智能控制第2章 模糊控制改进(4)

CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity12.5模糊控制器的优缺点和改进CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity22.5.1模糊控制的优缺点①设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌握人类的控制经验。②系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制。模糊控制的优点：①确立模糊化和逆模糊化的方法时，缺乏系统的方法，主要靠经验和试凑。②总结模糊控制规则有时比较困难。③控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化。④模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。模糊控制的缺点：CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity32.5.2模糊控制的改进方法1模糊控制与PID控制的结合切换控制切换控制器由模糊控制器和PI控制器并联组成。控制开关在系统误差较大时接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通PI控制器来消除稳态误差。CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity42.5.2模糊控制的改进方法控制开关的控制规则可以描述为：AePIAeFCu||,||,基于切换方式实现的模糊PID控制器Fuzzy控制器PID控制器对象|e|=E|e|Er-yeCollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity52.5.2模糊控制的改进方法基于切换方式实现的模糊PID控制器4()301GssExample:CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity62.5.2模糊控制的改进方法Simulink仿真实现CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity7Switch介绍CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity82.5.2模糊控制的改进方法控制效果模糊PIDPIDKp=2,Ki=1,Kd=0CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity92.5.2模糊控制的改进方法串联控制模糊控制器PI控制器对象复合控制器＋＋当|E|≥1时,系统的误差e和模糊控制器的输出u的和作为PI控制器的输入,克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用;当|E|=0时,模糊控制器输出断开,仅有e加到PI控制器的输入,消除稳态误差。CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity102.5.2模糊控制的改进方法并联控制模糊控制器PI控制器对象复合控制器＋＋当|E|≥1，模糊控制器开关闭合，PI控制器的输出与模糊控制器输出的和作为被控对象输入,克服不确定性因素影响,且有较强控制作用；当|E|=0时,模糊控制器输出断开，仅有PI控制器控制对象,消除稳态误差。CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity112.5.2模糊控制的改进方法模糊控制规则PID控制器对象uy参数修正eee常规PID参数的模糊自整定（模糊PID控制器：用直推方式）为了满足在不同误差和误差变化对PID参数自整定的要求，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修正，便构成了参数模糊自整定PID控制器，其控制系统的结构如下图。其设计思想是先找出PID三个参数与误差和误差变化之间的模糊关系，通过不断检测和，再根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改，以满足对控制器参数的不同要求。eeeCollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity122.5.2模糊控制的改进方法PID参数的自整定规律如下：①当较大时，应取较大的和较小的（使系统响应加快），且使（避免过大的超调）。②当中等时，应取较小的（使系统响应具有较小的超调），适当的和（的取值对系统的影响较大）。③当较小时，应取较大的和（使系统响应良好的稳态性能），的取值要适当，以避免在平衡点附近出现振荡。eeepKdK0iKpKdKiKdKpKdKiKCollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity132.5.2模糊控制的改进方法ee根据以上分析，对于常规PID参数模糊自校正系统的设计可归结为：取语言变量和的语言值为“大”、“中”、“小”，其隶属度函数分别为下图所示。102e1e3eyde1de2de3de小中大大中小0e1CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity142.5.2模糊控制的改进方法515151ddiippKKKKKK、、ee和;,,5;,0,4;,0,3;,0,2;0,0,15555554444433333222221111ddiippddippddippddippdippKKKKKKeKKKKKeeKKKKKeeKKKKKeeKKKKe则是小，如果：规则则是小，是中且如果：规则则也是中，是中且如果：规则则是大，是中且如果：规则则是大，如果：规则依据的不同组合状态，其模糊PID参数自调整的规则库可以有不同种类。下例给出某种组态下的规则库。其中为在不同状态下对参数用常规PID参数整定法得到的整定值。dipKKK、、CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity152.5.2模糊控制的改进方法常规PID参数的模糊自整定（用调节变化量的方式）PID控制器对象r-yeFuzzy控制器dkpdkidkdde/dtCollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity162.5.2模糊控制的改进方法确定输入、输出变量输入变量：e、de输出变量：,,piddkdkdkPID控制器对象r-yedkpdkidkddeeFuzzy控制器';';';pppiiidddkkdkkkdkkkdk参数整定CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity172.5.2模糊控制的改进方法比例系数（现在）：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分系数（过去）：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的稳态误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若Ki过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数（未来）：改善系统的动态特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势。并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity182.5.2模糊控制的改进方法模糊规则表dKp,dKi,dKdNBNMNSZOPSPMPBNBPB,NB,PSPB,NB,NSPM,NM,NBPM,NM,NBPS,NS,NBZO,ZO,NMZO,ZO,PSNMPB,NB,PSPB,NB,NSPM,NM,NBPS,NS,NMPS,NS,NMZO,ZO,NSNS,ZO,ZONSPM,NB,ZOPM,NM,NSPM,NS,NMPS,NS,NMZO,ZO,NSNS,PS,NSNS,PS,ZOZOPM,NM,ZOPM,NM,NSPS,NS,NSZO,ZO,NSNS,PS,NSNM,PM,NSNM,PM,ZOPSPS,NM,ZOPS,NS,ZOZO,ZO,ZONS,PS,ZONS,PS,ZONM,PM,ZONM,PB,ZOPMPS,ZO,PBZO,ZO,NSNS,PS,PSNM,PS,PSNM,PM,PSNM,PB,PSNB,PB,PBPBZO,ZO,PBZO,ZO,PMNM,PS,PMNM,PM,PMNM,PM,PSNB,PB,PSNB,PB,PBeecCollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity192.5.2模糊控制的改进方法2自校正模糊控制针对普通模糊控制器的参数和控制规则在系统运行时无法在线调整，自适应能力差的缺陷，自校正模糊控制器可以在线修正模糊控制器的参数或控制规则，从而增强了模糊控制器的自适应能力，提高了控制系统的动、静态性能和鲁棒性。自校正模糊控制器通常分为两种：参数自校正模糊控制器规则自校正模糊控制器CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity202.5.2模糊控制的改进方法（1）参数自校正模糊控制器1）量化因子Ｋe、Ｋec和比例因子Ｋu对控制性能的影响如果E、EC、U的论域和控制规则是确定的，那么模糊查询表是确定的，也就是说，E、EC和U的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为：U(k)=f[E(k),EC(k)])()(keKkEe)()(kecKkECec)()(kUKkuu)](),([)(kecKkeKfKkueceuCollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity212.5.2模糊控制的改进方法在常规模糊控制器中,Ke、Kec、Ku固定，会给系统的控制性能带来一些不利的影响:在大误差范围时,不能快速地消除误差,动态响应速度受到限制；在小偏差范围时存在一个调节死区,此时的控制输出为0,但e的实际值可能并非为0,导致系统轨迹在0区附近的振荡；当被控对象参数发生变化,或受到随机干扰影响时,控制器不能很好地适应，会影响模糊控制的效果。为使系统性能不断改善,并适应不断变化的情况,保证控制达到预期要求,需要对Ke、Kec、Ku进行在线实时修改。CollegeofInformationScienceandEngineering,ChongqingJiaotongUniversity222.5.2模糊控制的改进方法系统状态性能要求参数调整的要求原因e和ec较大尽快消除误差，加快响应速度降低Ke和Kec；加大Ku降低Ke和Kec可以降低对e和ec输入量的分辨率,使得e、ec的减少不致于使控制器的减少太多。加大比例因子Ku,可以获得较大的控制量,使响应加快。e和ec较小系统已经接近稳态,此时要求提高系统精度,减少超调量加大Ke和Kec；降低Ku增大Ke和Kec可以提高对输入变化的分