模糊规则的PID控制器设计

I模糊自整定PID控制器设计及仿真分析摘要针对常规PID控制不具有自适应能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。提出了将模糊技术与PID控制相结合的控制方式，设计出各种模糊控制器。论文的主要内容包括：1.介绍模糊控制技术的背景和重大意义，了解常规PID控制中的优点与缺点。2.了解模糊控制的数学基础。例如：模糊集合的定义、模糊语言、模糊推理、模糊变量的隶属函数、论域、量化因子、比例因子等。3.掌握MATLAB中模糊工具箱、SIMULINK的使用及模糊控制器的设计方法，对于不同的控制系统设计出对应的模糊控制器的规则。4.对混合式模糊PID控制器、开关式模糊PID控制器、自整定模糊PID控制器进行SIMULINK仿真。MATLAB中模糊逻辑控制工具箱设计模糊控制器灵活、方便、可观性强，并可在SIMULINK环境中非常直观地构建各种复杂的模糊PID控制系统。仿真结果表明，模糊PID控制具有控制灵活、超调小、响应快和适应性能强的优点。关键词：模糊PID控制；MATLAB仿真；SIMULINKIIFuzzyAdaptivePIDControllerDesignandSimulationAnalysisAbstractTotheconventionalPIDcontroldon’thaveself-adaptive,thecontroleffectoftime-varingandnonlinearity,WehavealreadytakethecontrolmethodthatcombinefuzzytechnologywithPIDcontrol,anddesignvariousthefuzzycontroller.Themaincontentsofthesisisthat:1.Introducethefuzzycontroltechnology'sbackgroundandgreatsignificance,understandingtheadvantagesanddisadvantagesoftheconventionalPIDcontrol.2.Understandingthemathematicalbasisofthefuzzycontrol,suchas:thedefinitionoffuzzyset,fuzzylanguage,fuzzyinference,membershipfunctionoffuzzyvariables,treatisedomain,quantifiablefactor,scalefactorandsoon.3.Mastertheuseofthefuzzytoolbox,SIMULINKatMATLABandthedesignofthefuzzycontrollerfordifferentcontrolsystemdesigntherulesofthedifferentfuzzycontrollercorrespondingly.4.CarryoutSIMULINKsimulationforthehybridfuzzycontroller,theswitchfuzzycontroller,andself-fuzzycontroller.Whenafuzzylogiccontroltoolboxdesignfuzzycontroller,itisveryflexible、convenientandgreatobservabilityinMATLAB,anditcanconstructvariouscomplexfuzzyPIDcontrolsystemdirectlyinSIMULINKenvironment.ThesimulationresultsshowthatIIIthefuzzyPIDcontrolhaveadvantagesofflexiblecontrol,smallovershoot,fastresponseandstrongadaption.Keywords：FuzzyPIDcontrol；MATLABsimulation；SIMULINK-IV-目录摘要..............................................................IAbstract............................................................II第1章绪论.........................................................11.1课题的研究背景及意义.........................................11.2PID控制的特点...............................................21.3模糊控制技术概述.............................................3第2章模糊控制理论.................................................62.1模糊集合定义................................................62.2模糊语言....................................................62.3模糊变量的隶属函数...........................................82.4模糊推理系统的数据结构管理函数介绍...........................82.5论域、量化因子、比例因子的选择..............................112.5.1论域及基本论域........................................112.5.2量化因子及比例因子....................................12第3章基于MATLAB的模糊控制器的设计内容...........................143.1模糊控制器概述..............................................143.2模糊控制器设计所包括的内容..................................143.3模糊控制器的结构设计........................................153.4模糊控制器规则的设计........................................153.5精确量的模糊化..............................................173.6模糊推理及其模糊量去模糊化方法..............................183.7模糊控制规则表..............................................18-V-第4章PID控制器...................................................204.1PID的概述..................................................204.2PID控制的基本理论..........................................204.3模糊PID控制...............................................23第5章MATLAB仿真..................................................255.1MATLAB简介.................................................255.2模糊控制器的设计............................................255.2.1模糊控制器原理图......................................255.2.2控制系统的SIMULINK实现...............................265.2.3MATLAB仿真...........................................295.3混合式模糊PID控制器设计....................................295.3.1控制系统原理图........................................295.3.2控制系统的SIMULINK实现...............................305.3.3MATLAB仿真...........................................305.4开关式模糊PID控制器设计....................................315.4.1控制系统原理图........................................315.4.2控制系统的SIMULINK仿真...............................325.4.3MATLAB仿真...........................................325.5自整定模糊PID控制器设计....................................335.5.1控制系统的原理图......................................335.5.2控制系统的SIMULINK实现...............................345.5.3MATLAB仿真...........................................39结论...........................................................40参考文献...........................................................41-1-第1章绪论1.1课题的研究背景及意义现代控制系统，规模越来越大，系统越来越复杂，用传统的控制理论方法已不能满足控制的要求。智能控制是在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展起来的，是控制理论、人工智能和计算机科学相结合的产物。智能控制主要分为模糊逻辑控制、神经网络控制和实时专家系统。研究的主要目标不仅仅是被控对象，同时也包含控制器本身。模糊理论是在美国柏克莱加州大学电气工程系L.A.Zadeh教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面内容。L.A.Zadeh教授在1965年发表的FuzzySet论文中首次提出表达事物模糊性的重要概念——隶属函数。模糊控制理论的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的算法。但它的控制输出却是确定的，它不仅能成功的实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构成数学模型的对象进行控制。“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解、与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性。“模糊控制”的特色就是一种“语言型”的决策控制。模糊控制技术，已经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。自从1974年英国的马丹尼(E.H.Mandani)工程师首先根据模糊集合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发动机的控制以后，在其发展历程的30多年中，-2-模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。现在，模糊控制已广泛地应用于冶金与化工过程控制、工业自动化、家用电