自适应模糊PID控制器的设计与仿真

毕业论文(设计)

题 目 自适应模糊PID控制器的设计与仿真

学生姓名 ******* 学 号 *******

院 系 ******* 专 业 电气工程与自动化

指导教师 *******

二Ｏ一一年五月二十五日

I 目 录

1引言 ............................................................. 1

1.1 PID简介 .................................................... 1

1.2 模糊控制简介 ................................................ 2

1.3 本文研究的目的和意义 ........................................ 2

1.4 本文的内容与安排 ............................................ 3

2国内外现状 ....................................................... 3

3 MATLAB工具箱简介 ................................................ 4

3.1 MATLAB 系统的应用 ........................................... 4

3.2 Simlulink工具箱 ............................................ 4

3.3 模糊逻辑工具箱 .............................................. 5

3.4 MATLAB环境下的SIMULINK的应用 .............................. 5

3.4.1 MATLAB 环境中启动SIMULINK 的方法....................... 5

3.4.2打开SIMULINK 模型窗口的方法 ............................ 5

3.4.3 SIMULINK 仿真基本步骤 ................................. 5

4自适应模糊PID控制器的设计 ....................................... 6

4.1 自适应模糊PID控制器的性能要求 .............................. 6

4.2 PID控制的理论基础 .......................................... 6

4.3 模糊控制原理 ................................................ 9

4.4 模糊PID控制系统结构及原理 ................................. 10

4.5 PID控制器参数自整定原则 ................................... 10

4.6 各变量隶属度函数的确定 ..................................... 11

II 4.7 建立模糊规则表 ............................................. 13

5 利用MATLAB对模糊PID控制系统进行仿真 ........................... 18

5.1建立系统结构仿真框图 ....................................... 18

5.2 仿真结果分析 ............................................... 19

6结论 ............................................................ 22

参考文献 .......................................................... 23

ABSTRACT .......................................................... 25

致 谢 ............................................................. 26

附 录 ............................................................ 27

1 自适应模糊PID控制器的设计与仿真

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摘要：本文在参数自适应模糊PID控制器的基础上，利用模糊推理的方法实现了对PID参数的在线自动整定，并且在MATLAB软件下将该控制器在某系统中的应用进行了研究，仿真结果表明，参数自适应模糊PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有较大的参考价值。

关键词：自适应；PID控制器；模糊PID；MATLAB仿真

1引言

1.1 PID简介

PID，（Proportional Integral Derivative）控制是目前工业上应用最广泛深入的控制方法。多数控制回路都是应用该方法或在其基础上进行较小的变形来控制。PID调节器及其改进型是工业控制中最常见的控制器。虽然从20世纪初PID控制诞生以来，计算机技术和信息技术飞速发展，控制理论与控制技术取得了令人瞩目的成就，一些先进控制策略不断推出，但其基础的PID控制器以其结构的简单，对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得令人满意的控制性能，因此仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业控制中。 “特征建模”理论[4]的提出，第一次从理论上有力地论证了PID控制器得以广泛应用的理论依据，并且指出了PID控制器所具有的独特的优越性，它将是复杂系统智能控制的最基本最基础的一个子控制单元。

传统PID的主要缺陷包括：（1）当自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。(2)如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。(3)PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。如此广泛应用的PID控制器但同时又有如此多的控制器因为控制器本身设计的局限,未能达到用户要求，这给控制理论研究和控制理论应用于实际带来了前所未有的挑战和机遇。

2 1.2 模糊控制简介

模糊控制是建立在人工经验基础上的。对于一个熟练的操作人员，他往往凭借丰富的实践经验，采取适当的对策来的控制一个复杂过程。若能将这些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，就会得到一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数字将其定量化，就转化为模糊控制算法，从而形成模糊控制理论。

模糊控制尚无统一的定义。从广义上，可将模糊控制定义为：“以模糊集合理论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一类控制方法”，或定义为：“采用模糊集合理论和模糊逻辑，并同传统的控制理论相结合，模拟人的思维方式，对难以建立数学模型的对象实施的一种控制方法”。

模糊控制具有一些明显的特点：

(1) 模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无需知道被控对象的数学模型。

(2) 模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。

(3) 模糊控制易于被人们接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示的。

(4) 鲁棒性和适应性好。

普通模糊控制器的主要缺陷是：普通模糊控制器相当于PD（比例微分）控制器，对输入量的处理是离散的，而且没有积分环节，所以本身无法消除系统的稳态误差。

1.3 本文研究的目的和意义

在工业生产过程中，许多被控对象受负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数或结构易发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识的模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量采用的仍然是PID算法。PID参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础[1][5]。

在工业过程控制中，PID控制是历史最悠久的，生命力最强的一种控制方式。它是迄今为止最通用的控制方法[1]。常规PID控制器结构简单，参数意义清晰明确，可靠性高，容易实现，稳态无静差，控制精度高，能满足大工业过程的要求。然而在生产现场中, 大多数工业过程不同程度的存在非线性、大滞后、参数时变性和模型不确定性，因此常规PID参数整定方法繁杂，其参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的整定性差。而模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服传统PID控制器的缺点，人们将模糊控制与PID控制器结合起来，扬长避短，研究出了多种模糊PID控制器。

随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数，这样就出现了专家PID控制器。该控制器把古典的PID控制与先进的专家系统相结合，实现系统的最佳控制。这种控制方法必须精确地确定对象模型，将操作人员（专家）长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，并运用推理对PID参数实现最佳调整。

由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量及评价指标不易定量表示，专家PID方法受到局限。模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、