基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計

1、中國計量學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于matlab的自適應(yīng)模糊pid控制器設(shè)計design of self-adapting fuzzy pid controller based on matlab學生姓名 張津民 學號 0730332338 學生專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班級 測控074班二級學院 計量測試工程學院 指導(dǎo)教師 章皓 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于matlab的自適應(yīng)模糊pid控制器的設(shè)計design of self-adapting fuzzy pid controller based on matlab作 者 學號 0730332338 申請學位 工學學士 指導(dǎo)教師 學科專業(yè) 測控技

2、術(shù)與儀器 培養(yǎng)單位 答辯委員會主席 評 閱 人 2011年 6月 致 謝本論文得到了我的導(dǎo)師章皓老師的悉心指導(dǎo)。在本論文的研究和寫作中，章皓老師始終給予了我無微不至的關(guān)懷和全面的指導(dǎo)。特別是在培養(yǎng)我嚴謹?shù)难芯孔黠L方面灑下了許多辛勤的汗水。章老師嚴謹?shù)闹螌W、敏銳的思維、淵博的學識和極強的動手能力給我留下了深刻的印象。在完成畢業(yè)設(shè)計這段時間里，她給我提供了良好的學習知識的機會和實踐的機會,在畢業(yè)設(shè)計中,嚴格的要求我們,在理論和操作上對我的幫助,對我論文的完成，給予了莫大的幫助。對我的諄諄教誨和言傳身教使我受益無窮。導(dǎo)師淵博的知識、誨人不倦的師德、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風和對科學知識執(zhí)著的

3、追求與探索精神深深的影響著我，不僅在學術(shù)上給我以動力和指導(dǎo)，而且從生活上，思想上激勵和教育我。在此向我的導(dǎo)師致以最誠摯的謝意。另外，我要感謝實驗室的孫斌老師和同學們在我畢業(yè)設(shè)計中所給予的幫助。感謝所有在大學學習生活中給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W們，也感謝大學四年中家人對我的各方面的照顧和支持。在他們默默的支持和關(guān)心下，才使我得以最終順利地完成學業(yè)。 張津民 2011年6月4日 自適應(yīng)模糊pid控制器的設(shè)計摘要：常規(guī)的pid控制雖然原理簡單，容易實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無誤差。但對于大多數(shù)工業(yè)過程中存在的非線性、參數(shù)時變性、模糊不確定性等問題，難以實現(xiàn)精確控制。本文提出了一種自適應(yīng)模糊pid控制器及其設(shè)計方法，仿真

4、結(jié)果表明，該pid控制器相對于常規(guī)pid控制器具有更好的控制效果。魯棒性大為提高。關(guān)鍵詞：模糊控制 自適應(yīng) pid 時滯 魯棒性中圖分類號：tu857design of self-adapting fuzzy pid controller based on matlababstract: conventional pid control theory is simple and easily realized，and produced without error steady. but for most industrial processes, problems such as nonlin

5、ear, parameters timely and fuzzy uncertainty, which make it is difficult to achieve precise control. the article put forward a design of self-adapting fuzzy pid controller. simulation results show that compared with the conventional pid controller it has a better control performance. greatly improve

6、 the robustness.keywords: fuzzy control；self-adapting；pid; industrial process; time-delay; robustness.classification: tu857目 次摘要.iabstract. ii 目次.iii1 緒論11.1 課題的背景和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 課題主要研究內(nèi)容12 matlab概述22.1 matlab的發(fā)展22.2 自適應(yīng)pid控制技術(shù)發(fā)展趨勢22.3 matlab的特點和工作方式32.4 simulink簡介32.5 模糊控制介紹42.6 模糊控制及整定功能實現(xiàn)52.7

7、 模糊自整定pid控制器63自適應(yīng)模糊pid控制器的設(shè)計83.1對象描述73.2采用的控制器73.3自適應(yīng)模糊pid控制器的框圖83.4kikpkd模糊規(guī)則表83.5常規(guī)pid控制器的設(shè)計103.6隸屬度函數(shù)圖114 進行仿真124.1仿真圖比較135模糊自適應(yīng)pid控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用135.1建立被控對象的仿真模型135.2設(shè)計155.2.1 pid控制器的控制規(guī)律155.2.2 模糊自適應(yīng)pid控制器結(jié)構(gòu)155.2.3 隸屬函數(shù)和控制規(guī)則的建立155.3 仿真及結(jié)果分析166 結(jié)論.18參考文獻.19個人簡介.20論文數(shù)據(jù)集.21 1 緒論1.1 課題的背景和意義當前絕大多數(shù)的生產(chǎn)過程

8、的自動控制系統(tǒng)裝置, 不論是氣動的、電動的、液動的, 它們具有的控制規(guī)律都是比例、積分和微分規(guī)律(即pid控制規(guī)律) 。pid 控制器原理簡單, 使用方便, 適應(yīng)力強, 具有很強的魯棒性, 即其控制品質(zhì)對受控對象特性變化不敏感, 所以無需頻繁的改變控制器的參數(shù)。在實際工業(yè)控制過程中經(jīng)常會碰到大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。其中, 有的參數(shù)未知或緩慢變化; 有的存在滯后和隨機干擾; 有的無法獲得精確的數(shù)學模型。傳統(tǒng)pid控制方法一般適用于小滯后的過程, 按一定的控制性能要求, 整定出一組固定的p、i、d 調(diào)節(jié)參數(shù), 這樣的控制往往是動態(tài)和靜態(tài)性能的一種折中, 不能很好的解決動態(tài)和靜態(tài)性能之間矛盾

9、及跟蹤設(shè)定值與抑制擾動之間的矛盾, 系統(tǒng)控制效能不能達到最佳效果。如果能夠設(shè)計一種具有自適應(yīng)功能的控制系統(tǒng)，就可以很好的解決這些問題。 研究模糊控制理論的意義就在于，它能對非線性系統(tǒng)及無法建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)進行良好的控制，雖然在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中，模糊規(guī)則的確認，多變量模糊控制的處理是非常繁瑣的，這些問題解決的好壞也直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)。但相比于模糊控制理論在各個方面的貢獻來說，就顯得微不足道了。特別是在諸如電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計，溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面，都有上佳表現(xiàn)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀pid調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)控制中最常見的控制器。pid控制中一個關(guān)鍵的問題便是pid對參數(shù)的整

10、定，使pid控制系統(tǒng)達到所期望的控制性能。但是在實際的應(yīng)用中，許多被控過程機理復(fù)雜，具有高度非線性，時變不確定性和純滯后等特點，特別是在噪聲，負載擾動等因素的影響下，過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會隨時間和工作環(huán)境的變化而變化。des-borough和miller在2002年的一次統(tǒng)計報告中指出，目前在美國有超過11600個具有pid控制器結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中，有超過97%的反饋回路采用了pid控制算法，甚至在一些復(fù)雜的控制率中，其基本控制層采用的仍然是pid控制算法。然而，只有近1/3的pid控制器在實際應(yīng)用過程中取得了令人滿意的控制效果，有2/3的pid控制系統(tǒng)的控制性能達不到用戶

11、所期望的要求。這給控制理論研究和應(yīng)用帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。在理論研究，特別在應(yīng)用方面，國內(nèi)與國外差距明顯。國外如日本，歐美等國家不但在理論研究方面走在前列，而且已經(jīng)有成功應(yīng)用的產(chǎn)品，yokogawa電氣和fuji電氣的溫度控制器，它們把模糊邏輯與標準的pid控制集成在一起來抑制超調(diào)，取得了成功。而國內(nèi)重復(fù)研究的多，創(chuàng)造性研究的少；停留在仿真成果的多，能夠在工程上應(yīng)用的少，尤其是運行時間較長的智能pid控制器可以說微乎其微。這一狀況需要廣大理論工作者和工程技術(shù)人員共同努力，盡快轉(zhuǎn)變這一局面1.3 課題主要研究內(nèi)容本課題選用了matlab的simulink功能進行仿真。模糊控制對數(shù)學模型的依

12、賴性弱，不需要建立過程的精確數(shù)學模型。因此，本文研究的模糊自整定參數(shù)pid控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現(xiàn)pid參數(shù)kp、ki和kd的在線自整定，不僅保持了常規(guī)pid控制系統(tǒng)的原理簡單、使用方便、魯棒性較強等特點，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性、精確性等特性，是目前較為先進的一種方法。本文結(jié)合具體實例，給出了一種自適應(yīng)模糊pid控制器的設(shè)計過程，并應(yīng)用simulink進行了仿真研究。2 matlab概述2.1 matlab的發(fā)展70年代末到80年代初，時任美國新墨西哥大學的教授克里夫.莫勒爾為了讓學生更方便地使用linpack及ei

13、spack（需要通過fortran編程來實現(xiàn)，但當時學生們并無相關(guān)知識），獨立編寫了第一個版本的matlab。這個版本的matlab只能進行簡單的矩陣運算，例如矩陣轉(zhuǎn)置、計算行列式和本征值，此版本軟件分發(fā)出大約兩三百份。1984年，杰克.李特、克里夫.莫勒爾和斯蒂夫.班戈爾特合作成立了mathworks公司，正式把matlab推向市場。matlab最初是由莫勒爾用fortran編寫的，李特和班戈爾特花了大約一年半的時間用c重新編寫了matlab并增加了一些新功能，同時，李特還開發(fā)了第一個系統(tǒng)控制工具箱，其中一些代碼到現(xiàn)在仍然在使用。c語言版的面向ms-dos系統(tǒng)的matlab1.0在拉斯維加斯

14、舉行的ieee決策與控制會議（ieee conference on decision and control）正式推出，它的第一份訂單只售出了10份拷貝，而到了現(xiàn)在，根據(jù)mathworks自己的數(shù)據(jù)，目前世界上100多個國家的超過一百萬工程師和科學家在使用matlab和simulink。1992年，學生版matlab推出；1993年，microsoft windows版matlab面世；1995年，推出linux版。其后不斷更新完善。2.2自適應(yīng)pid控制技術(shù)發(fā)展趨勢1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器人工智能網(wǎng)絡(luò)ann，它設(shè)計生物，電子計算機，數(shù)學和物理等學科，有著非常廣泛的應(yīng)用背景，這門學科的發(fā)展對目

15、前和未來的科學技術(shù)的發(fā)展將有著重大的影響。2、遺傳算法pid控制器遺傳算法是基于自然選擇和基因遺傳學原理的搜索算法，達爾文主義的“適者生存”基本理論貫穿于整個算法。基本思想就是將待解決問題轉(zhuǎn)換成由個體組成的演化群體和對該群體進行操作的一組遺傳算子，包括4個基本操作：選擇，復(fù)制，交叉，變異。3、 智能pid控制器是一種具有簡單人工智能的pid控制器。近年來已成為研究重點。綜上所述，智能pid控制方法將智能控制與傳統(tǒng)pid控制結(jié)合起來，可以很好地控制復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，兼顧各種方法的優(yōu)點。隨著控制理論和計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和傳感器集成化程度的提高，智能pid控制必將是極有發(fā)展前途的研究和應(yīng)用方

16、向。72.3 matlab的特點和工作方式 matlab語音是一種交互性的數(shù)學腳本語言，其語法與c/c+類似。它支持包括邏輯（boolen）、數(shù)值（numeric）、文本（text）、函數(shù)柄（function handle）和異質(zhì)數(shù)據(jù)容器（heterogeneous container）在內(nèi)的15種數(shù)據(jù)類型，每一種類型都定義為矩陣或陣列的形式(0維至任意高維)執(zhí)行matlab代碼的最簡單方式是在matlab程序的命令窗口（command window）的提示符處（）輸入代碼，matlab會即時返回操作結(jié)果（如果有的話）。此時，matlab可以看作是一個交互式的數(shù)學終端，簡單來說，一個功能強大的

17、“計算器”。matlab代碼同樣可以保存在一個以.m為后綴名的文本文件中，然后在命令窗口或其他函數(shù)中直接調(diào)用。2.4 simulink簡介 1990年math works軟件公司為matlab提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具simulink。作為對matlab語言運算環(huán)境的擴展，在保持matlab的一般性能基礎(chǔ)上，simulink又增加了許多功能。它與matlab及其工具箱結(jié)合使用，可以完全對連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)的動態(tài)性能進行仿真與分析。simulink與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。simulink提供了8個子模型庫:c

18、ontinuous(持續(xù)環(huán)節(jié))、diserete(離散系統(tǒng))、funetion&tables(函數(shù)及圖表)、math(數(shù)學計算)、nonlinear(非線形環(huán)節(jié))、signals&system(信號及系統(tǒng))、sink(輸出方式)、sourcee(輸入源)。在以上每個子模型庫中還包含有相應(yīng)的功能模塊，如source子模塊中包含有sinewave(正弦波)、pulsegenerator(脈沖信號)、step(階躍信號)等，sink子模塊中包含有scope(示波器)、toworkspaee(傳送到工作空間)、xygraph(xy圖表)等。simulink提供了動態(tài)系統(tǒng)建模、分析和仿真的交互環(huán)境，能夠

19、實現(xiàn)交互建模、交互仿真，并允許用戶擴展仿真環(huán)境等功能。simulink的專用模型庫(b10cksets)提供了一些專用元件集，使得simulink的功能進一步擴展。simulink是matlab系統(tǒng)中的重要組成部分，是一個針對動力學系統(tǒng)的建模、仿真和分析的軟件包，可以與matlab無縫結(jié)合，夠調(diào)用matlab強大的函數(shù)庫。simulink具有非常高的開發(fā)性，將模型通過框圖形式表達出來，或?qū)⒁延械哪Ｐ吞砑咏M合，或?qū)⒂脩糇约簞?chuàng)建的模塊添加到模型中。simulink又具有較高的交互性，允許任意修改模塊參數(shù)，可以直接無縫的使用matlab所有的分析工具。可將仿真過程和結(jié)果可視化顯示。利用matlab對

20、仿真結(jié)果即時進行科學分析。2.5 模糊控制介紹常規(guī)pid控制原理簡單，容易實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無誤差，因此長期以來廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，并取得了良好的控制效果。即使在控制飛速發(fā)展的今天，使用最多的控制方式還是pid控制1,2。傳統(tǒng)的pid控制主要是控制具有確切模型的線性過程。實際上，大多數(shù)工業(yè)過程都不同程度地存在非線性、參數(shù)時變性和模糊不確定性問題，因而一般的pid控制無法實現(xiàn)對這樣一種過程的精確控制。模糊控制對數(shù)學模型的依賴性弱，不需要建立過程的精確數(shù)學模型。因此，本文研究的模糊自整定參數(shù)pid控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現(xiàn)pid參數(shù)

21、kp、ki和kd的在線自整定，不僅保持了常規(guī)pid控制系統(tǒng)的原理簡單、使用方便、魯棒性較強等特點，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性、精確性等特性，是目前較為先進的一種方法。3-5本文結(jié)合具體事例，給出了一種自適應(yīng)模糊pid控制器的設(shè)計過程，并應(yīng)用simulink進行了仿真研究。2.6 模糊控制及整定功能實現(xiàn)pid控制器參數(shù)整定的實質(zhì)上是通過調(diào)整比例系數(shù)k。、積分時間常數(shù)t 、微分時間常數(shù)rd，使控制器的特性與被控過程的特性相匹配，以滿足控制系統(tǒng)性能指標的要求。參數(shù)的整定是一件比較繁瑣的工作，人們希望最好能夠?qū)崿F(xiàn)pid參數(shù)的自動整定。自動整定的概念最初由著名的瑞典學者astroom等在20世紀80年

22、代初期提出，很快便得到廣泛的研究與應(yīng)用13。與模擬pid控制器不同，數(shù)字pid控制的參數(shù)整定，除了需要確定k、t外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期，因為數(shù)字pid的控制品質(zhì)不僅取決于對象的動態(tài)特性和pid參數(shù)，而且與采樣周期的t的大小有關(guān)。由于t主要于不同的被控對象有關(guān)，故在實際應(yīng)用中，人們一般根據(jù)經(jīng)驗，通過仿真和實驗確定最合適的采樣周期12。采用穩(wěn)定邊界法（又稱臨界比例度法）進行pid參數(shù)的整定，采樣周期取為1s.模糊控制器采用兩變量輸入(差值e與差分值e)單輸出(控制值“)的方式，以提高控制精度與速度。e、e、“的模糊域分別為e、e和u。原理示意圖如圖2.1所示輸出值ke模糊化模糊推理解模糊化k

23、ude/dtke圖2.1 模糊控制器原理示意圖 2.7 模糊自整定pid控制器傳統(tǒng)的pid控制器的參數(shù)選擇很大程度上依賴于操作人員的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗不易精確描述，控制過程中各種信號量以及評價指標不易定量表示，模糊推理是解決這一問題的有效途徑 13。運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集合表示，并把這些模糊控制規(guī)則作為知識存人計算機的知識庫中，然后根據(jù)計算機控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對pid參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自整定pid控制。其數(shù)學表達如下：u(k)=kpe(k)+kie(k)+ kdec(k) kp= kp +e，ecp ki= ki +e，ec

24、i kd=kd +eecd3 自適應(yīng)模糊pid控制器的設(shè)計3.1 對象描述以某具有時滯工程的控制對象為例，對象的數(shù)學描述為 （1）3.2 采用的控制器在本設(shè)計中使用的是一個兩輸入（e，ec）三輸出（kp，ki，kd）的模糊控制器，以誤差e和誤差變化ec作為模糊控制器的輸入，根據(jù)不同時刻的e和ec對pid參數(shù)進行自整定，結(jié)構(gòu)框圖如圖1，其中kp，ki，kd分別是模糊控制器（fuzzy logic controller）的量化因子和比例因子。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 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)

25、的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但是產(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)速度越慢，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 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 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前，在系統(tǒng)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。將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec以及3個輸出k

26、p，ki，kd的變化范圍都定義為模糊集上的論域：（-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6），其模糊子集為e，ec，kp，kii，kd均服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布，則由此可得出各模糊子集的隸屬度。根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)的模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計pid參數(shù)的模糊矩陣表，在線修正pid參數(shù)，計算公式如下： （2）式中：kp、ki、kd為原先整定好的pid參數(shù)，而kp、ki、kd為模糊控制器的3個輸出，可根據(jù)被控對象的狀態(tài)自動調(diào)整pid3個控制參數(shù)的取值，在不同的e和ec下，被控過程對參數(shù)kp，ki，kd的自整定要求應(yīng)滿足以下規(guī)律：（1） 當|e較大時，

27、應(yīng)取較大kp和較小kd，使系統(tǒng)響應(yīng)加快，且使ki=0，避免過大超調(diào)。（2） 當|e中等時，應(yīng)取較小kp及適當?shù)膋i和kd，kd的取值對系統(tǒng)響應(yīng)影響較大。（3） 當|e較小時，應(yīng)取較大kp和ki，使系統(tǒng)響應(yīng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，kd的值要恰當，以避免在平衡點附近出現(xiàn)震蕩。 根據(jù)以上分析，針對kp、ki、kd 3個參數(shù)分別給出了整定的模糊控制表，如表（1）所示。kp、ki、kd的模糊規(guī)則表建立好后，在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對pid參數(shù)的在線自校正。3.3 自適應(yīng)模糊pid控制器結(jié)構(gòu)框圖圖（1） 自適應(yīng)模糊pid控制結(jié)構(gòu)圖 3.4 ki、kp、kd模糊規(guī)則

28、表 ec kp e nb nm ns zo ps pm pb nb pb pb pm pm ps zo zo nm pb pb pm ps ps zo ns ns pm pm pm ps zo ns ns zo pm pm ps zo ns nm nm ps ps ps zo ns ns nm nm pm ps zo ns nm nm nm nb pb zo zo nm nm nm nb nb nm pb pb pm ps ps zo ns 表1 kp的模糊規(guī)則表ec kp e nb nm ns zo ps pm pb nb nb nb pm nm ns zo zo nm nb nb pm n

29、s ns zo zo ns nb nm pm ns zo ps ps zo nm nm ps zo ps pm pm ps nm ns zo ps ps pm pb pm zo zo ns ps pm pb pb pb zo zo nm pm pm pb pb nb nb nb pm nm ns zo zo 表 2 ki 的模糊規(guī)則表ec kp e nb nm ns zo ps pm pb nb ps ns nb nb nb nm ps nm ps ns nb nm nm ns zo ns zo ns nm nm ns ns zo zo zo ns ns ns ns ns zo ps zo z

30、o zo zo zo zo zo pm pb ps ps ps ps ps pb pb pb pm pm pm ps ps pb nb ps ns nb nb nb nm ps 表 3 kd的模糊規(guī)則表3.5 常規(guī)pid控制器的設(shè)計 先采用常規(guī)pid控制方法來控制被控對象，通過試湊法整定出一套合適的pid參數(shù)，其中輸入信號為單位階躍信號，比例增益kp=1.8，積分系數(shù)ki=0.5，微分系數(shù)kd=0.42，得到的仿真曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線很好，超調(diào)量小，上升時間短，響應(yīng)速度快，且無穩(wěn)態(tài)誤差，說明所整定的pid參數(shù)符合被控要求。 圖2 常規(guī)pid控制系統(tǒng)仿真曲線3.6

31、 自適應(yīng)模糊pid控制器的設(shè)計 設(shè)計中使用的是一個兩輸入（e，ec），三輸出（kp、ki、kd）的模糊控制器，以誤差e和誤差變化率ec分別作為模糊控制器的輸入，根據(jù)不同時刻的e和ec對pid參數(shù)進行自整定。系統(tǒng)仿真設(shè)計框圖如圖3所示。圖3，自適應(yīng)模糊pid控制系統(tǒng)simulink仿真實現(xiàn)框圖 3.7 隸屬度函數(shù)圖圖4 隸屬度函數(shù)圖 4. 進行仿真根據(jù)公式（1）和公式（2）。其中kp=0.63，ki=0.05，kd=0.23；被控過程在滿足|e|規(guī)則的前提下，根據(jù)表（1）表（2）表（3），模糊控制表所示，模糊規(guī)則表建立好后，在在線運行過程中，計算機測控系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算

32、，對控制參數(shù)進行在線自動調(diào)整。利用matlab語音設(shè)計模糊控制器進行仿真研究。4.1 仿真圖表比較從仿真結(jié)果圖5 ，圖6可以看出，當系統(tǒng)加入模糊控制器后，模糊控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec對pid算法三個參數(shù)kp，ki，kd進行在線修正，所以得到的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線要比常規(guī)pid的好，其中超調(diào)小，響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)遇到干擾時能很快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，這說明在常規(guī)pid控制中引入模糊控制器確實能很好地適應(yīng)系統(tǒng)的突變要求。圖 5 自適應(yīng)模糊pid控制器仿真曲線圖 6 兩種pid控制曲線效果的對比5 模糊自適應(yīng)pid控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用5.1 建立被控對象的仿真模型整個空調(diào)房間是一個復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，

33、要想精確的建立其數(shù)學模型幾乎是不可能的，為了簡化計算和分析，空調(diào)房間的熱力學模型基于以下幾點假設(shè)：（1）把房間視為一個簡單的容器，不考慮內(nèi)部各部件的蓄熱；（2）不考慮房間內(nèi)外空氣的流動；（3）室內(nèi)每個地方溫度分布均勻且不考慮室溫的滯后。由能量守恒列出房間模型的數(shù)學表達式（3） （4）由參考文獻9可得： （5）圖5.1 空調(diào)房間模塊仿真圖 其中，ga送風量，kg/s；taout送風溫度，；dtn/dt溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；tn空調(diào)房間溫度，；q部件與外界交換的熱量，w；k傳熱系數(shù)，w/（.k）；a傳熱面積，；ca空氣比熱，j/(kg.)；空氣密度，kg/m3；v房間體積，m3；q室內(nèi)照明、設(shè)備、人體

34、散熱量，w。下標：0空調(diào)送風；1空調(diào)向室外排風；2室內(nèi)環(huán)境?；谒ǖ臄?shù)學模型，在simulink中建立空調(diào)房間的模塊仿真圖見圖 設(shè)計5.2.1 pid控制器的控制規(guī)律 （6）式中，u（t）為輸出；e（t）為誤差；ec（t）為誤差變化率；kp、ki、kd為比例、積分、微分系數(shù)。5.2.2 模糊自適應(yīng)pid控制器結(jié)構(gòu)模糊自適應(yīng)pid控制器主要由參數(shù)可調(diào)整的pid控制器和模糊推理器兩部分組成，模糊推理器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，以常規(guī)的pid控制器的三個參數(shù)kp、ki、kd作為輸出，利用模糊控制規(guī)則實現(xiàn)對這三個參數(shù)的調(diào)整，可以滿足不同時刻的e和ec對pid參數(shù)自整定的要求，而

35、使被控對象具有良好的能動、靜態(tài)性能。其基本結(jié)果圖如圖5.2所示。圖5.2 自適應(yīng)模糊pid控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2.3隸屬函數(shù)和控制規(guī)則的建立對于空調(diào)系統(tǒng)取室內(nèi)溫度的誤差e和誤差變化率ec為模糊控制器的輸入，令輸入變量e、ec和輸出變量kp、ki、kd均選三角函數(shù)隸屬函數(shù)曲線，領(lǐng)域為-3,3，其模糊子集為nb，nm,ns,zo,ps,pm,pb,子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，設(shè)它們都服從正態(tài)分布。在matlab中用fuzzy工具箱建立的輸入、輸出量的隸屬函數(shù)曲線如圖5.3所示。 圖5.3 隸屬函數(shù)曲線針對不同的e和ec，被控過程對參數(shù)kp、ki、kd的自整定要求應(yīng)滿足

36、一下規(guī)則10:(1) 當|e|較大時，應(yīng)取較大的kp和較小的kd，以使系統(tǒng)響應(yīng)加快；(2) 當|e|中等時，應(yīng)取較小的kp以及適當?shù)膋i和kd，以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)；(3) 當|e|較小時，應(yīng)取較大的kp和ki以及適當?shù)膋d，以避免在平衡點附近出現(xiàn)震蕩，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。由上面三條規(guī)律，得到kp、ki、kd的模糊規(guī)則表見表1.根據(jù)上述的隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則表，其模糊的自整定按式（7）計算。 （7）式中，kpo、kio、kdo為個參數(shù)的初始值；e，ecp、e，eci、e，ecd為模糊推理結(jié)果。5.3 仿真及結(jié)果分析利用matlab中的simulink和fuzzy工具箱組建的模糊自適

37、應(yīng)pid控制應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的整體仿真模塊圖如圖5.4所示。空調(diào)送風量由風閥的開度決定，風閥對溫度的傳遞函數(shù)設(shè)為： 圖 5.4 模糊自適應(yīng)pid控制仿真系統(tǒng)圖假設(shè)室外溫度為37，房間的初始溫度為34，取溫度設(shè)定值為24，在無干擾的情況下進行仿真，仿真時間設(shè)為600s，常規(guī)pid控制與模糊自適應(yīng)pid控制對空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖5所示。仿真結(jié)果表明，對于室溫控制系統(tǒng)來說，模糊自適應(yīng)pid控制比常規(guī)pid控制超調(diào)量小，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間短，幾乎無誤差，系統(tǒng)響應(yīng)的動態(tài)性能好，具有良好的魯棒性。 圖5.5 空調(diào)房間溫度的響應(yīng)曲線6. 結(jié)論文中以某一工業(yè)時滯系統(tǒng)數(shù)學模型為研究對象，設(shè)計了一種自適應(yīng)模糊p

38、id控制器。借助matlab中的模糊邏輯控制工具箱，在其simulink仿真環(huán)境下對其進行仿真。由以上仿真結(jié)果可知，這種自適應(yīng)模糊pid控制方法對控制系統(tǒng)適應(yīng)性強，魯棒性好，較之常規(guī)pid控制有更好的控制性能，具有較強的實際意義。空調(diào)系統(tǒng)控制對象具有多變量、非線性、大滯后、時變性的特點，如果采用常規(guī)的pid控制達不到滿意的效果，而采用模糊自適應(yīng)控制器來調(diào)節(jié)室溫，調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度都良好?？傊?，模糊自適應(yīng)pid控制應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，達到了很好的控制效果，具有超調(diào)量小、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，使空調(diào)達到最佳的工作狀態(tài)，而且可以實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。所以本文所提出的這種控制方法對空調(diào)系統(tǒng)自動控制的研究

39、和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意見。參考文獻1 王貴成，徐心和，姜長洪.一種優(yōu)化控制器參數(shù)的方法j.微計算機信息，2006,22(3)：5355.2 g.c.wang, m.zhang, x.h.xu, et al. optimization of controller parameters based on the improved genetic algorithmsc.proceeding of the 6th world congress on control and automation (wcica 2006),dalian,china,2006,12(5):3695-36983 王貴成，張

40、敏，常靜，等。發(fā)酵過程自學習模糊神經(jīng)元控制器的設(shè)計j.系統(tǒng)仿真學報，2007,19（6）：1269-1273.4 王貴成，姜長洪，袁德成。用cpn網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的自學習模糊控制器j.沈陽化工學院學報，2001，15（2）；121-128.5 黃燕，李晟平.一種新的規(guī)則在線自整定模糊控制算法j. 電氣自動化,2002,24（6）：13 - 15.6 王貴成，姜長洪，李凌.基于遺傳算法的調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化j.化工自動化及儀表，2000，27（增）：100-1047 楊平.智能pid控制方法的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望j.2008.10：60-658 金敏杰. 一種自適應(yīng)模糊pid發(fā)電機勵磁電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計,2008：

41、10 - 13.9 趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等?？諝庹{(diào)節(jié)m.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.10 馬曉虹.一種模糊自適應(yīng)pid控制器的設(shè)計j。大慶師范學院學報，2009，29（3）：37-3911 curtis d.johnson, process control instrumentation technology(sixth edition),m.12 f.g.shinskey，process control systemsapplication、design、and tuning（third edition）m，清華大學出版社. 13 于瑛，任慶昌，羅明忠，等?；谧赃m應(yīng)控制的變風量空調(diào)系統(tǒng)j.