南通大学电气工程学院毕业设计（论文）开题报告
学生姓名施佳余学号0912002167专业电气工程及自动化
课题名称基于模糊控制的PID调速控制的仿真研究
阅读文献情况国内文献15篇开题日期2013年3月15日
国外文献5篇开题地点南通大学主校区11#612
一．文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）
1.课题研究的背景及发展趋势：
自动控制自产生以来，通过不断的发展与进步，对人类的生产、生活和工作做出了巨大的贡献，并且广泛应用于电机调速、温度控制、水轮机发电等领域。以电机调速为例，电机调速系统是智能汽车能否正常运行的重要因素，调速系统动态品质的优劣直接关系到车辆运行速度及人身安全[1]。
目前对调速系统的控制大多采用常规的PID控制。常规PID控制按偏差的比例、积分、微分进行调节，其发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。其参数的选取将直接影响到调速性能的好坏。从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看智能PID控制技术有待进一步研究，而智能控制领域较活跃的研究和应用主要有模糊控制和神经网络控制。
1965年，美国加州大学伯克利分校电气工程系的Zadeh教授创立的模糊集合理论，发表(Fuzzy Set)主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容，文中首次提出表达事物模糊性的重要概念：隶属函数，从而突破了19世纪末笛卡尔的经典集合理论，奠定了模糊理论的基础[2]。1974年，LA.Zadeh发表模糊推理的研究报告，从此，模糊理论成了一个热门的课题；英国伦敦Queen Mary学院的马丹尼(E.H.Mamdani)首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机控制[3]，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果，从而宣告模糊控制的诞生。
模糊控制从提出到现在已经历了两个阶段，即简单模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段。第一个阶段约从1974年至1979年，也称为简单模糊控制阶段。这个阶段以Mamdani开创模糊控制为起点。在此期间，英国、西德、日本、美国以及加拿大等国的学者, 曾先后做过对蒸汽机、锅炉、炼钢炉以及汽轮发电机组等模糊控制的计算机仿真，他们也进行了模糊控制算法与经典的传递函数算法之间的计算机仿真比较。结果都表明，模糊控制比传统的经典控制稳定，效果良好[4]。第二阶段中是从1979年到现在，也称自完善模糊控制阶段。在这个阶段中，对模糊控制方法、控
制理论都进行了大量的探讨，模糊控制的水平不断地完善和提高。这个阶段是以T.J.Procky和E.H.Mamdani在1979年提出了语言自组织过程控制器为开始标志的[5]。此后的若干年模糊控制得以广泛发展并在现实中得以成功应用。
近年来, 模糊控制研究与应用已经得到了迅猛地发展,模糊控制己成为智能自动化控制研究中最为活跃而又富有成果的领域。然而，在工业过程控制中，PID类型的控制技术仍然占有主导地位，虽然控制技术应用领域会越来越宽广、被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的基本控制单元。为此1987年, Ying在模糊控制理论中首次严格地建立了模糊控制器与传统控制器的分析解关系，其中特别重要的是证明了Mamdani模糊PI(或P D)型控制器是具有变增益的非线性PID控制器。这些工作为模糊控制理论与传统PID控制理论相结合建立了桥梁[6]，开拓了模糊控制非线性理论研究的新途径[7]。
尽管大量实验证明，基于模糊控制的PID控制技术已经在相当的一些领域中体现了它优于传统的控制的特点，尤其是对一些相当复杂的系统，例如非线性、时变、大滞后的系统具有很强的实时性和鲁棒性。但是两种控制器性能孰优孰劣一直是学术界的争论焦点。如何设计模糊控制器，使之控制性能优于传统控制器，不仅是模糊控制研究中的一个重大理论问题，也是实际应用中需要解决的难点问题。为了解决这一问题有关学者最近建议了模糊控制器的“保守设计准则”。该准则要求“任一模糊PID控制器应该能够实现通过参数调整产生线性输入输出关系”，符合这一准则的系统可以称为“确保PID性能的模糊系统”。这一设计准则的建立在理论与应用方面具有重要意义。它导致模糊控制理论可以引用并借鉴传统控制理论中大量的定理和准则作为其控制器的性能指标下限分析，使模糊控制技术可以坚实的立于传统控制技术基础之上[8]。
因此模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。该方法综合了模糊技术和PID控制的优点, 具有结构简单, 算法易于实现和适应能力强等特点，在将来必定有着广阔的研究和应用前景。
2.课题研究的意义和价值：
根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。一方面PID控制具有较强的鲁棒性，结构简单，参数物理意义明确，对模型依赖程度小和工程上易于实现等优点；另一方面因为PID控制其允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统，所以研究PID参数自整定技术具有十分重大的工程实践意义[9]。但是，当被控对象具有复杂非线性、时变不确定、滞后特性时，单一的常规PID控制很难满足系统的品质要求[10]。另外，在对PID参数进行整定的过程中，PID参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。所以，要想取
得好的控制效果，必须离线或者在线整定PID控制器的参数，使之具有合理的数值。为此人们一直在寻求一种更有效的方法来弥补PID控制的不足。其中以模糊控制和神经网络的发展最为迅速。
模糊控制在实际应用中成绩显著，主要是因为它具有透明性和逻辑性，而且具有很强的知识表达能力，能将已知系统的知识结合到模糊规则中加以运用。模糊控制是一类应用模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的控制方法，它是一种非线性控制，最大的优点是不需要知道被控对象的数学模型就能够利用专家已有的知识和经验[11]。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组成部分。
实际上，任何一个有效的控制设计都需要包含人的经验知识、判断技巧和直觉推理能力[12]。基于这一想法，本课题根据模糊控制原理，设计一种模糊控制的PID控制方案。虽然常规PID控制算法简单、应用广泛，既能消除余差，又能提高系统的稳定性，但其P环节、I环节、D环节的控制参教却难以整定。因此用模糊控制来弥补PID控制中的不足，实现PID的最优调整。
所谓模糊PID控制是指运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则和有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，实现对PID参数的调整。这种改进的控制方法的出发点主要是因为模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而PID调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除误差作用[11]。PID模糊控制重要的任务是找出PID的三个参数与误差e和误差变化率之间的模糊关系，在运行中不断检测，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整，满足不同误差和误差变化率时对三个参数的不同要求[12]。因此把模糊控制和PID调节器相结合以增加稳态控制性能，从而实现PID控制的自适应和智能化。由于基于模糊控制的PID控制器所具有的一些优良特性，将会在控制界展示出更加广阔的应用前景，具有较大的参考意义和应用价值。
本课题就是要将模糊控制与PID控制相结合进行电机调速系统的仿真与研究，利用模糊控制的寻优功能优化PID控制器中的参数。种方法可以快速简单的使直流电机达到稳定调速。模糊PID 控制系统比传统的PID控制系统和单纯的模糊控制系统更能达到实际生活的要求，它具有反应速度更快、过渡时间短、超调量小、精确度高等特点。此外，它能够随着被控对象参数的变化而改变控制参数，实现在线自调整，以满足不同的环境和不同的工作状况。此项研究对于电机调速、智能车的控制等领域具有重要的意义和价值。
为了进行模糊系统的仿真设计，国内外的学者还开发了一些工具。最为典型的是MATLAB的模糊控制工具箱。这是一个不针对具体硬件平台的模糊控制设计工具，它可以用完全图形界面的工作方式设计整个模糊控制器，如定义它的输入、输出的数目，各输入、输出的隶属函数的形状
和数目，模糊规则的数目，模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。在设计好这样一个纯粹的模糊控制器之后，可以利用MATLAB本身的SIMULINK仿真平台来构建整个模糊控制系统并进行仿真，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。
随着控制理论的发展，PID控制已经与各种控制技术结合，形成了多种PID控制技术，传统的PID控制技术已经获得了巨大的发展，模糊PID控制就是其中之一，其控制控制效果可以同许多先进控制方法比美，其控制算法简单，具有较大的工程应用价值[11]。尤其在电机调速方面，响应速度加快、调节精度提高、稳态性能变好，而且没有超调和振荡，具有较强的鲁棒性。PID控制虽然是传统控制策略，但模糊PID控制是学科交叉的前沿研究领域，具有比较大的研究意义。
参考文献：
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二．本课题的基本内容，预计解决的难题
本课题旨在利用MA TLAB/SIMULINK对模糊控制PID建立仿真模型。
主要解决以下问题：
1）阐述PID控制、模糊控制等相关理论，分析各自特点、优劣及其近年来的发展和应用。对于PID控制已经有了一定的理解，但对模糊控制的概念很陌生，在这方面必须加强理解。
2）设计中的难点之一在于模糊子集的选取，模糊规则的确定。控制规则是模糊控制器的核心，控制规则的制定需要根据经验和直觉推理，将人的大量成功的控制策略经整理、加工提炼后，用输入、输出变量的模糊状态给以描述出来，对于初学者或者经验不足者，很难制定出达到预定结果的模糊规则。难点之二是解决如何将模糊控制与PID控制相结合的问题，利用模糊控制弥补PID 控制的不足，又保留原有经典PID控制的简单易行及控制效果稳定等优点。
3）应用MATLAB/SIMULINK完成基于模糊控制的PID调速控制的建模，然后进行仿真，并与传统的PID控制作比较，根据结果分析模糊PID控制较传统PID控制的优点，进行总结。
三．课题的研究方法、技术路线
1.查阅有关PID控制，模糊控制及PID参数整定等文献，根据国内外学者提出的方案实例分析研究模糊控制和PID控制的特点。
2.在分析和阐述模糊控制理论的基础上，先将输入变量模糊化，设立模糊控制器的模糊规则，模糊推理及反模糊化等一系列工作，完成模糊控制器的设计。
3.将模糊控制应用到PID调节中，对控制系统构成模糊PID调节。针对电机调速系统来建立数学模型，然后通过MA TLAB软件中的SIMULINK工具仿真，分别选择基本PID控制器和模糊PID控制器来构成控制系统。给定一个阶跃输入信号，观察两种控制系统的输出，比较两种输出结果的差异，得出基本PID控制和模糊PID控制的优缺点。
4.通过MA TLAB软件中SIMULINK工具对模糊PID控制和基本PID控制进行仿真比较，观察二者在动态特性和稳态特性上的差异，最终得出结论。
四．研究工作条件和基础
南通大学有丰富的图书和期刊资源，以及便利的网上查询和下载系统，基本上能满足本项目查阅文献的需要。
计算机上以安装MA TLAB软件，能够进行仿真研究。
五、进度计划
起讫日期工作内容
1月15日－3月
4日
选题、查阅中外文献资料，翻译一份英文资料
3月5日－3月
15日
消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告
3月15日－3月
22日
准备和进行开题答辩
3月23日－3月
28日
根据开题报告情况继续查阅文献资料，弄懂模糊控制以及PID调速原理3月29日－4月
6日
用MA TLAB软件进行初步建模
4月7号－4月
12日
毕业设计中期检查
4月13日－4月
22日
对模糊PID调速控制的建模方案进行比较，并仿真
4月23日－4月
30日
撰写毕业论文（设计说明书）
5月1日－5月9
日
指导老师批阅论文第一稿
5月10日－5月
21日
修改完善毕业论文，进行毕业设计成果演示和验收
5月24日－5月
31日
指导教师评定成绩，评阅老师评阅论文，写出评阅意见。
6月1日－6月6
日
准备和进行毕业设计答辩
论文阶段完成
日期文献调研完成日期论文实验完成日期撰写论文完成日期评议答辩完成日期
指
导
教
师
导师签名：年月日评
语
学
系
意
见
通过开题（）开题不通过（）
学系主任签名：年月日