传统PID控制与模糊控制方法的仿真比较研究

科技资讯科技资讯S I N &T NOLO GY I NFORM TI ON2008N O.07SCI EN CE &TECHN OLOG Y I NFOR M A TI O N高新技术传统PI D 控制是通过调整参数获得良好控制效果的,但参数整定值只具有一定局域性的优化值,全局控制效果不是很理想。

模糊控制器是近年来发展很快的一种新型控制器,它能方便地将专家的经验与推理输入计算机中,使计算机在控制时可以像人一样思考并解决问题,从而达到控制被控对象的目的。

本文利用M at l ab 仿真软件,分别将传统PI D 控制与模糊PI D 控制应用于交流伺服系统的控制中,并作了仿真比较研究。

1加入传统PI D 控制器的交流伺服电机系统的仿真对于交流伺服电机这一具有非线性、不确定性等特征的被控对象,我们可用近似的数学模型传递函数来表征系统在无转动惯量变化、无冲击和力矩干扰等情况下的系统的动态特性。

1.1程序法先用M at l ab 程序法,对该伺服电机系统进行传统PI D 控制模拟仿真,程序运行后结果为:加入传统PI D 控制器前后的幅值裕量分别为21.114(dB )和20.4876(dB ),相位裕量分别为18.3824度和63.5621度,最大超调量分别为59.0024%和20.5%;传统PI D 控制器加入前后的阶跃响应仿真曲线对比如图1所示。

1.2模块法为使传统PI D 控制产生更好的效果,可用模块法仿真加入传统PI D 控制器的伺服电机系统(即用M a t l ab/Si m ul i nk 的现成PI D 控制模块)中,仿真框图如图2所示。

在开关打到下面时,即接入PI D 控制器,在线根据经验反复调整PI D 控制器的kp 、kd 、ki 三个参数,当kp=7.6179,kd =0.1001,ki =144.868时,运行仿真得出的阶跃响应波形如图3所示,其控制效果的动态性能(调节时间t s =0.4s、超调量)比程序法好了不少,但控制精度还差些。

2加入模糊PI D 控制器的交流伺服电机系统的仿真利用M ATL AB 中的Si m ul i nk 和Fuz z y l ogi c t ool box 可以实现对该交流伺服电机系统加入模糊PI D 控制器的仿真。

基本的模糊控制系统结构如图4所示。

系统中的模糊控制器是两输入一输出的,其输入量是系统的偏差e 和偏差变化率ec,而这两个量具有确定的数值,是两个清晰量。

通过模糊化处理,得到模糊的偏差量E 以及模糊的偏差变化率E C 。

其中模糊的偏差量E 语言值集合有八种取值,分别是NB(负大)、NM (负中)、NS (负小)、NO(副零)、PO(正零)、PS(正小)、PM (正中)、PB(正大)。

模糊的偏差变化率EC 的语言值集合有七种取值,分别是NB(负大)、NM (负中)、NS (负小)、Z O(零)、PS (正小)、PM (正中)、PB(正大)。

语言规则模块是模糊控制器的核心部分,它是一个规则库,根据这些规则进行模糊推理得到一个模糊集,即模糊控制量U,再通过清晰环节,将其转化为清晰的数字控制量,达到控制的目的。

在该交流伺服系统中E 、EC 和U 的隶属函数均采用三角函数,其隶属度函数如图5～图7所示。

在模糊规则控制器中编辑模糊控制规则,不同的模糊控制器一般有不同的模糊控制规则,因为模糊控制规则实质上是将操作员的控制经验加以总结而得出一条条模糊条件语句传统PI D 控制与模糊控制方法的仿真比较研究戴冬梅刘正生(扬州大学物理科学与技术学院江苏扬州225002)摘要:利用了M at l ab 仿真软件,分别将传统PI D 控制与模糊PI D 控制应用于交流伺服系统的控制中,并作了比较研究。

仿真实验的结果表明,采用模糊PI D 控制器的系统能克服传统PI D 控制器的局限性,具有较高的控制精度,较好的动态品质,较强的鲁棒性。

关键词:M at l ab Si m ul i nk 仿真PI D 控制模糊控制中图分类号:TP391.4文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2008)03(a )-0008-02图1传统PI D 控制器加入前后阶跃响应曲线对比图2加入PI D控制器的系统仿真框图图3调用库I D控制器的阶跃响应波形图图5变量的隶属函数图4基本的模糊控制系统结构图6变量e c的隶属函数表1模糊控制规则表图7变量U的隶属函数图模糊I D 控制仿真结果(下转页)8C E CE ECH A P e 9P 11科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON 2008NO .07SC I ENCE &TECH NO LOG Y I NFOR M A TI O N 高新技术结果。

第二数据是同时用减少取样量的方法显色,萃取后,由第一条校准曲线求得到,用来对照评定扩展曲线法测定值的可靠性。

为提高统计检验效果,本次实验采用配对比较t 检验法[2]进行了两种方法的比较。

计算结果为:式中:di 为—减少取样量法测定值与扩展曲线法测定值的对应差值;—为差值的平均值;—为分别为差值的标准偏差和标准误差;n —为配对数。

检验结果表明,扩展曲线测定值与减少取样量法测定值之间不存在显著差异,测定法的波动是由偶然因素造成的。

(3)重新取样测定是水样经过全部分析过程后,发现测定值超过检测上限时采取的补救办法,这一做法有两大缺点:一是工作量太大,尤其是那些操作手续较复杂的分析项目,测定一个样品从头至尾,重复操作两遍,工作量是相当大的。

二是水样中被测成份不稳定,测得数据会有很大变化。

例如水中酚含量的测定,据常规实践,如第一次测定失败,再做第二次测定,酚含量将大为减少,测得的数据根本没有代表意义。

因此,这种方法在实际上是行不通的。

(4)稀释倍数法虽然工作量及操作难度比较小,但由于稀释后测定条件发生了变化,由于原校准曲线求出的测定值可靠性较差。

表6中的数据是用减少取样量法和稀释倍数法取得的。

仍用配对比较法进行大检验,检验结果如下结果表明:两种方法测定值有非常显著的差异,说明稀释倍数法测定结果存在明显的系统误差,不能应用。

4结语通过对比实验,扩展曲线法优于重新取样法和稀释倍数法,克服了重新取样法,稀释倍数法所存在的弊端,解决了环境样品中被测成份波动性大和不稳定等因素给测定工作造成的技术困难,且能简化测定手续,提高测定准确度。

经多项实验,该方法适用所有采用校准曲线法定量的分析项目。

参考文献[1]国家环保局.水和废水监测分析方法.编委会水和废水监测分析方法(第三版),中国环境科学出版社,1989:70,411.[2]四川省环境科学会编,环境监测常用数理统计方法,四川科学出版社,1983:44～45.的集合,确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够是系统输出响应动、静态的特性达到最佳。

此伺服系统的模糊控制规则表如表1所示。

据此规则表按I f …,a nd …,t he n 的形式在模糊规则编辑器中编写控制规则,将模糊PI D 控制器仿真模型中的Fuzz y Logi c C ont r ol -l e r 的参数设定,其目的是使参数K p 、K i 、K d 随着e 和ec 的变化而自行调整。

设置好系统模型后,根据被控对象的模型并采用合适的采样周期以后,可以离线地找到一组合适的参数kp 、ki 、kd,使系统基本接近最佳工况。

再将工作区中的FI S 结构与模糊控制器连接起来,仿真框图如图8所示。

运行该仿真系统,仿真结果阶跃响应曲线如图9所示。

仿真结果表明,采用此模糊PI D 控制,系统具有良好的动态指标,响应快,无超调,上升时间少;良好的稳态指标,无震荡,无稳态误差;能解决传统PI D 控制参数造成的局限性,具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。

3模糊P I D 控制器与传统PID 控制器比较从交流伺服电机系统的控制仿真可以看出,与传统PI D 控制系统相比,采用此模糊PI D 控制有以下优点:(1)模糊控制的动态品质优于传统PI D 控制,系统的精度也大大提高。

(2)模糊控制更适应于缺乏精确数学模型的被控对象,其结构参数不很清楚或难以获得,只要求掌握操作人员或专家的经验及知识,可以离线地找到一组合适的参数k p 、ki 、k d ,使系统基本接近最佳工况。

(3)模糊控制是一种语言变量控制器,其控制规则只用语言变量的形式定性的表达,构成了被控对象的模糊模型。

在传统PI D 控制中,系统模型是用传递函数来描述的。

(4)模糊PI D 控制器能根据工况变化过程中偏差和偏差变化率自动进行PI D 参数调整,因而具有较好的自适应能力和鲁棒性。

从本质上说,这类模糊控制器可看作是一种复合PI D 控制器,或者变参数的PI D 控制器。

参考文献[1]电机工程手册编委.电机工程手册(电机卷)(第2版)[M ].机械工业出版社,1996.[2]冯国楠.现代伺服系统的分析与设计(第1版)[M ].北京机械工业出版社,1990.[3]刘金琨.先进PI D 控制及M ATLAB 仿真[M ].电子工业出版社,2003.[4]王磊,王为民.模糊控制理论及应用(第1版)[M ].北京国防工业出版社,1997.[5]张国良等.模糊控制及其M ATLAB 应用[M ].西安交通大学出版社,2002.图模糊I D 控制的伺服系统的S 仿真框图(上接8页)11C E CE ECH A 8P i m ul i nk。