模糊PID控制器的设计及其仿真讲述.pptVIP

模糊PID控制器的设计及其仿真 第一部分 简介 PID 控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点, 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在控制理论和技术飞速发展的今天, 工业过程控制领域仍有近90%的回路在应用PID控制策略。PID控制中一个关键的问题便是PID 参数的整定。但是在实际的应用中, 大多数工业过程都不同程度地存在非线性、参数时变性和模型不确定性, 因而一般的PID 控制无法实现对这样的过程的精确控制。模糊控制对数学模型的依赖性弱,不需要建立过程的精确数学模型, 因此,针对 PID控制和模糊控制的各自特点,国内外学者分别采用不同的方法将模糊控制与PID控制相结合,研究出了多种模糊PID控制器。 应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定,并设计出参数模糊自整定PID控制器,进行MATLAB/SIMULINK仿真。仿真结果表明,该设计方法使控制系统的性能明显改变。 第二部分 控制系统的实现方案 PID控制器是一种线性控制器, 它根据该定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差： PID的控制规律为： 自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊规则在线对PID参数进行修改,便构成了自适应模糊PID控制器, 其结构如图所示。 模糊PID控制器结构框图 PID参数模糊自整定是找出PID3个参数与e和ec之间的模糊关系, 在运行中通过不断检测e和ec,根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改,以满足不同e和ec是对控制参数的不同要求,而使对象有良好的动、静态性能。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,kp,ki,kd的作用如下： (1) 比例系数kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。kp越大, 系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定。kp取值过小,会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏 (2) 积分作用系数ki的作用是消除系统的稳态误差。ki越大,系统的静态误差消除越快,但ki过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调。 ki过小, 将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。 (3) 微分作用系数kd 的作用是改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化,对偏差进行提前预报。但kd过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗干扰性能。 第三部分 糊控制器的设计 3.1 语言变量隶属度函数的确定 模糊控制器采用两输入三输出的形式,以e和ec为输入语言变量, kp、ki和kd为输出语言变量。输入、输出语言变量的语言值均取为“负大”(NB )、“负中”(NM )、“负小”(NS )、“零”(ZO )、“正小”(PS )、“正中”(PM )、“正大”(PB ) 7种。将偏差e和偏差变化率ec量化到(-6,6)的区域内,输出量化到(0,3)的区域内。隶属函数曲线如下图所示。 3.2 建立模糊控制器的控制规则表 根据参数kp、k i、kd 对系统输出特性的影响, 可得出在不同的e和ec时,参数自整定原则: (1)当|e|很大时,不论误差变化趋势如何,都应考虑控制器的输出应按最大(或最小)输出,以达到迅速调整误差,使误差绝对值以最大速度减小。同时为了防止积分饱和,此时,应取较大kp,较小的kd,ki取零。 (2)当e*ec0时,说明误差在朝误差绝对值增大方向变化。此时,若误差较大,可考虑由控制器实施较强的控制作用,以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化,并迅速减小误差绝对值； 此时取较大的kp,kd不能太大,取较小的ki值。若误差绝对值较小,控制器实施一般的控制作用,只要扭转误差的变化趋势, 使其超误差绝对值减小方向变化。 (3)当e*ec0或者e=0时,说明误差的绝对值超减小的方向变化,或者已达到平衡状态。此时,可采取保持控制器输出不变。 (4)当e*ec=0,e≠0时,表明系统的曲线与理论曲线平行或一致, 为使系统具有良好的稳态性能,应采取较大kp和ki值,同时辟免设定值附近振荡,并考虑系统的抗干扰性能,适当选取kd值。 根据PID参数的整定原则及专家经验, 采用IF-THEN形式,可得kp,ki,kd的整定规则如下表所示。 3.3 利用SIMULINK组建控制系统仿真模块图