圖1.1.2模糊控制器的設(shè)計(jì)對PID參數(shù)進(jìn)行模糊整定，其關(guān)鍵在于比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)與偏差和偏差變化率之間的關(guān)系，以偏差和偏差變化率作為輸入變量，那三個系數(shù)作為被控的輸出變量，通過得到的諸多組偏差和偏差變化率來對輸出變量，即比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)進(jìn)行一次次的修改整定，這樣可以讓系統(tǒng)有更好的動態(tài)特性和靜態(tài)性能。模糊子集?。簕NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL}，論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，對于各模糊子集我們采用三角形隸