基于模糊PID技术的控制器研究

本文由：北京期刊网、原作论文网、58论文网、医学论文网、工程论文网，联合提供。1基于模糊PID技术的控制器研究作者姓名1，作者姓名2(1.作者单位正式对外名称，省份城市邮编；2.作者单位正式对外名称，省份城市邮编)摘要：文中通过对PID控制和模糊控制的原理和特点进行介绍，介绍了一种基于模糊PID控制器的模糊PID自整定控制方法，解决了工程机械多功能实验台在二次调节加载系统中的控制问题。在该PID控制的规划和设计过程中，对基于模糊PID技术的控制原理进行了详细说明，并对其中的模糊变量和隶属函数进行了明确，制定出合适的模糊规则和相应的推理和解模糊的具体方法。最后，对分别采用PID控制和模糊PID控制的试验台二次调节加载系统进行了模拟仿真，仿真结果表明，模糊PID控制器的校正效能良好，能够改变二次调节加载系统的动态响应，大幅提高控制器的控制效果。关键词：模糊PID控制器；二次调节；控制原理；Matlab仿真TheResearchofControllerBasedonthetechnologyoffuzzyPIDAbstract:nthispaper,throughthePIDcontrolandfuzzycontroltotheprincipleandcharacteristicsareintroduced,thispaperintroducesakindoffuzzyPIDcontrollerbasedonthefuzzyPIDcontrolmethodauto-tuning,solvethemulti-functionequipmentengineeringmachineryinthesecondaryadjustingtheloadingsystemcontrolproblem.InthePIDcontrolofplanninganddesignprocess,basedonthefuzzyPIDtechnologyforthecontrolprincipleofadetailedillustration,andthefuzzyvariablesandmembershipfunctionsoftheclear,tomakeoutproperfuzzyrulesandthecorrespondingspecificmethodsoffuzzyreasoningreconciliation.Finally,thePIDcontrolandfuzzyrespectivelyofPIDcontroltestrigsecondaryadjustingloadingsystemsimulation,thesimulationresultsshowthatthefuzzyPIDcontrollercalibrationperformanceisgood,canchangethesecondaryadjustingloadingthedynamicresponseofthesystemandincreasethecontrollercontroleffect.Keywords:FuzzyPIDcontroller;Secondaryregulation;CheckTaiwan;Matlabsimulation1、引言国内某大学研制的多功能机械试验台，可以对多种工程机械装置进行综合试验和悬挂，用户对机械的牵引和其他加载性能进行深入研究，在试验台上，其牵引的液压系统主要采用二次调节系统进行加载。根据机械控制理论可知，采用二次调节理论的二次调节加载系统的本文由：北京期刊网、原作论文网、58论文网、医学论文网、工程论文网，联合提供。2特性为：非线性和时变性。基于该理论，要想得到精度较高的数学模型并不容易。如果采用传统的控制方法，则难以满足系统对控制精度的要求，且抵抗干扰的能力也较差。而利用模糊技术则可以克服该问题。此外，如果采用常规的PID控制器，虽然实现起来比较简单，但是这种采用固定不变的PID参数的控制方法，难以使用多变的参数情况，且会对系统产生干扰，难以获得比较满意的系统控制效果。更糟糕的是，如果参数的变化范围较大，就会导致系统性能变差。所以，将模糊控制和PID控制的优点和缺陷进行综合考虑，把PID控制和模糊控制柜相结合，就可以构成基于模糊PID技术的控制器，从而实现对系统的理想控制效果[8][10][11]。2、PID控制的基本原理PID控制技术的一个特点就是：只需要对控制参数进行适度的调整，就可以得到令人满意的控制结果，这些参数主要为：PK、tK和DK，分别表示比例参数、积分参数和微分参数。通常，基于PID技术的控制系统主要包括：PID控制器和被控对象，可以把PID控制器看成是一种线性控制器。这样，就可以根据预先设定的目标期望值()rt和实际输出值()yt，得到整个系统的控制差值()et，在将此差值进行积分和微分的比例化处理，通过线性组合来构成控制量，最终实现对受控对象的有效控制。根据该思想，对控制器进行控制的方程可以表示为：()()()etrtyt(1)而控制器的时域输出的方程()ut则可以表示为：()()()()pIDdetutKetKetdtKdt(2)在控制系统的设计过程中，对PID控制器的参数整定可以看成是整个系统的核心。对这些参数进行整定的目的，就是要使控制器特性和被控对象能够很好地配合，从而实现最佳的控制效果。在传统的PID控制系统中个，只能利用固定的参数进行系统控制，而这种系统的缺陷就是，不能够兼顾系统动态性能和静态性能之间、设定值和抑制扰动之间的矛盾。所以，就需要在系统中采用智能控制体系，这样就可以在PID初值的基础上通过增加参数修正来进行整定，从而改善系统的动态和静态性能。从上式(2)中可以看出，对该式中各项系数的调整，任何变换都只会影响到所对应项的系数变化。利用这种控制线性叠加原理，就可以给系统的控制带来便利。当被控对象的参数有所变化时，就可以通过对控制器相应参数的调整来对其进行校正，这样，就可以得到令人满意的效果。所以，该算法的计算量较小，原理简单，且控制过程比较准确[1]。但是，任何的PID控制器都需要有与之相配套的数据模型，如果该数学模型不够准确和合理，就会降低控制器的性能。所以，针对这种情况，文中采用将模糊控制和模糊PID相结合的方法来提高控制器的性能和准确性。3、模糊控制原理简介现在，自动控制系统的被控对象越来越复杂，主要的表现就是控制系统的多输入和多输出具有较强的耦合特性，参数的变化为时变和非线性的组合，更严重的是，能够获得的系统本文由：北京期刊网、原作论文网、58论文网、医学论文网、工程论文网，联合提供。3信息量也越来越少，在这种情况下，人们对控制性能的要求确实越来越高。在控制理论中，如果将人们的手动控制经验通过语言来进行描述，就可以形成一系列的条件语句，也就是系统的控制规则，通过这些控制规则，再利用模糊理论、语言变量和逻辑推理，就可以将模糊控制的规则表示为精准的数值计算过程，然后通过计算机来对这些控制规则进行准确实现。这样，就可以通过现代化的设备来模拟人对被控对象的自动控制，这也是实现模糊控制的基本思想。通常，一般的模糊控制系统的组成部分主要有：模糊数据、规则库、模糊器、模糊推理机和解模糊器等。将模糊控制系统用于对对系统的控制时就可以称为模糊控制器[2]。跟传统的闭环控制系统的不同之处，就在于模糊控制系统利用模糊控制器来代替模拟式控制器，这里所提的模糊控制器的结构如下图中所示。数据库规则库模糊器模糊推理机解模糊器模糊控制器输入量控制量图1、模糊控制器结构图利用模糊控制系统实现模糊控制的过程主要包括：模糊化、模糊的逻辑推理和解模糊判断等几个步骤。这些步骤主要通过模糊控制器的模糊器、模糊推理机和解模糊器来完成和实现。研究结果表明，模糊系统的性能的高低主要取决于模糊控制器的结构、规则、推理算法和模糊决策中所采用的方法等[3]。4、模糊PID控制器设计4.1模糊PID控制器介绍在系统的控制过程中，模糊自整定PID控制器可以将误差e和误差变化率e作为输出，而将其参数PK、IK、DK作为系统输入。将误差e和误差变化率e作为系统给的输出，就可以通过不同时刻误差e和误差变化率e来对PID参数进行自整定。利用模糊控制的规则来对PID控制器的参数进行修改，即构成了模糊自整定的PID控制器[4][5]。该系统主要部件为标准PID控制器和模糊参数调节器。该控制器的控制目标为：使得被控对象的输出值()yt能本文由：北京期刊网、原作论文网、58论文网、医学论文网、工程论文网，联合提供。4够达到指定的阈值R，PID控制器可以根据闭环误差()()etRyt所产生的控制信号()ut，来对模糊参数调节器的参数进行调节。在控制器的实现过程中，为了能够大幅提高系统的相应速度，可以对原来的控制器进行改进，得到改进的模糊控制器。在原来的控制器中，主要包括3个可调节的参数，即PK、IK、DK等，而改进后的控制器则控制的是三个参数PK、IK、DK的增量，也就是PK、IK、DK等，这三个变量的一般变化比较小，所以需要的计算量也就比PK、IK、DK要少得多。在实现的过程中，可以在原来的模糊控制器后面加一个保留器，可以将上次的PK、IK、DK的值'PK、'IK、'DK进行保留，这样，就可以加上模糊控制器的输出值，用于实现对被控对象的控制。当然，对保留器中初值的设定可以根据经验来完成，这样，模糊控制器就变为误差e和误差的变化率为输入量，而将PK、IK、DK作为输出量。4.2语言变量确定在模糊控制器中将偏差e和偏差变化率e作为语言变量进行输入，对应的，将PK、IK、DK作为输出的语言变量。可以将基本的论域范围内的连续变化的量进行分级离散化，然后再进行模糊化处理。假设二次元件的速度偏差e和偏差变化率e变化范围为[-3,3]，如果不处于该区间，可以利用现行变换公式将其取值在[a,b]之间的连续变量转换到区间[-3,3]之内，该现行变换公式为:62abyxba4.3隶属函数明确对模糊状态中隶属函数的选择可以为三角形、对称梯形、正态型等。其中，有三角形隶属函数的形状仅仅和其直线的斜率相关，且运算过程相对简单，所以占用的内存空间也比较小，所以，三角形的隶属函数更适用于有隶属函数在线调整的模糊控制过程。在实际的应用中，隶属函数的形状对控制效果的影响不大，但是，每个模糊子集对整个论域覆盖范围的大小则对控制效果的影响比较大。所以，可以将偏差e和偏差变化率e通过相同的隶属函数来表示，而也可以PK、IK、DK采用相同的隶属函数。这样，就可以确定e、e和PK、IK、DK的隶属度赋值表。本文由：北京期刊网、原作论文网、58论文网、医学论文网、工程论文网，联合提供。54.4模糊规则简介作为模糊控制理论和控制器的核心内容，控制规则应该根据经验和直觉进行推理，可以将已经成功的控制策略经过整理、加工和提炼以后，并通过输入、输出变量的模糊状态进行描述。在文献[6]中，对二次元件在被控过程中的对于不同的e和e，输出变量PK、IK、DK的自整定原则进行了总结和归纳，并对模糊控制的规则进行了详细规定，具体规则为：(1)、在启动或者停止运行二次元件的过程中，二次元件的输出转速偏差e一般都比较大，所以，为了能够加快系统的响应速度，可以将PK设置为较大的值，同时，还考虑到在启动时偏差e的瞬间变大所引起的微分饱问题，为了避免控制作用超出许可的范围，可以将DK设置为中等大小的值；而为了避免二次元件的转速出现较大的超调和积分饱和，通产的做法的限制积分的作用，即将IK的值设置为0，也即0IK。(2)、在二次元件能够正常运行以后，即偏差e和偏差变化率e的值为中等大小时，为了二次元件的转速超调分为较小，应该将PK的值设置小一些；而IK的值应该适当，这时，DK的取值大小就会系统的响应产生较大的影响，所以，也应该取值适中，以保证系统具有较快的相应速度。(3)、在二次元件的转速基本上恒定的情况下，速度的偏差e的值比较小，为了使系统具有较好的稳定性能，应该增