第３０卷第２期２００８年４月
探测与控制学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤｅｔｅｃｔｉｏｎ＆ＣｏｎｔｒｏＩ
Ｖ０１．３０Ｎｏ．２
Ａｐｒ．２００８
基于ＭＡＴＬＡＢ的自整定模糊ＰＩＤ控制系统
王辚，张科
（西北工业大学航天学院．陕西西安７１００７２）
摘要：针对常规ＰＩＤ控制器参数整定不良、适应性差、控制精度不理想的现状，提出了动态过程中参数自动整定的模糊ＰＩＤ控制系统。并利用ＭＡＴＬＡＢ的ＳＵＭＬＩＮＫ工具箱，对系统进行仿真，仿真试验结果表明模糊ＰＩＤ控制鲁棒性好、控制精度提高。
关键词：模糊ＰＤ控制＃仿真；ＩｖＩＡＴＬＡＢ；ＳＵＩＶｌＬＩＮＫ
中图分类号：ＴＰ２７３．２文献标志码：Ａ文章编号：１００８－１１９４｛２００８）０２－００７３－０４
ＦｕｚｚｙＰＤＩＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＭＡＴＬＡＢ
ＷＡＮＧＬｉｎ。ＺＨＡＮＧＫｅ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍｏｆｒｏｕｔｉｎｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍ—ｅｔｅｒｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆＰＩＤｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎａｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔＯｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｄａｐｔａ—
ｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙ。ａｎｄｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓＩ
Ｍ，ＩＮＫｔｏｏｌｂｏｘｏｆＭＡＴ—
ＬＡ＆ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｈａｖｅｇｏｏｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓａｎｄａｃｃｕｒａｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｈｔｉｏｍＭＡＴＬＡＢ；ＳＵＭＬＩＮＫ
０引言
ＰＩＤ控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规ＰＩＤ控制器参数往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。而模糊控制不依赖于工业对象模型，它不是用数值变量而是用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，因而具有较强的鲁棒性，但控制精度却不太理想。本文将模糊控制和ＰＩＤ控制结合起来，构建自适应模糊ＰＩＤ控制器，提出了一种利用模糊逻辑对ＰＩＤ控制器进行在线自调整的方法。
模糊自适应ＰＩＤ控制结构
模糊自适应ＰＩＤ控制器以误差Ｐ（惫）和误差变化率ｅｃ（ｋ）作为输入，可以满足不同时刻的Ｐ（忌）和ｅｃ（ｋ）对ＰＩＤ参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对ＰＩＤ参数进行修改，便构成了模糊自适应ＰＩＤ控制器，其结构如图１所示‘１｜。
图１自适应模糊Ｐ１Ｄ控制系统结构图
ＰＩＤ参数模糊自整定是找出ＰＩＤ三个参数与误差Ｐ（忌）和误差变化率ｅｃ（是）之间的模糊关系，在运行中通过不断检测已（志）和ｅｅ（志），根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改，以满足不同Ｐ（是）和ｅｅ（志）
量收稿日期：２００７—１１－０５修回日期：２００８－０１—１８
基金项目：航空科学基金项目资助（２００７０１５３００５）
作者简介：王辚（１９８０一），女，江苏徐州人，硕士研究生．研究方向：系统辨识，景象匹配。
７４探测与控制学报
对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、
静态性能。
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度
等方面来考虑，Ｋｒ、Ｋ。和Ｋ。的作用如下：
（１）比例系数Ｋｒ的作用是加快系统的响应速
度，提高系统的调节精度。Ｋｒ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，甚至导
致系统不稳定。Ｋｒ取值过小，则会降低调节精度，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Ｋ。的作用是消除系统的稳态
误差。ＫＩ越大，系统的稳态误差消除越快，但Ｋ－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。若Ｋ。过小，将使系统稳态
误差难以消除，影响系统的调节精度。
（３）微分作用系数Ｋｏ的作用是改善系统的动态
特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势。
并能在偏差信号值变得太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时问。
ＰＩＤ参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及之间的互联关系。模糊自整定ＰＩＤ是在ＰＩＤ算法的基础上，通过计算当前系统误差Ｐ（矗）和误差变化率ｅ。（是），用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整［２￣３］。
２模糊ＰＩＤ控制器的提出
２．１模糊控制器的算法［４“］
在本系统中，模糊控制器的好坏将直接影响到Ｋ，、Ｋ。和Ｋ。的选取，从而影响到系统的控制精度。
（１）输入输出变量的确立
基于对系统的上述分析，将偏差ｅ和偏差变化率ｅ。作为模糊控制器的输入，ＰＩＤ控制器的三个参数Ｋｒ、Ｋ，和Ｋｏ作为输出。
（２）输入、输出变量的模糊语言描述
设定输入变量ｅ和ｅ。语言值的模糊子集为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大），并简记为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ），将偏差ｅ和偏差变化率ｅ。量化到（－－３，３）的区域内。同样，设定输出量ＫＰ、Ｋｌ和ＫＤ的模糊子集为｛ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ），并将其最化到区域（０，３）内。输入输出变量的隶属函数曲线分别如图２（ａ）、（ｂ）所示。
图２隶属函数曲线图
（３）模糊控制规则的语言描述
根据参数ＫＰ、Ｋ。和ＫＤ对系统输出特性的影响情况，可以归纳出在不同的ｅ和ｅ。时，被控参数Ｋ。Ｋ。和Ｋ。的自整定要求，从而可得模糊控制规则为：Ｉｆ（ｅｉｓＮＢ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＩｉｓＺＯ）ａｎｄ（ＫＤｉｓＰＳ）
Ｉｆ（ｅｉｓＮＭ）ａｎｄ（ｅ。ｉｓＮＭ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＭ）ａｎｄ（ＫＩｉｓＰＳ）ａｎｄ（ＫＤｉｓＰＭ）
Ｉｆ（ｅｉｓＮＭ）ａｎｄ（ｅｃｉｓＰＭ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＭ）ａｎｄ（ＫＩｉｓＰＳ）ａｎｄ（ＫＤｉｓＰＭ）
Ｉｆ（ｅｉｓＮＳ）ａｎｄ（岛ｉｓＮＳ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＢ）ａｎｄ（Ｋ１ｉＳＰＢ）ａｎｄ（ＫＤｉＳＰＭ）
Ｉｆ（ｅｉｓＮＳ）ａｎｄ（ｅ。ｉｓＰＳ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＩｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＤｉｓＰＭ）
Ｉｆ（ｅｉｓＰＳ）ａｎｄ（ｅ。ｉｓＮＳ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＴｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＤｉｓＰＭ）
Ｉｆ（ｅｉｓＰＳ）ａｎｄ（Ｐ。ｉｓＰＳ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＢ）ａｎｄ（Ｋ１ｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＤｉＳＰＭ）
Ｉｆ（ｅｉｓＰＭ）ａｎｄ（ｅ。ｉｓＮＭ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＩｉｓＺ０）ａｎｄ（ＫＤｉｓＰＳ）
Ｉｆ（ｅｉｓＰＭ）ａｎｄ（ｅ。ｉｓＮＭ）ｔｈｅｎ（ＫＰｉＳＰＭ）ａｎｄ（Ｋ
Ｔ
ｉｓＰＳ）ａｎｄ（ＫＤｉＳＰＳ）
Ｉｆ（ｅｉｓＰＢ）ｔｈｅｎ（Ｋ。ｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＫＩｉｓＺＯ）ａｎｄ（Ｋｎｉｓ
ＰＳ）
王辚等：基于ＭＡＴＬＡＢ的自整定模糊ＰＩＤ控制系统
７５
２．２基于ＭＡＴＬＡＢ的模糊控制器
在ＭＡＴＬＡＢ命令窗口运行Ｆｕｚｚｙ函数进入模糊编辑器，并建立一个新的ＦＩＳ文件，选择控制器类Ｍａｍｄａｎｉ型，根据上面的分析分别输入ｅ．ｅ。、ＫＰ、Ｋｌ、和ＫＤ的隶属函数和量化区间，以Ｉｆ．．?ｔｈｅｎ的形式输人模糊控制规则。取与（ａｎｄ）的方法为ｍｉｎ，或（ｏｒ）的方法为ｍａｘ，推理（ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ）的方法为ｒａｉｎ，合成（ａｇｇｒｅｇａｔｉｎ）的方法为ｒｆｌａｘ，非模糊化（ｄｅ－ｆｕｚｚｉｆｉｃａｔｉｏｎ）的方法为重心平均（ｃｅｎｔｒｏｉｄ）。这样就建立了一个ＦＩＳ系统文件，取名为ｆ．ｆｉｓ。在ＭＡＴ－ＬＡＢ文件编辑器里建立一个名为ｆｐｉｄ．ｍ的文件，其内容为：ｍａｔｒｉｘ＝ｒｅａｄｉｆｓ（７ｆ．ｆｉｓ７）。这样就完成了模糊工具箱同ＳＩＭＵＬＩＮＫ的链接，为整个控制系统的建立打下了基础［７￣８］。
２．３
ＰＩＤ控制器的确立
本系统中的ＰＩＤ控制器有５个输入量：Ｐ、％、
ＫＰ、Ｋ?和‰，而输出即为控制量Ｕ（咒），它的控制算
法为：
Ｕ（ｎ）一
，
一，Ｐ１
Ｔ
ＫＰ｛Ｐ（咒）＋≠∑Ｐ（ｉ）＋等［Ｐ（竹）一Ｐ（ｎ一１）］｝一
、
一１
ｚ＝０
‘
’
．ｎ．－一－１
Ｋｐｅ（ｎ）＋ＫＩ∑Ｐ（ｉ）＋Ｋｐ［Ｐ（咒）一ｅ（ｎ一１）］
ｉ；０
（１）
式中，Ｕ（，ｚ）、Ｐ（以）分别为第咒个采样时刻控制器输出（控制量）和输入量（偏差信号）；Ｋ，为比例增益；正、ＴＤ分别为积分、微分时间常数；Ｔ为采样周期；
个
个
ＫＩ＝ＫＰ≠，ＫＤ＝ＫＰ下ＩＤ。根据以上数学模糊，在
Ｊ
Ｉ
上
ＳＩＭＵＬＩＮＫ里面很容易建立起ＰＩＤ控制器模型［９］。
３
仿真验证［１０］
首先在ＳＩＭＵＬＩＮＫ的菜单中，选择Ｆｕｚｚｙ
Ｌｏｇ—
ｉｃ
Ｔｏｏｌｂｏｘ中的Ｆｕｚｚｙ
ｌｏｇｉｃ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ模块，并键入
名字ｍａｔｒｉｘ。然后在这基础之上，加上量化因子
Ｋ。、Ｋ…ＵＰ、Ｕｌ和％。这样，符合要求的模糊控制器
便建立起来了。模糊控制器和ＰＩＤ控制器的结构如图３、图４所示。
显然，量化因子Ｋ。Ｋ。将ｅ和ｅ。量化为（一３，３）上的模糊量，经模糊控制规则动态处理，成为（Ｏ，３）
上的模糊控制量，经量化因子坼、ＵｈＵＤ将其精确
化，便可得到ＰＩＤ控制器的控制参量Ｋｒ、Ｋ。和ＫＤ。
将模糊控制器和ＰＩＤ控制器分别打包后连在一起便构成了期望的复合控制器，再将二者打包、封装便可得图５所示的自适应模糊ＰＩＤ控制器。
图３模糊控制器
图４ＰＩＤ控制器
１一Ｐ
ｅ墨
Ｌ－．
吒
ｈ丘“盖．
。Ｌ
墨
ｒ
（ａ）自适应模糊ＰＩＤ控制器
Ｃｌｏｃｋ
ＴｏＷｏｒｋｓｐＡｅｅ２
（ｂ）自适应模糊ＰＩＤ控制器系统
图５自适应模糊Ｐ１Ｄ控制器
在ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境中利用鼠标器将相应的模块拖到窗口中，连接后便得到整个控制系统的模型，可以根据输出结果来判断本控制器的性能。我们选择被控对象的传递函数为：
门㈨～２０．一
“ｕ７—１．６５２＋４．４ｓ＋１
然后按ＳＩＭＵＬｌＮＫ仿真的正确步骤选择计算步长、模拟示波器ｘ／Ｙ轴参数等进行仿真运算。
系统运行后，可以利用示波器观察输出的情况。
７６探测与控制学报
下面给出了原系统、ＰＩＤ控制系统、自适应模糊ＰＩＤ参考文献：控制系统的对比响应曲线如图６．
１．４
Ｉ．２
１．０
０．８＾
０．６
０．４
０．２
Ｏ．０＿。ｌ’Ｙ＇”＿｝“｝
孝Ｎ蠡嘉廓蒜…
～■一Ｉ自遁卓Ｐ叫■一ｌｆ■基
ｆ
０ｌ２３４５６７８９ｌＯ
讹
图６三种控制系统的响应曲线对比
４结论
本文利用ＭＡＴＬＡＢ的ＳＩＭＵＬＩＮＫ工具箱辅助设计了参数自整定的模糊ＰＩＤ控制系统。仿真结果表明：采用Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ复合控制的算法，系统的响应速度加快、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，这是单纯的ＰＩＤ控制难以实现的。它的一个显著特点就是在同样精度要求下，系统的过渡时间变短，这在实际的过程控制中将有重大的意义。［１］李士勇．模糊控制、神经控制和智能控制论［Ｍ］．哈尔滨。
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《探测与控制学报》是由中国兵工学会、西安机电信息研究所、机电工程与控制国家级重点实验室联合主办的一个国内武器工业类中文核心期刊。本刊１９７９年创刊以来，共出版发行了１００多期，不仅在国内产生了较大的影响，而且在国外也有一定的影响，已经成为国内引信及相关探测与控制领域内不可缺少的一块学术园地。为了推动引信技术及其相关探测与控制技术的发展，进一步扩大我刊学术交流的范围，加快论文发表周期，从２００５年开始，由季刊变更为双月刊出版发行．
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基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统
作者：王辚， 张科， WANG Lin， ZHANG Ke
作者单位：西北工业大学航天学院,陕西,西安,710072
刊名：
探测与控制学报
英文刊名：JOURNAL OF DETECTION & CONTROL
年，卷(期)：2008，30(2)
引用次数：1次
参考文献(10条)
1.李士勇模糊控制、神经控制和智能控制论 1998
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6.王亚刚.邵惠鹤一种基于InTouch、VisuaI C＋＋和Matlab的控制软件实现[期刊论文]-计算机工程 1999(5)
7.姜楠.姜艳姝参数自整定模糊PID控制器在转矩流变仪系统的应用研究[期刊论文]-自动化技术与应用 2006(11)
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9.纪友芳.林美娜模糊PID复合智能控制参数自整定研究[期刊论文]-微计算机应用 2007(8)
10.刘金琨先进PID控制及其MATLAB仿真 2003
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引证文献(1条)
1.郑海波.黄通情.连明琴基于MATLAB模拟RC电路的暂态过程[期刊论文]-中国新通信 2008(23)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/bf2324466.html,/Periodical_tcykzxb200802018.aspx
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