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模糊控制与PID控制方法的比较

模糊控制与PID控制方法的比较
模糊控制与PID控制方法的比较

上海交通大学学报

JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG

UNIVERSITY

1999年 第三十三卷 Vol.33 第4期

No.4 1999

模糊控制与PID控制方法的比较

张恩勤, 施颂椒, 翁正新

摘 要:研究了常规模糊控制器与PID控制器的关系.基于T-S模型,在一定的附加条件下,对这些模糊控制器进行了分析,理论上给出了这类模糊控制器与PID控制器参数间的定量关系式,并指出两者间的本质联系.仿真结果表明了模糊控制器与PID控制器的相似性,多个规则的模糊控制器要优于PID控制器,同时给出了一类模糊PID复合控制器(TS-PID)的设计方法.该类复合控制器兼有模糊控制器与PID控制器优点,具有较深远的应用前景.

关键词:模糊控制;PID控制;T-S模型

中图分类号:TP 273.3 文献标识码:A

Comparative Study of Fuzzy Control and PID Control

ZHANG En-qin, SHI Song-jiao, WENG Zheng-xin

Dept. of Automation, Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, China Abstract: Fuzzy control and PID control are two main control methods in industry process. How to design a new controller combining the merits of these two is of great application value. A type of fuzzy controller based on T-S model was studied. The qualitative relationship between the parameters of this type of fuzzy controller and PID controller was theoretically proposed. The simulation results demonstrate that conventional fuzzy controller and PID controller have similar characters, but the fuzzy controller based on more rules has better qualities. Meanwhile, a design method of the complex fuzzy controller based on T-S model was given, which is of great value in industry application potentially.

Key words: fuzzy control; PID control; T-S model

众多学者对模糊控制和PID控制进行了比较.Tang[1]对常规模糊控制器机理进行了分析,指出一般模糊控制器同PI控制器的相似性.Ying[2]和Li[3]从不同方面对模糊控制器进行分析,指出同PID控制器的因子K p、K i、K d之间的关系.他们的分析均是基于一种类比形式.本文基于T-S模型[4],指出了模糊控制器同PID控制器的关系:一类特殊的基于T-S模型的模糊控制器是一种复合PID控制器.

1 PID控制方法及模糊控制方法

常见PI、PD、PID控制的形式为

(1)

(2)

(3)

式中K p、K i、K d为PID控制器的3个调节因子.

常规模糊控制器FZ-PI、FZ-PD、FZ-PID的形式分别为

(4)

(5)

(6)

式中:K e、K c、K s、K u为模糊控制器的量化因子和比例因子;F1、F2、F3为模糊推理,一般为非线性映射.实际中,FZ-PI、FZ-PID模糊控制器均采用增量式控制方法,为讨论方便及与式(1)~(3)形成对比,式(4)、(6)中的第一式均采用连续型表示方式.文献[1~3]采取不同方式对F1、F2、F3进行简化,并对比以上相应各式,从而得出

K p、K i、K d与K e、K c、K s、K u之间的各种关系式.

2 基于T-S模型的模糊控制器分析

采用T-S模型[4]的模糊控制规则一般为

R i: If er is Ai, ie is Bi, de is Ci,

Then u i=b i0+b i1.er+b i2.ie+b i3.de

取特殊情况b i0=0.假设当前输出偏差为e,由规则R i可得输出为

(7)

假设共有N条规则,选取极小蕴涵关系及加权输出方法,可得FZ-PID控制器输出(注:如果无特殊说明,以下所述FZ-PID控制器均指基于T-S模型的模糊控制器):

(8)

式中,加权系数为

记,称之为相对加权系数.展开式(8)得

 

整理可得

与式(3)比较,可得FZ-PID控制器中对应于PID控制器的3个参数为

(9)

可简记

3 模糊控制与PID控制方法比较

以上分析中得出了一类基于T-S模型的FZ-PID控制器的3个参数:K FZ-p、K FZ-i、K FZ-d.同PID控制器的3个参数K p、K i、K d相比,K FZ-p、K FZ-i、K FZ-d具有更广泛的意义.K p、K i、K d在一般控制中是常数(在较复杂或时变系统,这3个参数可定为分段常数);但K FZ-p、K FZ-i、K FZ-d却是变量.从式(9)可知K FZ-p、K FZ-i、K FZ-d与e、∫e、有关,即上述3个参数应记为

从上式分析可知,FZ-PID控制器可看作是一种变参数的PID控制器.由于隶属度函数一般是非线性的,上式中映射f1、f2、f3均为非线性映射.因此,FZ-PID控制器是一种非线性控制器.另外,从式(7)分析可知,只有一条规则的FZ-PID模糊控制器,实际上就是一般意义的PID控制器.如果N=1,则p1=1,由式(9)可得控制输出为

结果与式(7)相同,即单个规则的FZ-PID模糊控制器就是PID控制器.再由式(8)分析可知,多条规则的FZ-PID模糊控制器是多个PID控制器的复合作用,只是在不同的状态

下,由单个规则所确定的PID控制器具有不同的加权因子.因此,FZ-PID控制器也可看作一种复合PID控制器:

4 仿真分析

为了与PID控制器作比较,在此,选择一种简单的模糊控制器,则有以下3条规则:

其中,U1、U2、U3的隶属函数为常数“1”,误差e、误差变化率de的定义如图1所示.

图1 论域e、de上的模糊量定义

Fig.1 Definition of fuzzy variables on discourse e and de

选取二阶系统[(25s+1)(5s+1)]-1及三阶系统[(25s+1)(15s+1)(5s+1)]-1,模糊控制器及PID控制器的参数选取见表1,输出响应见图2.图2(a)在R1参数与PID相同的情况下,比较了模糊控制器与PID控制器的特性;图2(b)比较了两组参数的PID控制器与模糊控制器的特性.

表1 二阶、三阶系统控制器参数

Tab.1 Parameters for 2-order plant and 3-order plant

参数

二 阶三 阶

PID R1R2R3PID1PID2R1R2R3

K p 3.0 3.0 3.0 3.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 K i0.3410.3411.651.650.170.10.10.750.75 K d0.580.580.580.580.820.820.820.820.82

图2 系统的仿真曲线

Fig.2 Simulation curves

仿真结果表明,模糊控制器与PID控制器的控制效果相近.从图2(b)可看出,PID控制对积分因子较为敏感.但在模糊控制中,即使让R1选取较差的一组参数(同PID2),若增加两个规则,控制效果也比较好,说明了模糊控制器具有一定的鲁棒性.

5 结 论

本文对模糊控制器与PID控制器作了比较研究,在一定条件下,对基于T-S模型的一类模糊控制器进行了分析,指出了这类模糊控制器可看作是一种复合PID控制器,或者变参数的PID控制器.这类模糊控制器利用T-S模型,前件采用模糊推理,后件采用PID精确输出,兼有常规模糊控制与PID控制优点,具有一定的应用前景.

作者简介:张恩勤(1971~),男,博士生.

作者单位:张恩勤, 施颂椒, 翁正新 (上海交通大学 自动化系,上海 200030)参考文献:

[1] Tang K L. Comparing fuzzy logic with classical con-

troller design [J]. IEEE Trans SMC, 1987, 17(6):1085~1087.

[2] Ying H. A nonlinear fuzzy controller with linear con-

trol rules in the sum of global two-dimensional multilevel relay and a local nolinear PI controller [J]. Automatica, 1993, 29(2):499~505.

[3] Li H X. A comparative design and tuning for conven-

tional fuzzy control [J]. IEEE Trans SMC PB: Cybernetics, 1997,27(5):884~889.

[4] Takagi T, Sugeno M. Fuzzy identification of systems

and its applications to modeling and control [J]. IEEE Trans SMC, 1985, 15(1):116~132.

收稿日期:1998-05-04

模糊控制与PID控制方法的比较

作者:张恩勤, 施颂椒, 翁正新, ZHANG En-qin, SHI Song-jiao, WENG Zheng-xin

作者单位:上海交通大学,自动化系,上海,200030

刊名:

上海交通大学学报

英文刊名:JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY

年,卷(期):1999,33(4)

被引用次数:50次

参考文献(4条)

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2.Ying H A nonlinear fuzzy controller with linear con-trol rules in the sum of global two-dimensional multilevel relay and

a local nolinear PI controller 1993(02)

3.Li H X A comparative design and tuning for conven-tional fuzzy control 1997(05)

4.Takagi T.Sugeno M Fuzzy identification of systemsand its applications to modeling and control 1985(01)

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锅炉是典型的复杂热工系统,目前,中国各种类型的锅炉有几十万台,由于设备分散、管理不善或技术原因,使多数锅炉难以处于良好的工况,增加了锅炉的燃料消耗,降低了效率。

锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点,而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标,保证水位控制在给定范围内,对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点,目前,对汽包水位的控制大多采用常规PID控制方式,传统的常规PID控制方式是根据被控制对象的数学模型建立,由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等,其精确的数学模型往往无法获得,而且常规PID控制的参数是固定不变的,难以适应各种扰动及对象的变化,其控制效果往往难以满足要求,控制效果不理想。

模糊控制是建立在人工经验基础之上的,它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述,并用语言表达出来,得到定性的、不精确的控制规则,不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受,构造容易,鲁棒性和适应性好。

本文分析了汽包水位对象的动态特性,介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有三个输入量,极易引起水位控制偏差,本文提出了两种消除水位偏差的方法:(1)辅助信号自消方法(2)辅助信号对消方法。根据三冲量水位调节系统控制水位误差,设计采用了三冲量PID串级控制方式,采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。

根据锅炉控制现状,提出了参数自整定模糊控制规则,设计了二输入三输出自适应模糊PID控制器对汽包水位进行控制,克服了传统控制方式的控制效果不精确和参数难以调整等缺点。利用MATLAB对传PID控制系统和三冲量自适应模糊PID控制系统仿真,结果表明后者的自适应能力更强,抗干扰能力和鲁棒性更好,保证水位的稳定。

3.期刊论文苗敬利.李华德模糊控制和传统PID控制的仿真研究-微计算机信息(测控仪表自动化)2003(7)

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由于常规PID控制器结构简单、鲁棒性强,被广泛应用于过程控制中,但常规PID不能根据现场的情况进行在线自整定,非线性系统的常规PID控制往往不能获得较好的控制效果。基于知识和不依赖于精确数学模型的模糊控制给这个问题的解决带来了新的思路,在很多工业应用中已取得了良好的效果,但模糊控制在进入稳态后存在一定的静差。将模糊控制器和常规PID控制器结合起来,应用到液位控制系统中具有一定的实用价值。

本文结合模糊控制和常规PID控制理论,用于液位控制系统,完成了以下工作:

1.通过试验法建立了液位控制系统的水箱的数学模型,设计出了液位串级控制系统。

2.针对液位控制系统,选取合适的隶属度函数和制定出模糊控制规则,设计了模糊控制器,并分析了在模糊控制系统中,误差的量化因子、误差变化率的量化因子、控制量的增量的比例因子对系统性能的影响。针对液位控制系统,选取合适的隶属度函数和模糊PID控制规则,设计了模糊PID控制器。

3.用MATLAB/Simulink建立了液位串级控制系统,其主调节器分别采用PID控制,模糊控制,模糊PID控制,副调节器采用比例控制。通过仿真比较了当液位控制系统的控制对象模型变化后,常规PID控制、模糊控制、模糊PID控制的液位控制系统的性能。

4.将常规PID控制、模糊控制、模糊PID控制通过THJ-2控制实验装置进行实际的液位控制实验,并用MCGS组态软件对系统进行组态和编程进行实际控制。实验结果表明,与常规PID控制和模糊控制相比,模糊PID控制具有鲁棒性强和动态性能好等特点。

5.期刊论文徐元昌.孙卫青.陈婵娟塑机速度的PID控制和模糊控制-陕西科技大学学报(自然科学版)2003,21(4)

针对塑机速度控制影响因素多,建模难度大的情况,尝试用自整定PID控制和模糊控制两种方法实现其速度控制,实验表明,用自整定PID控制可以获得较理想的控制曲线;用模糊控制其仿真结果也是可行的,适用于非线性干扰大的系统.

6.学位论文彭铭基于TWINCAT平台的液位模糊控制系统研究2007

本文以液位控制系统为研究对象。虽然常规PID控制器以其算法简单,鲁棒性好等特点被广泛应用于工业过程控制中,但是存在一定缺限,它不能根据被控对象参数的变化作出动态调整。而在液位控制系统中,常常存在大滞后、时变、非线性的环节,针对这样的系统,传统的PID控制不能满足控制要求。所以将不需要精确数学模型的模糊控制技术与传统PID控制技术相结合,利用各自的优点,对液位进行控制,具有一定的实用价值。

本论文对PID控制器、模糊控制器、模糊自适应控制器的构成,调节规律,模糊控制规则进行了研究。分析了模糊控制系统中,误差的量化因子、误差变化率的量化因子、比例因子对系统性能的影响。对本次实验用到的设备:“ACSK”自动化综合实验系统,德国倍福公司推出的基于PC-based技术的TwinCAT控制平台进行详细介绍。对PC-based控制技术,和TwinCAT平台所用到的现场通讯协议Profibus-DP也作了一定的描述。对液位控制系统的被控对象水箱,应用阶跃响应法建立其数学模型。

在控制程序的编写过程中,利用TwinCAT工控软件提供的接门程序组件,与VC++开发工具进行连接,进行混合编程研究,编制出基本模糊控制算法和监控画面。

最后,针对过程对象中参数的时变性和实验系统的特点,设计了基本模糊控制器,模糊自适应PID控制器,并用Matlab/Simulink对液化控制系统进行实验仿真。通过仿真比较了PID控制器,模糊控制器,模糊自适应控制器,带修正因子的模糊控制器的控制效果。仿真结果表明,模糊控制与传统PID控制比较,具有良好的动念性能和稳态性能;模糊自适应PID具有很强的鲁棒性;带修正因子的模糊控制器控制效果取决于修正因子的选择。常规PID控制实验和模糊控制实验结果表明:模糊控制的动态稳念性能更好。

7.期刊论文孙叶青PID控制与模糊控制的比较-科技信息2010(14)

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8.学位论文林益平高性能速度伺服系统研究2000

该文围绕提高速度伺服系统的性能开展研究工作.根据速度伺服系统的整体要求,设计了基于Intel高性能单片机8XC196MC速度伺服系统的软、硬件,经近一年的大量实验研究表明,该系统硬件设计正确,功能齐全,软件功能完备,系统在强磁场环境下运行稳定可靠,具有工程实用价值.通过数学推导和现场实测创建了系统各环节的数学模型,按扰动性能和按阶跃响应性能设计了二种工业界常用的PI和PID控制器,比较它们之间的优缺点,指出常规控制器在参数选择上动、静态性能之间存在矛盾,只能在二者之中折衷选择,难以获得完美的效果.基于分析阶跃输入响应曲线和相平面法分析模糊系统的基础上,设计了速度伺服系统的模糊控制规则,离线计算出控制查询表,通过仿真和在线控制实验,并与PID控制结果比较,模糊控制比PID控制有较快的响应速度,但其稳态特性不如PID控制.在模糊控制算法设计中,对比了在零点附近加入偏移量和不加偏量的控制效果,加入偏移量后可以明显提高模糊控制动、静态性能.由于模糊与PID控制各有所长,若将它们结合起来构成模糊--PID控制系统,让它们各自发挥自己的长处,使系统兼有模糊控制快速性和PID控制平稳性.该文实现了能交替运用两种不同类型的模糊--PID控制方式;点切换模糊控制和首创地提出具有切换滞环的模糊--PID控制.该文将基于神经网络优化T--S模糊模型的模糊推理系统首次用于学习具有切换滞环的模糊--PID控制器,形成基于T--S模型的模糊控制器实现在线仿滞环切换的模糊--PID连续平稳控制,由于不存在不同类型的控制之间的切换,取得了很好的控制效果.

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根据某加热炉的控制要求,设计出一种PID控制与模糊控制相结合的智能控制系统.采用Fuzzy-PID复合控制算法,具有模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点,又具有PID控制精度高的特点.该系统采用PLC作为控制系统的核心,通过对偏差的智能化处理,以及引入最大最小限幅值,智能分段控制等概念,实现对数学模型不确定的控制对象的满意控制,使系统具有可靠性高、使用寿命长等适合实际工业现场的特性.

10.学位论文陈淳辉模糊控制技术在数控机床中的应用研究2007

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机床控制系统是数控机床的关键核心部件之一,其性能的好坏直接决定数控设备的整体性能。通常设计进给控制系统时必须满足一定的要求,才能保证进给系统的定位精度和静态、动态性能,从而确保数控机床的加工精确度。目前数控机床向着高速、高效率、高精度和高自动化的方向发展,进给控制系统的设计要求也就越来越高,因此深入研究数控机床进给控制系统的动静态特性,这对数控机床性能的提高具有重要的意义。

本文以典型的数控机床闭环进给控制系统为研究对象,在综合自适应控制、模糊控制以及常规PID控制算法优点的基础上,设计出基于模糊规则切换的智能自适应模糊-PID复合控制器,使得整个控制器能够根据不同的响应阶段和性能指标,自动调整控制参数、自动切换控制算法,以适应数控进给控制系统在不同的工作状态下的动态性能要求。

为了验证所设计的基于模糊规则切换的智能自适应模糊-PID复合控制器的可行性和有效性,文中利用Matlab仿真软件,对该控制器在实际工作过程的各种工况进行仿真分析。实验结果证明,本文研究的基于模糊规则切换的智能自适应模糊-PID复合控制器对数控系统参数变化具有较强的鲁棒性和抗外界干扰能力,能够满足高精度数控系统对零件的加工要求。

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