PID控制模糊控制模糊PID控制器分析研究電氣工程專業(yè)

1、摘 要交流伺服電機現(xiàn)廣泛應用于機械結構的驅(qū)動部件和各種數(shù)控機床。PID控制是伺服系統(tǒng)中使用最多的控制模式之一。盡管傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)構造簡單、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，但交流伺服電機存在非線性的、強耦合。當參數(shù)變動或非線性因素的影響發(fā)生變化時，控制不能實時改動，不能滿足系統(tǒng)高性能、高精度的要求。結合模糊控制和傳統(tǒng)PID控制成一種新的控制方法-模糊PID控制是解決上述問題的一種很好的途徑。模糊控制器不需要被控對象的數(shù)學模型，而是根據(jù)之前人為設定的控制要求設計用來控制的決策算法，使用此方式確定控制量。模糊控制和傳統(tǒng)PID控制融合的結果，不單具有模糊控制的高性能，還具備傳統(tǒng)PID控制精準度高的長處。本文對PID控

2、制算法的原理和模糊控制算法作了簡要的描述和比較。指出模糊PID混合控制法，在誤差很大時使用模糊控制,在不大時使用PID控制,在MATLAB軟件中，對交流伺服系統(tǒng)的位置控制進行了仿真。結果表明，該控制系統(tǒng)仿真結果與理論上差距較小。關鍵詞：PID控制；模糊控制；模糊PID控制器；MATLAB第1章 緒論1.1 研究課題的任務本課題的任務是了解交流伺服系統(tǒng)，比較并結合兩種控制的優(yōu)點，結合成一種新的控制方式-模糊PID控制。該控制法在系統(tǒng)輸出差距大時采用模糊控制，而在差距較小時采用PID控制。文章最后給出了模糊PID位置控制的MATLAB響應圖，同時給出了常規(guī)PID控制下的效果圖，并比較分析。1.3

3、交流伺服系統(tǒng)工作原理相對單一的系統(tǒng)，其一般是根據(jù)位置檢測反饋組成閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。其組成框圖參考圖1-1內(nèi)容14。此類系統(tǒng)主要原理是對比輸入的目標位置信號和位置檢測設備測試的真實位置信號統(tǒng)計其偏差且使用功率變換器的輸入端弱化誤差?？刂屏勘恍盘栟D(zhuǎn)換和功率放大驅(qū)動，驅(qū)動伺服組織，促使誤差不斷縮減少，一直到最佳值。（1）位置檢測裝置 是此類系統(tǒng)的關鍵構成方面，完整系統(tǒng)的動態(tài)功能是否可以滿足需求，關鍵的是位置檢測傳感器的科學選擇以及精度。當前普遍使用的位置傳感器主要是接觸式，接近式，曲軸位置，節(jié)氣門位置等多種類型的傳感器。（2）在此類系統(tǒng)中，功率變換器是完成此類電機高性能調(diào)速的關鍵。此外，它應該具備較

4、穩(wěn)定的輸出功率和較高的調(diào)頻電壓精度，而且還需要在有溫差是穩(wěn)定運行的能力、較強的電磁抗干擾能力、系統(tǒng)異常保護的功能。（3）伺服電機是伺服系統(tǒng)的主要組成部分。伺服電機具有良好的低速特性是伺服電機具有高精度的關鍵。伺服系統(tǒng)的快速響應（急停，啟動）也指出此類電機需要具備更小的轉(zhuǎn)動慣量、較高加速轉(zhuǎn)矩（過載轉(zhuǎn)矩）、相對平穩(wěn)性等。當前被普遍使用的主要是感應式交流異步電動機等類型。（4）控制器 其一般包含微處理芯片，比如微處理器以及數(shù)字信號處理器（DSP）等部分。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能更加完善，具備方位、速度與電流反饋等功能。參考圖1-2可知。圖1-2 交流伺服系統(tǒng)的三閉環(huán)結構電流環(huán)和速度環(huán)全部是內(nèi)環(huán)。前者的

5、功能是：提升內(nèi)環(huán)控制主體的傳遞函數(shù)的精準性，促進系統(tǒng)的平穩(wěn)運作。避免電流環(huán)內(nèi)部的干擾；防止發(fā)生電路內(nèi)電流超出額定數(shù)值的問題，保證系統(tǒng)的安全運行。速度環(huán)的作用是減小負載擾動對系統(tǒng)的作用以及弱化電機轉(zhuǎn)速變化。位置環(huán)的功能是確保當前靜態(tài)與動態(tài)跟蹤功能，是交流伺服系統(tǒng)的平穩(wěn)性與功能齊全的關鍵基礎，是最主要的反饋環(huán)節(jié)。多回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器要從內(nèi)而外逐個設計。對于三環(huán)位置伺服系統(tǒng)，首先設計電流調(diào)節(jié)器，而后將電流環(huán)作為速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，在其他環(huán)節(jié)中生成速度調(diào)節(jié)器的被控對象，并設計速度調(diào)節(jié)器。最后，把所有速度環(huán)當做位置環(huán)中的重要部分來設定位置調(diào)節(jié)器。依次設計可確保所有環(huán)的平穩(wěn)性，這使得整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性都

6、能得到保障。位置伺服系統(tǒng)的控制量是電機的轉(zhuǎn)子的角位移。當目標要求位置任意變化時，系統(tǒng)關鍵工作是讓輸出量高效且精準的被傳達。位置伺服系統(tǒng)現(xiàn)實特點：1）此系統(tǒng)現(xiàn)實作用是讓目標高效的從起始位置到預期位置2）需要具備精準度高的位置傳感器，進而傳遞位移誤差的電信號。3）電壓與功率放大器、拖曳系統(tǒng)全部可逆。4）控制系統(tǒng)需要盡量達到穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)高效響應的標準。第2章 PID位置控制2.1 PID控制的特點在PID控制器內(nèi)，比例控制可以高效反映誤差，進而減低穩(wěn)態(tài)誤差。但是，此控制無法去除穩(wěn)態(tài)誤差。因此在參數(shù)調(diào)整中，增加比例放大系數(shù)會造成不穩(wěn)定問題。積分控制主要作用是，在系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，積分控制器接連累計，輸出

7、控制量，去除誤差。所以，只需要充足時間，積分控制就可以全面去除誤差，促使系統(tǒng)誤差變成零，進而去除穩(wěn)態(tài)誤差。然而積分功能強大，導致系統(tǒng)超調(diào)，乃至造成振蕩問題。差分控制可弱化超調(diào)問題，處理振蕩，提升綜合平穩(wěn)性，提升系統(tǒng)動態(tài)反映效率，減少調(diào)節(jié)時間，強化綜合動態(tài)功能。因此，當采用PID控制時，必須適當調(diào)整比例放大系數(shù)Kp、積分時間TI和差分時間TD，使整個控制系統(tǒng)獲得良好的性能。2.1.1 PID控制的優(yōu)點1.原理淺顯，應用便利2。適應性強，可普遍使用在化工、熱工、冶金、造紙、建材等相關組織。PID控制的自動調(diào)節(jié)器逐漸完成商業(yè)化目標。在當前執(zhí)行部分，也逐漸研發(fā)出機械、液壓、電子等發(fā)展階段，但它們從未與

8、PID分離。即使在最新的最先進的計算機中，它的基本控制功能仍然是PID控制15。三。它是魯棒的，也就是說，它的控制質(zhì)量對受控對象的變化不敏感。由于這些優(yōu)點，PID控制始終是過程控制的第一指導。大型現(xiàn)代生產(chǎn)裝置的控制回路可以大到1200個以上，其中大部分由PID控制。然而生產(chǎn)環(huán)節(jié)持續(xù)增多，控制問題頻繁出現(xiàn)，對精度的要求更加嚴苛。之前的PID控制無法全面滿足現(xiàn)實需求，換句話說，需要持續(xù)改善與優(yōu)化PID控制模式，進而滿足持續(xù)變化的現(xiàn)實需求。2.1.2 PID控制的局限性PID控制器的主要不足是其對受控主體的依賴性。主要以受控主體的精確數(shù)學模型為前提，在系統(tǒng)內(nèi)一般不會發(fā)生類似問題：大部分系統(tǒng)，尤其是工

9、業(yè)過程相對繁瑣，所以無法精準敘述上述PR的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。閉鎖。因為對控制器質(zhì)量的標準更加嚴苛，控制主體更加復雜。只使用一般PID控制器無法順利完成目標。2.2 位置環(huán)數(shù)字PID控制 首先，交流伺服系統(tǒng)要求具備高效跟蹤功能，也就是要求對輸入信號的高效響應，較少誤差，較短過渡時間，不存在過沖或者微弱振蕩。其次，穩(wěn)態(tài)精度高，也就是穩(wěn)態(tài)誤差不大，定位精準度高。但是，某些PID控制出現(xiàn)超調(diào)量大、調(diào)整時間長、控制效率不高等問題，因此參數(shù)選擇相對復雜。在一般數(shù)字PID控制系統(tǒng)內(nèi)，積分部分的主要目標是弱化靜態(tài)差，提升精度，然而在開始、完結或明顯增加、設定值下降的時候，系統(tǒng)輸出偏差很大。

10、其會造成積分積累，造成過沖乃至振蕩問題，是伺服系統(tǒng)。電動機運作運行不順利。為了弱化積分修正對電機運作時期控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，使用積分分離PID控制算法。在電動機真實位置與確定位置的誤差低于相應數(shù)值的時候，增加積分校正程序，進而減少綜合穩(wěn)態(tài)誤差16。2.2.1 積分分離PID控制算法此算法也要設定積分分離閾值E。使用仿真來明確上述閥值E。在ûe(k)û>E時，也就是偏差值很大的時候，使用PD控制，進而防止因積分累積造成太大的超調(diào)量，促使伺服系統(tǒng)高效響應；在ûe(k)ûE時，也就是偏差值相對小時，使用PID控制，進而減低系統(tǒng)誤差，確保此類電

11、機的位置控制精準性。位置式PID算式寫成積分分離方式是:(2-1)其中: u(k) 控制量；e(k) 誤差值；K -采樣序列號，K0， 1, 2, ；T 采樣周期；K p比例系數(shù)；T i 積分時間常數(shù)；T d微分時間常數(shù)；積分項的開關系數(shù)2.2.2 積分分離PID控制算法流程依照(2-1)式可編寫出具體的控制程序，算法流程圖參考圖2-1。2.3 控制系統(tǒng)參數(shù)的整定PID參數(shù)的初值根據(jù)預整定得出，參數(shù)整定的現(xiàn)實工作是明確KP、TI、TD與采樣周期T。在比值系數(shù)Kp變大時，系統(tǒng)操作敏銳，效率高，而總成造成振蕩，調(diào)節(jié)時間久，積分時間常數(shù)Ti高，綜合穩(wěn)態(tài)誤差可去除，然而平穩(wěn)性好。差分控制可優(yōu)化動態(tài)特性

12、，避免過沖，減少調(diào)整時間。普遍使用的參數(shù)整定方式主要是擴展臨界比例法、擴展響應曲線法以及歸一化參數(shù)整定法。上述方式是從Ziegler Nichols（Ziegler Nichols）17規(guī)則延伸出來。通常指出，交流伺服系統(tǒng)模型是具備延遲部分的一階模型（滯后的第一步）：(2-2)其中, K、L 與Tc 主要是被控主體的放大系數(shù)、純延遲時間與常數(shù)。利用MATLAB中的Simulink仿真系統(tǒng)，開展階躍輸入激勵, 得出響應曲線參考圖2-2,之后依照曲線得出其特征參數(shù)。所以，其能利用Ziegler Nichols設置規(guī)則獲得。Kp= 1.2Tc/KL, Ti= 2L , Td= 0.5L 。圖2-1

13、PID控制流程圖圖2-2 階躍響應曲線第3章 模糊控制理論基礎3.1 概述美國加利福尼亞學校L.A.Zadah專家在1965年撰寫Fuzzy Set18開啟模糊數(shù)學發(fā)展歷史，此后，模糊數(shù)學開始得到關注。此類數(shù)學用在控制部分的最早時間是1973年，此后模糊控制被普遍重視，大量分析匯聚在：模糊邏輯：模糊控制器設計；模糊邏輯硬件設計；應用研究等部分。模糊控制是使用語言來誘導算子的控制方式，且使用語言變量與模糊集理論產(chǎn)生控制算法。突出特征是繞過物體的不明確性、不精準性、噪聲、非線性、時間變化與延遲。其具備強大的魯棒性，可以被使用在非線性、時變與時滯系統(tǒng)的控制中。此類邏輯控制設計便利，便于認知，即便是非

14、專業(yè)人員也能輕松設計，所以具備較好的商用性與可行性。之前的自動控制不能處置大眾語言內(nèi)的模糊性，其中模糊集合與邏輯的出現(xiàn)可以妥善處理描述控制規(guī)則的條件語句內(nèi)比如“較大”、“稍小”、“過高”等具備相應模糊性的詞匯，使用模糊集合來敘述上述語句，就可以組成模糊控制器。1974年Mamdani19第一次設計出模糊控制器，且將其使用在鍋爐與蒸汽機上，得到良好的成就，模糊控制隨之出現(xiàn)。模糊控制和經(jīng)典控制的主要差異就是其不需要創(chuàng)建被控主體（或過程）的精準數(shù)學模型，主要依靠個人的知識積累，通過個人思維與邏輯推理方式來“直接”開展控制。通常PID控制在原理與方式上并不相同。模糊邏輯主要使用模糊邏輯與近似推理來對大

15、眾知識與經(jīng)驗開展形式化與建模。其變成計算機可認可的控制模型，促使計算機可以取代大眾開展高效的全面控制。3.2 模糊控制器的基本結構與組成模糊控制主要原理通過圖3-1呈現(xiàn)出來，其主要方面是模糊控制器。此控制器的控制律被計算機程序完成。其中主要理論是利用微機中斷采樣來得到受控量的輸入量。把偏差信號E的精準量模糊化成模糊量，使用對應的模糊語言代表偏差e的模糊量，得出偏差e的模糊語言集的子集。之后依照模糊推理的整體規(guī)則，使用模糊集與控制規(guī)則開展決策。u=e*R (3-1)其中，u是模糊量。為了對受控整體進行精準的控制，也需要把模糊量U轉(zhuǎn)變成精準量。此環(huán)節(jié)在圖內(nèi)變成清晰化或解模糊。在得到精準的數(shù)字控制量

16、之后，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換把模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換傳送給執(zhí)行部門，且持續(xù)控制受控整體。之后，中斷等待第二次采樣且開展后續(xù)的控制，進而完成對被控主體的模糊控制。圖3-1 模糊控制原理3.2.1 模糊化模糊控制器是根據(jù)大眾內(nèi)心的模糊控制。有必要將從輸入通道采樣的精確量轉(zhuǎn)化為模糊推理所需的模糊量。例如，系統(tǒng)水溫的誤差信號的范圍及其設定值可以是-12C+ 12 C，即-12, 12 ，并且每個輸入信號具有對應的域，并且信號大小的模糊子集被定義在域中。例如，水溫誤差的范圍可以定義為-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1，2, 3, 4，5，全部是11個離散點。在不同采樣時間，模糊接口把輸入信號的物理值轉(zhuǎn)變成對照域上的

17、點。比如，水溫誤差是7.2 C，對照于點+ 3（20）內(nèi)的散射場。3.2.2 知識庫知識庫包包含使用領域知識，一般包含數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫。前者供應全部定義。全部和輸入、輸出變量相對照的域，和在域定義的規(guī)則庫內(nèi)采用的全部模糊子集的定義都被存放在其中。在模糊控制器的推理時期，數(shù)據(jù)庫是推理機準備相應的信息。在模糊接口時，數(shù)據(jù)庫為對應字段準備相應的信息。規(guī)則庫存儲模糊控制規(guī)則。此類規(guī)則是根據(jù)人工操作職員的控制經(jīng)驗與相關學者積累的知識。其是控制受控主體的知識模型。此類精度影響最終控制器的功能。3.2.3 模糊推理從時間輸入與模糊控制規(guī)則推測出模糊推理方式，且引導出模糊控制器的輸出。模糊控制器的模糊推理制度的

18、設定一般使用模糊推理算法。在此類控制器利用查找表懲罰完成時，可離線設定查詢表。在模糊控制器由軟機械推理懲罰完成時，可設計模糊控制器。可在線開展相應推理。在使用此控制器組成硬件控制器時，其效率高，精準度高，肯定比軟件效果更好。3.2.4 解模糊化和模糊化不同，去模糊化將模糊控制器輸出量轉(zhuǎn)變成精確量。在我們使用模糊控制算法時，根據(jù)模糊推理得出的模糊控制函數(shù)需要轉(zhuǎn)變成執(zhí)行器官所能接受的精確數(shù)量。DE-Fuzzy接口有兩個主要功能：一個是范圍變換，另一個是模糊度求解。輸出字段被轉(zhuǎn)換為輸出物理2的范圍，并且在解決方案的輸出域中的點被轉(zhuǎn)換為在操作時輸出物理量的值。最常用的歧義消解策略包括最大隸屬度法、中值

19、法和重心法21。第4章 模糊PID控制器的設計4.1 模糊PID控制器原理模糊控制具備抑制超調(diào)成果顯著、魯棒性強等優(yōu)點，在系統(tǒng)存在非線性因素時表現(xiàn)依舊搶眼。然而，模糊控制器在系統(tǒng)處于穩(wěn)定時減小誤差的效果不理想，這使得其不能出現(xiàn)在精度要求高的場合。此情況在離散的有限域設計中尤為突出。如果模糊控制器只有控制量偏差的偏差和變化率兩個輸入，那么它可以看作是一個參數(shù)可變PD控制。PD控制沒有積分作用，這使得系統(tǒng)在處于穩(wěn)定時沒有積分環(huán)節(jié)減小誤差。但PID控制在不能確定系統(tǒng)的數(shù)學模型時，不能保證良好的動態(tài)性能，但PID控制的積分環(huán)節(jié)可以消除靜態(tài)差，提高系統(tǒng)在穩(wěn)定時性能。因為此類伺服系統(tǒng)屬于非線性強耦合控制系

20、統(tǒng)，假如把模糊與傳統(tǒng)PID控制捆混合起來，之后將誤差大小為基礎，誤差小采用模糊控制，誤差大用PID控制。這樣，不僅避免了PID控制系統(tǒng)信號處理簡單，副作用多等缺點，同時也避免了模糊控制消除穩(wěn)態(tài)誤差慢的缺點，而且結合了兩種控制各自的優(yōu)點。模糊PID控制伺服系統(tǒng)參考圖4-1可知。為了讓提高響應效率，在PID整定效果不好的時候使用模糊控制，在系統(tǒng)誤差在PID控制范圍內(nèi)使用此類控制方式。上述控制器的優(yōu)勢是在偏差很大時使用模糊控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制量U，并在偏差變小到一定程度用PID控制，這就要求預先給出用于兩者模式轉(zhuǎn)換的設定值，是系統(tǒng)能自行切換。4.2 模糊PID控制器的設計4.2.1 語言變量的模糊化輸

21、入和輸出變量的模糊語言的描述，設置輸入變量E和EC的模糊子集和輸出U的模糊子集：E的子集是負，負，負，負，正，正，并且簡單地記錄為NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，Pb。EC 和U 的子集均為NB，NM ,NS，ZO，PS，PM，PB，E和EC的論域均為-6，- 5，-4，-3，-2，-1, 0, 1，2, 3, 4，5, 3，并且論證的字段是：，-，-，-，-，-，-，-，-，-，-，-，-，-，-E模糊集選擇8個元素，區(qū)分NO和PO，主要是為了提高穩(wěn)態(tài)精度。在操作時期執(zhí)行人員會遭遇的現(xiàn)實情況與對照的控制策略匯總成表4-1。第一，在誤差是負時，假如誤差變動時負，那么誤差出現(xiàn)變大走勢，

22、也就是盡早去除負大誤差，降低誤差，所以控制量變動為正。在誤差是負且誤差變化為正時，系統(tǒng)原本就存在縮減誤差的走勢，所以需要使用小的控制進而去除誤差而不超調(diào)。參考表4-1可知，在誤差是負此外誤差變化是正時，將控制變化當做核心。假如誤差被改變成正中心或大中心，那么控制體積不能提高，不然過沖會造成正誤差，所以控制體積變是0水平。在誤差是負中時，需要盡早去除控制誤差?？刂屏康母淖兒驼`差是負大時的變動理論上相同。在系統(tǒng)誤差是負時，開始更加平穩(wěn)。假如上述誤差變化為負，那么挑選控制量的變動當做中值，進而限制負方向上誤差變動。假如誤差變化為正，此時系統(tǒng)逐漸去除誤差，這個時候挑選控制量的變化則是正值。挑選控制量變

23、動的標準是，在偏差大或小時，在挑選時需要挑選快速去除誤差；在偏差小時，需要將系統(tǒng)平穩(wěn)性當做重點。在明確誤差是正或是負之后，此時也需要轉(zhuǎn)變正負號?？刂埔髤⒖急?-1。4.2.2 模糊控制規(guī)則表本質(zhì)上，模糊控制規(guī)則取自操作員多年實際操作的經(jīng)驗經(jīng)過設計者分析總結并經(jīng)處理過的計算機認可的程序語句。此類規(guī)則的編撰主要是把控制器的輸出能讓系統(tǒng)輸出響應與靜態(tài)特性達到最佳當做基礎。在MATLAB命令窗口中，輸入fuzzy進入模糊控制器的設計界面，創(chuàng)建FIS文件，挑選模糊控制器當做Mamdani類型，且依照以上研究輸入隸屬函數(shù)與E、EC、U的量化區(qū)間，具體規(guī)則:去模糊化使用重心法（FieldCenter）建設

24、FIS文件，在rule處填寫以上控制規(guī)則，進而得出模糊控制器算法。具體規(guī)則參考表4-1內(nèi)容。4.2.3 確定隸屬度函數(shù)E、EC和U的隸屬函數(shù)均取用三角函數(shù)。因為提高系統(tǒng)的魯棒性和提高隸屬函數(shù)的區(qū)分度的目標，所以函數(shù)在越接近原點的時候坡度越陡。E，EC 與U的隸屬度函數(shù)主要參考圖4-2,4-3,4-4 內(nèi)容。依照隸屬函數(shù)，把U的隸屬度撰寫成表格參考表4-2。4.3 模糊PID控制工作流程圖基于以上控制算法的交流位置伺服控制系統(tǒng)總體流程圖如圖4-5所示。4.4 切換PID控制系統(tǒng)當誤差e(t)<1時使用積分分離PID控制。采樣時間是二十秒，延遲時間是四倍采樣時間，也就是八十秒。控制對象離散是Y（k）-dN（2）y（k-1）+num（2）u（k5），階躍響使用在積分分離PID控制器。使用分段積分分離，也就是依照誤差絕對值的不同使用多種積分強度。圖4-5模糊PID控制工作流程圖在交流伺服位置控制系統(tǒng)內(nèi)，使用積分分離PID控制與位置式PID控制，比較兩種控制模式，積分分離PID控制在響應速度和誤差誤差方面占有優(yōu)勢。只要系統(tǒng)運行參數(shù)填寫較為準確，那么控制系統(tǒng)就能有較好的運行效果，并且能運用在對系統(tǒng)精度要求更