1304201119基于模糊理论与常规的模糊PID控制方法研究

2016自动控制原理设计基与模糊理论与常规的模糊PID控制方法研究ResearchonfuzzyPIDcontrolmethodbasedonfuzzytheoryandfuzzytheory学生姓名:杨锦指导教师：李离2016自动控制原理设计I摘要传统PID控制是经典控制理论中的一种比例微分积分控制，是工业中应用最广泛的控制方法。但是随着社会和生产的发展，对自动控制的响应速度，系统稳定性和适应能力有了更高的要求。经典控制要求被控对象具有确定的，线性化的数学模型，但是具体实际被控对象都不同程度存在非线性，建模困难的特点，于是模糊控制由此产生。模糊控制技术是近代智能控制理论的新颖技术，通过模拟人的近似推理和判断过程，是控制算法的可控性、适应性和合理性提高。模糊控制的优点，如能有效减小系统超调量，提高系统的响应速度，缩短系统的调节时间，总体来说，大大增强了控制系统的动态性能。模糊控制作为一种相对较新的控制方法，它也能提供更多的发展空间。所选期刊给出了PID控制器、模糊控制器、自适应PID模糊控制的基本原理和设计方法，通过仿真比较，得出了PID模糊控制比前两者具有更好的系统动态性能，控制品质指标优于传统PID以及模糊控制。关键词：模糊控制；PID控制；模糊PID控制2016自动控制原理设计IIAbstractThetraditionalPIDcontrolisaclassiccontrolintegralproportionaldifferentialcontroltheory,controlmethodisthemostwidelyusedinindustry.Butwiththedevelopmentofsocietyandproduction,theresponsespeed、stabilityandadaptabilityoftheautomaticcontrolsystemhavebeenrequiringhightincreasingly.Theclassicalcontrolrequirementsofthecontrolledobjectisdeterminedmathematicalmodellinear,buttheactualcontrolledobjectarenonlinearcharacteristics,difficultiesinmodeling,andfuzzycontrol.Theresultingfuzzycontroltechnologyisamodernnovelintelligentcontroltechnologytheory,theapproximatereasoningandjudgmentprocesssimulationofthepeople,isthecontrollabilityofcontrolalgorithm,improvetheadaptabilityandrationality.Theadvantagesoffuzzycontrolsuchas,caneffectivelyreducetheovershootandimprovetheresponsespeedofthesystem,shortentheadjustmenttime,overall,greatlyenhancingthedynamiccontrolsystemAsarelativelynewcontrolmethod,fuzzycontrolcanalsoprovidemoreroomfordevelopment.SelectedjournalsgivesthePIDcontroller,fuzzycontroller,fuzzyadaptivePIDcontrolbasicprincipleanddesignmethodof,bysimulationandcomparison,itisconcludedthatthePIDfuzzycontrolhasbetterdynamicperformancethantheprevioustwo,qualityindexisbetterthanthetraditionalPIDcontrolandfuzzycontrol.Keywords:Fuzzycontrol;PIDcontrol;FuzzyPIDcontrol2016自动控制原理设计III目录摘要.....................................................ⅠAbstract..................................................Ⅱ第一章绪论.....................................................11.1问题的提出......................................................11.2模糊控制的发展..................................................11.3报告的内容......................................................2第二章PID控制基本原理..........................................22.1PID控制简介.....................................................22.2PID控制器的优点和缺点...........................................42.3PID控制器的算法.................................................42.4PID参数的整定...................................................6第三章模糊PID控制器设计.......................................73.1模糊逻辑控制过程...............................................73.2输入变量和输出变量的确定........................................93.3论域的确定......................................................103.4解模糊方法.....................................................113.5模糊控制规则...................................................113.6模糊逻辑推理..................................................123.7量化因子及比例因子的选择.......................................18第四章系统的仿真.........................................194.1仿真工具.......................................................194.2模糊控制系统的仿真与分析......................................20结束语...................................................26参考文献...............................................,,27附录.....................................................282016自动控制原理设计1第一章绪论1.1问题的提出20世纪中叶以来，在科学技术与工业发展过程中，自动控制理论与技术发挥了巨大的作用，并取得了巨大的成就，是现代高新技术的重要手段之一。随着社会与生产的发展，对自动控制的响应速度、系统稳定性和适应能力有了更高的要求。传统控制要求被控对象具有确定的、线性化得数学模型，而实际被控对象都不同程度的存在非线性、建模困难的特点，因此传统控制理论和技术难以甚至无法实现对此类过程进行准确的控制，控制研究领域面临新的控制要求的挑战。要想精确的描述复杂现象和系统的实际物理状态，事实上是办不到的。上述情况迫使人们在控制系统的精确性与有意义之间可以某种平衡和折中，以使问题的描述具有意义。另一方面，人们注意到，对于很多复杂的、受多种因素影响的生产过程，即使不知道该过程的模型，有惊艳的操作人员也能根据长期的时间观察和操作经验进行有效的控制。人的经验参与控制过程的成功，激发了人们对控制原理的深入研究。这种原理是以能包含人类思维的控制方案为基础，能反映控制过程中人类的经验知识，并能用某种形式将可达的控制目的表达出来，同事还容易实现为目标设计的。这样的控制系统即能避免了那种精确、复杂的模型创造过程，又避免了需要精确估计模型方程中各种参数的过程，能让人们采用简单灵活的控制方式控制多变量、非线性、时变的系统。于是人们开始思考：能否把人的操作经验总结为若干控制规则，并设计一个装置去执行这些规则，从而对系统进行有效的控制？模糊控制理论与技术由此产生。1.2模糊控制的发展模糊控制理论由扎德在20世纪60年代提出，他认为经典控制理论过于强调精确性而无法应用于复杂系统，“在处理生物系统时，需要一种车不同的数学-----关于模糊量的数学，该数学不能用概率分布来阐述”。基于模糊集概念和模糊理论，扎德于1973年开发开创性论文《分析复杂系统和决策过程中新方法纲要》，该文建立了研究模糊控制的基础理论，在引入语言变量的基础上，提出用IF-THEN规则量化人类知识。这一时期一个重大成果是诞生了处理实际系统的模糊控制器。马丹尼和阿西利安于1975年创立的模糊控制器的基本结构，并将其2016自动控制原理设计2应用于蒸汽机的控制，发表了文章《带有模糊逻辑控制器的语言合成实验》。1978年，霍尔布赖德和奥斯特加德开发的第一个工业模糊控制器---------模糊水泥窑控制器。1980年，日本工程师关野采用模糊控制应用于富士电子水净化厂。1987年日本各种家电的模糊控制产品相继研究成功并进入市场。目前，模糊控制理论应用到复杂系统、智能系统、人类与社会系统、自然系统。出现专业芯片硬件。1.3报告的内容第一章：绪论。本章介绍了PID控制在工业控制的主导地位，但PID控制在面对非线性、时变系统，或者无法建立明确数学模型时难以实现控制，引出了模糊控制理论，并介绍模糊控制理论的提出与发展。第二章介绍了传统PID控制，简述了PID控制原理，通过分析PID的优缺点，PID中Kp、KI、Kd参数的整定。第三章则详细的给出了模糊控制的理论基础介绍，有关论域、语言算子、隶属函数、模糊化与解模糊化等，为PID模糊控制设计做基础.第四章：仿真结果及分析。是在数学模型的基础上，以阶跃函数作为输入，对系统进行PID控制仿真，模糊控制仿真，和PID模糊控制仿真，比较和分析动态性能。结束语，参考文献。第二章PID控制基本原理2.1PID控制简介在实际工业控制中，大多数被控对象都有储能元件存在，这就造成系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外，在能量和信息的传递过程中，由于管道和传输等原因会引入一些时间上的滞后，往往会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质，通常在引入偏差的比例调节，以保证系统的快速性。引入偏差的积分调节以提高控制精度，引入偏差的微分调节来消除系统的惯性影响，这就形成了按偏差PID调节的系统，结构如图2-12016自动控制原理设计3R(t)e(t)y(t)-++图2-1PID控制系统PID控制器又称PID调节器，是工业过程