模糊控制与PID控制在自动化控制中的应用

电子质量（２０１２第０２期）　ＰＩＤ　ｓ模糊控制相结合的智能温度控制系统　

２系统控制方案　以确保系统的控制精度。　

在该系统中，对输入偏差和偏差变化率采用模糊化处　

理，通过查看模糊规则表得到对ＰＩＤ控制参数进行整定的　

方法，从而来设计Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制模块ｌ　２ｌ，再结合该系统的　

实际控制情况，利用经验参数最大输出七一和最小输出丘　

与Ｆｕｚｚｙ—ＰＩＤ控制模块进行对比，通过分阶段控制的方法　

来实现控制算法。　

２．１模糊控制思想实现方法　

图２所示为系统模糊控制结构图。其中，Ｅ和△Ｅ是　

经过模糊量化后得到的ｅ和△ｅ的量化输入，而Ｕ是模糊　

控制算法得出的模糊控制输出量，ｕ经过模糊量化得到实　

际输出ｄ３１。　

图２系统模糊控制结构图　

对于单变量温度控制系统，模糊控制器由两个输入变　

量和两个输出变量构成，输入变量分别为温度误差Ｅ和误　

差变化率△Ｅ，误差Ｅ的取值为ＮＢ、ＮＳ、Ｏ、ＰＳ、ＰＢ，误差变　

化率△Ｅ的取值为ＮＢ、ＮＳ、Ｏ、ＰＳ、ＰＢ，输出语言变量为　

ＰＩＤ整定参数　和Ｋ，它的取值为Ｏ、ＰＳ、ＰＭ、ＰＢ。系统的　

模糊规则如表１所示。　

表１系统的模糊规则　

Ｅ　ＮＢ　ＮＳ　０　ＰＳ　ＰＢ　

ＮＢ　０　ＰＭ　ＰＭ　ＰＢ　ＰＢ　ＮＳ　０　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ　ＰＢ　△Ｅ　０　０　Ｏ　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ　

ＰＳ　０　０　０　ＰＳ　ＰＭ　

ＰＢ　０　０　０　０　ＰＳ　Ｅ　Ｋ　ＮＢ　ＮＳ　０　ＰＳ　ＰＢ　

ＮＢ　０　ＮＭ　ＮＭ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＳ　Ｏ　ＮＳ　ＮＭ　ＮＢ　ＮＢ　△Ｅ　Ｏ　０　０　ＮＳ　ＮＭ　ＮＢ　

ＰＳ　０　Ｏ　０　ＮＳ　ＮＭ　

ＰＢ　０　０　０　Ｏ　ＮＳ　

当温度误差Ｅ为最大（ＰＢ１，温度误差变化率△Ｅ为最　

小时，系统全功率加热；当Ｅ为Ｎ时，系统停止加热；当Ｅ　

为ＰＢ时，△Ｅ也为ＰＢ，即系统的温度不高，但系统的温度　

上升很快，为防止系统温度的超调，采用较小功率加热。另　

外，当控制温度达到设定温度时，理论上，系统应该停止加　

’　２００８年第４期　桂林航天工业高等专科学校学报　（总第５２期）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＩＬＩＮ　ＣＯＬＬＥＧＥ　ＯＦ　ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ机电技术应用　

模糊ＰＩＤ控制在单容水箱中的应用　

罗文军　ｌ１　彭辉　

，１　中南大学信息科学与工程学院，湖南　长沙４１００８３　、　＼２桂林航天工业高等专科学校机械工程系，广西桂林５４１００４，　

摘　要随着工业的发展，液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。论文以单容水箱液位为研究对象提出了一　

种智能控制算法——模糊ＰＩＤ控制算法。实验结果表明，采用模糊ＰＩＤ控制器后。控制系统的响应速度加　

快，超调量减小，过渡过程时间大大缩短，振荡次数少，具有较强的适应性和良好的稳定性。　

关键词　液位控制；模糊ＰＩＤ控制；单容水箱　

中图分类号：ＴＰ２７３．４　文献标志码：Ａ　文章编号：ｌＯＯ９一ｌｏ３３（２ｏｏ８）ｏ４—０Ｏ５５一ｏ３　

液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不　

容忽视。单容液位控制系统具有非线性、滞后、耦合等特征，　

能够很好地模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的　

ＰＩＤ控制由于采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参　

数变化和工作条件变化，得不到理想效果。模糊控制具有对　

参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但控制精度不太理想。　

如果将模糊控制和传统的ＰＩＤ控制两者结合，用模糊控制理　

论来整定ＰＩＤ控制器的比例、积分、微分系数，就能更好地适　

应控制系统的参数变化和工作条件的变化。　

１　单容水箱液位控制系统　

单容水箱液位控制系统是一个过程计算机控制系统，　

实验平台由电控箱、液位控制系统本体以及ＡＤ／ＤＡ数据　

采集卡和ＰＣ机组成，整个系统的控制均由计算机实现。　

计算机通过控制调节器设定液位，经Ｄ／Ａ转换输出到电磁　

阀，电磁阀通过接收到的信号直接对容柱进行控制。单容　液位控制系统本体由泵、阀门、液位传感器、水柱、水箱构　

成，如图１所示：　

模糊控制与PID控制的比较

自20世纪60年代中期起，模糊控制逐渐崭露头角，其优越性也引起了人们的关注。除了模糊控制，当今热门的控制算法之一是PID控制。那么，模糊控制与PID控制之间的区别是什么呢？它们各自的优缺点是什么？在特定的应用场合下，哪种控制算法更适用？

一、模糊控制概述

模糊控制是一种无需准确模型或参数即可执行复杂控制系统的方法，它仅使用模糊逻辑来描述输入和输出之间的关系。模糊控制系统的输入和输出都是模糊变量。与其他控制方法相比，模糊控制系统可以更好地处理不确定性和模糊性，具有更强的容错能力和适应性。

模糊控制系统由四个主要组成部分组成：模糊化、模糊推理、解模糊化和规则库。模糊化部分将传感器输出信号转换为模糊变量，模糊推理部分使用模糊逻辑基于模糊规则将模糊变量转换为控制信号，解模糊化部分将控制信号转换为精确的控制信号，规则库存储了模糊规则及其权重。

二、PID控制概述

比例积分微分（PID）控制是一种经典的控制算法，其控制草图由三个部分组成。比例项（P）根据当前误差大小进行输出，积分项（I）可以消除稳态误差，微分项（D）可以提高系统的稳定性并抑制系统的震荡。 PID控制器的设计基于系统的数学模型，在许多应用中，这个模型是已知的。在这些情况下，PID控制器可以通过调整不同部分的增益以进行优化。

三、模糊控制与PID控制的对比

1. 精度

PID控制器可以实现非常高的精度，特别是在恒定环境下，模糊控制器具有更高的容错能力和适应性，而且围绕控制正常的范围内快速做出反应。

2. 调节

PID调节通常是更容易实现的PLC控制器中自动化开发环境的系统。

Fuzzy可能更多地需要手动调整和对规则进行逐步精细的训练，但它也可以被训练自动化。

3. 适应性

模糊控制器的好处是可以轻松地处理不确定性和模糊性，因此可以应对复杂环境。PID控制器则对不确定性和模糊性更加敏感，而且会因不确定性的变化而导致过度响应或不足响应的问题。

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基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究

作者：郝少杰 方康玲

来源：《现代电子技术》2011年第07期

摘要：工业温度控制系统具有非线性、时变性和滞后性等特性，严重影响温度控制的快速性和准确性，为了解决常规PID参数调节在温度控制中适应性差，调节效果不理想的问题，这里采用了模糊PID参数自整定控制方法，用模糊控制规则时PID参数进行修改。利用Matlab的simulink仿真工具箱做了常规PID与模糊PID的仿真对比试验。仿真结果表明，模糊PID参数自整定控制效果在超调量和调节时间上都小于常规PID，提高系统快速性和准确性，改善了温度系统动态性能。

关键词：温度控制；Matlab仿真；模糊规则；PID