自適應(yīng)模糊PID控制課件

SPLSTemplatesSPLSTemplates自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)與研究SPLSTemplatesSPLSTemplates1引言

常規(guī)PID控制由于原理簡(jiǎn)單、使用方便、適用性好、具有很強(qiáng)的魯棒性,在工業(yè)過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用,但是PID控制需要建立被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,難以處理復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)。而模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制算法,該算法把人的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制策略,對(duì)那些時(shí)變的、非線性的、滯后的、高階大慣性的被控對(duì)象,具有良好的控制效果。

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通過(guò)以上分析可知,對(duì)于復(fù)雜的非線性系統(tǒng),只采用常規(guī)PID控制或普通模糊控制都難以達(dá)到滿意的效果。本文采用的自適應(yīng)模糊PID控制器,有機(jī)地將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),當(dāng)誤差小于某一閾值e0時(shí),采用PID控制,以提高系統(tǒng)的控制精度;當(dāng)誤差大于某一閾值e0時(shí),采用模糊控制,以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,加快響應(yīng)過(guò)程,抑制超調(diào)。自適應(yīng)模糊PID控制器的原理如圖1所示。這種復(fù)合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化成PID控制，二SPLSTemplatesSPLSTemplates者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這種改進(jìn)的控制方法的出發(fā)點(diǎn)主要是因?yàn)槟：刂破鞅旧硐浞€(wěn)態(tài)誤差的能力比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。SPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplates2模糊控制系統(tǒng)模糊系統(tǒng)是一種基于知識(shí)或基于規(guī)則的系統(tǒng)。它的核心就是由所謂的IF-THEN規(guī)則所組成的知識(shí)庫(kù)。一個(gè)模糊的IF-THEN規(guī)則就是一個(gè)用連續(xù)隸屬度函數(shù)對(duì)所描述的某些句子所做的IF-THEN形式的陳述。構(gòu)造一個(gè)模糊系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)就是要得到一組來(lái)自于專家或基于該領(lǐng)域知識(shí)的模糊IF-THEN規(guī)則，然后將這些規(guī)則組合到單一系統(tǒng)中。不同的模糊系統(tǒng)可采用不用的組合原則。SPLSTemplatesSPLSTemplates

模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于模糊控制器的設(shè)計(jì)。模糊控制器的設(shè)計(jì)主要有三個(gè)部分:

(1)輸入量的模糊化

(2)模糊邏輯推理(3)反模糊化過(guò)程SPLSTemplatesSPLSTemplates

2.1輸入量的模糊化

所謂模糊化(Fuzzification)就是先將某個(gè)輸入測(cè)量量的測(cè)量值作標(biāo)準(zhǔn)化處理,把該輸入測(cè)量量的變化范圍映射到相應(yīng)論域中,再將論域中的各輸入數(shù)據(jù)以相應(yīng)的模糊語(yǔ)言值的形式表示,并構(gòu)成模糊集合。這樣就把輸入的測(cè)量量轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊語(yǔ)言變量。SPLSTemplatesSPLSTemplates

2.2模糊邏輯推理根據(jù)事先已定制好的一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊規(guī)則庫(kù),運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理計(jì)算,從而根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)輸入的一系列條件進(jìn)行綜合評(píng)估,以得到一個(gè)定性的用語(yǔ)言表示的量,即模糊輸出量。完成這部分功能的過(guò)程就是模糊邏輯推理過(guò)程。SPLSTemplatesSPLSTemplates

2.3反模糊化過(guò)程

反模糊化(Defuzzification)有時(shí)又叫模糊判決。就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為能夠直接控制執(zhí)行部件的精確輸出量的過(guò)程。SPLSTemplatesSPLSTemplates3模糊控制器的結(jié)構(gòu)

3.1模糊化方法的選擇與確定

所謂模糊化,就是把變量數(shù)值變成模糊語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值。根據(jù)人們的習(xí)慣，常將相比的同類事物分為“大”，“中”，“小”或“中”，“高”，“低”等3個(gè)等級(jí)，故操作者對(duì)誤差及其變化率以及控制量的變化，也常采用這種等級(jí)的模糊概念?？紤]到變量的正，負(fù)性，一般在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，人們對(duì)于誤SPLSTemplatesSPLSTemplates差、誤差變化率和控制量的變化等語(yǔ)言量，常用“正大”（PB)、“正中”（PM)、“正小”（PS)、“零”（Z）、“負(fù)小”（NS)、“負(fù)中”(NM)、和“負(fù)大”（NB）這7個(gè)語(yǔ)言變量來(lái)描述。每一個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集，其隸屬度函數(shù)有多種選擇。本文使用三角形分布,控制器的輸入為偏差e和偏差的變化率ec，輸出變量為控制量u，相應(yīng)的模糊集分別為E、EC和U，它是一個(gè)雙輸入單輸出的二維模糊控制器。SPLSTemplatesSPLSTemplates輸入量E量化論域:-6～6模糊態(tài):NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB．輸入量EC量化論域:-6～6模糊狀態(tài):NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB．輸出量U量化論域:-7～7模糊狀態(tài):NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB．SPLSTemplatesSPLSTemplates3.2模糊控制規(guī)則的建立

確定語(yǔ)言控制規(guī)則是模糊控制設(shè)計(jì)的核心工作，規(guī)則的形式很多，象計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言常用的“If…then…”條件語(yǔ)句?？刂埔?guī)則的多少可視輸入輸出物理量數(shù)目及所需的控制精度而定。本文有兩個(gè)輸入量，其中一個(gè)輸入量有8種模糊態(tài)，另一個(gè)是7種模糊態(tài)，所以共有56種模糊控制規(guī)則。SPLSTemplatesSPLSTemplates由專家經(jīng)驗(yàn)得到的模糊控制規(guī)則表如下所示：SPLSTemplatesSPLSTemplates4仿真試驗(yàn)

采用MATLAB中的SIMULINK對(duì)其進(jìn)行仿真。SIMULINK模塊庫(kù)中提供了建立系統(tǒng)模型所需的大部分模塊。系統(tǒng)的模型建好后，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的不同需要，設(shè)置或更改模塊的參數(shù)，然后打開(kāi)仿真菜單，設(shè)置仿真參數(shù)，起動(dòng)仿真過(guò)程，仿真結(jié)束后用戶可以通過(guò)輸出示波器或plot繪圖函數(shù)觀察系統(tǒng)的仿真輸出。SPLSTemplatesSPLSTemplates

在MATLAB菜單窗口中輸入命令fuzzy可進(jìn)入FIS編輯器，在FIS編輯器中可以設(shè)置輸入、輸出變量的模糊隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則。隸屬度函數(shù)有三角形、梯形、高斯形等不同種類。如下圖所示：SPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplatesSPLSTemplates輸入及輸出的隸屬度函數(shù)SPLSTemplatesSPLSTemplates隸屬度函數(shù)曲面SPLSTemplatesSPLSTemplates根據(jù)模糊控制表規(guī)則，在FIS中輸入這些規(guī)則得：SPLSTemplatesSPLSTemplates

根據(jù)模糊控制規(guī)則表，在MATLAB的FIS編輯器中建立起模糊推理系統(tǒng)，在SIMULINK中建立系統(tǒng)的仿真圖，設(shè)置量化因子Ke=3，Kec=0.1，Ku=1，PID參數(shù)Kp=15，Ki=1，Kd=2。在選擇開(kāi)關(guān)的設(shè)置中，將參數(shù)“Threshold”設(shè)置為0.1，這樣當(dāng)偏差|e|>=0.1時(shí)，開(kāi)關(guān)Switch只接通Fuzzy控制器；當(dāng)|e|<0.1時(shí)，開(kāi)關(guān)Switch只接通PID控制器SPLSTemplatesSPLSTemplates

完成各部分的參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊仿真在示波器中觀看系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。SPLSTemplatesSPLSTemplatesPID子系統(tǒng)SPLSTemplatesSPLSTemplates自適應(yīng)模糊PID控制階躍響應(yīng)SPLSTemplatesSPLSTemplates純模糊控制階躍響應(yīng)SPLSTemplatesSPLSTemplates純PID控制階躍響應(yīng)SPLSTemplatesSPLSTemplates各參數(shù)比較SPLSTemplatesSPLSTemplates上三種算法的性能參數(shù)比較?？梢钥闯?模糊自適應(yīng)PID控制具有較小的超調(diào)量,較短的調(diào)節(jié)時(shí)間,良好的動(dòng)、靜態(tài)特性,更好的適應(yīng)性和魯棒性,優(yōu)于常規(guī)PID控制和普通模糊控制。SPLSTemplatesSPLSTemplates5結(jié)論針對(duì)復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng),本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制器,并總結(jié)了這種控制器的特點(diǎn)以及參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)律。通過(guò)仿真表明,這種新型的控制器是一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、性能良好的智能控制器,具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高、抗干擾性能好及魯棒性較強(qiáng)等特點(diǎn),適用于非線性、時(shí)變、強(qiáng)干擾的不確定復(fù)雜系統(tǒng)。SPLSTemplatesSPLSTemplates參考文獻(xiàn):

[1]熊均泉,戴果華,佘致廷.基于Matlab的退火爐溫度模糊PID控制的仿真研究[J].中國(guó)儀器儀表,2005,5:80-82.