模糊PID与常规PID的比较

最优控制与智能控制基础文献总结报告模糊PID与常规PID的MATLAB仿真比较与分析学生姓名：班级学号：5080628任课教师：段洪君提交日期：2011.04.02成绩：文献总结报告自查表自查项目“是”标√“否”标×1报告是否由本人独立撰写完成2参考文献是否由本人独立查阅完成3文献总结报告是否按时提交4题目是否包含被控对象名称及与本课程相关的控制方法5封面是否按“示样”标准打印，签名是否手写6报告正文是否包含“要求”的三部分7报告正文是否按“样本”格式撰写8报告正文中的公式、图表等是否由本人编辑、绘制9所引用的参考文献在报告正文中是否按顺序标注10参考文献的数量是否达到要求11参考文献的格式是否规范12报告的正文与参考文献的总页数是否在8～10页之间13报告是否达到“总体要求”14报告是否包含对现有文献结论的仿真验证结果15报告是否包含本人的研究内容及结果对所提交报告的自我评价(按百分制打分)1研究的背景及意义随着工业的发展和社会的进步，被控对象越来越复杂，其数学模型的建立也越发困难，对于很多控制对象有的只能建立起粗糙的模型，有的甚至无法建立模型。这类对象往往被称为不确定性系统。对于不确定性系统很难用传统的控制方法取得满意的控制效果。但是对于这类系统，人类却可以凭借自身的操作经验进行很好的控制。于是，人类将这些专家控制经验转化为可以用计算机实现的算法，为不确定性系统的控制开辟一条新途径。而后，控制专家运用模糊控制工具，结合人类的专家控制控制经验建立了一种新型的控制方法-----模糊控制。模糊控制的基本思想是将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊集理论进行量化，转化为可数学实现的控制器从而实现对被控对象的控制。模糊控制器的基本工作原理是：将测量得到的被控对象的状态经过模糊化接口转换为用人类自然语言描述的模糊量，而后根据人类的语言控制规则，经过模糊推理得到输出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再经过清晰化接口转换为执行机构能够接收的精确量。PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握、得不到精确的数学模型时，采用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心。它是根据被控过程的特性来确定PID控制器的参数大小。PID控制原理简单、易于实现、适用面广，但PID控制器的参数整定是一件比较困难的事。合理的PID参数通常由经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。为此，需要引入一套模糊PID控制算法。所谓模糊PID控制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果。模糊PID控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想。而模糊PID控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点,在工业控制中得到广泛的应用。本文通过运用用MATLAB6.1的模糊控制工具箱设计模糊控制器，然后用MATLAB的simulink进行了仿真。仿真结果表明,在工况有较大变化和存在扰动情况下,模糊控制系统性能优于常规PID控制。2模糊控制的研究现状2.1国外模糊控制的研究现状1965年扎德在《信息与控制》杂志上先后发表了模糊集(FuzzySets)和模糊集与子系统(FuzzySets&Systems),产生了模糊集合论,奠定了模糊集理论和应用研究的基础。但模糊一词却在美国科技界遭到怀疑和反对,为此而影响了模糊逻辑在美国的研究和应用推广。1968年扎德首次公开发表其模糊算法。1973年发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法。1974年伦敦大学Mamdani博士首次尝试利用模糊逻辑,成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸气引擎。1965～1974年是模糊控制发展的第一阶段,即模糊数学发展与成形阶段。其间于1972年,日本模糊系统研究基金会建立,后来成为国际模糊系统协会(IFSA)的日本办事处。第二阶段大约从1974～1979年,这是产生简单模糊控制器的阶段。在这期间,美国加州一公司率先生产了世上第一只模糊逻辑芯片。1980年丹麦的斯密司公司首次应用芯片在水泥烘干机中成功地实现了模糊逻辑控制,但其自适应能力和鲁棒性有限,稳态精度也不够理想。1979年至今是发展高性能模糊控制的第三阶段。1979年T.J.Procky和E.H.Mamdani共同提出了自学习概念,使系统性能大为改善。1983年日本富士电机开创了日本第一项应用—水净化处理。1987年日本仙台地铁线采用了模糊逻辑控制器。1989年日本把模糊逻辑消费品推向高潮,同年,扎德教授出任OMRON(立石)公司高级顾问。1993年,扎德教授应OMRON之请,在ISA/93博览会的新闻发布会上作了以软计算为题的发言。扎德曾获得日本企业家赠与的15万美元的本田奖。今天,模糊逻辑控制技术已经应用到相当广泛的领域之中。在日本,家用电气设备已成为其主攻市场,诸如智能洗衣机(日立)、微波炉(夏普)、吸尘器、空调机(三菱)、照相机和摄录机(立石)等等;在工业闭环控制系统中有水净化处理、发酵控制、化学反应釜、水泥窑炉等等。在专用系统和其他方面有地铁控制(日本)、电梯、自动扶梯、蒸气引擎、声控直机、纸币识别装置以及机器人等等。日本领先,从所周知,当代的一些高新技术的发展似乎有这样一个趋向,即欧洲从事理论研究,美国从事技术突破,而日本从事应用开发并率先推出商品,而且逐渐成为这项技术的主导国家。模糊逻辑也不例外。正如前面提到的,日本于1972年就成立了模糊系统研究基金会。1989年4月日本创建了国际模糊工程研究所(LIFE),下设三个实验室:一室研究模糊控制;二室研究智能信号处理;三室研究模糊计算机。1989年日本有关模糊技术的产品年值约有10亿日元(约合8000万美元),其中真正以模糊技术为核心的产品约占1亿日元(约合800万美元)。模糊一词是1990年日本国民使用频率最高的四个词之一。据统计,日本1991年就占全球模糊控制产品市场的80%左右,在世界上遥遥领先。其原因是,日本在模糊逻辑元件生产方面一向居领导地位;日本是最著名的新颖电子消费产品的销售中枢。可以说,日本差不多垄断了整个模糊逻辑产品市场。日本的OMRON公司在这10年中为模糊逻辑的发展做出了较大的努力。该公司从1984年起追赶模糊技术。1986年推出了第一种模糊逻辑产品—一种医疗诊断系统。1989年投入570万美元开发适用于机器人、过程控制语言识别以及成像处理的模糊处理器,其特点是根据模拟电路和平行处理作出高速推理,适应于多种应用场合的自由规则数和输入输出数。已经推出的软硬件有:模糊微处理器、模糊控制编程与模拟软件以及模糊工业控制器。公司还为多种模糊产品申请了700多项专利。1990年,OMRON展出了第一批超高速模糊逻辑技术,包括集成块、控制器和软件,惊动了世界并掀起了模糊逻辑技术的开发高潮。1990年推出的产品有人体传感器、机床故障诊断/预测专家系统以及温度控制器、FP—5000多任务处理器和FP—3000控制器及其开发工具。1991年的新产品有:自动售票机、车辆识别机、血压计以及健康状况监理支持系统。1991年7月推出的E5AF型模糊温度控制器(也称调节器)是PID与模糊逻辑算法相结合的产物,它显著地增强了对生产过程混乱的响应能力,继之又推出以自适应调谐为特点的E5J系列温控器,可以为PID算法保持优化了的PID参数。自适应调谐可以监控步响应、扰动以及搜索型调谐。E5J系列有1/4、1/8和1/16DIN三种规格。1991年晚些时候推出的另一种重要产品是PLC协处理器。它已应用在C200H以及CV系列的PLC中。FZ—001模糊推理模块也可以插入C1000H和C2000H大型PLC后板中作为CPU的协处理器。FZ—001本身没有输入输出,控制值经过CPU的计算由通讯网络中的其他智能装置写入到该模块中。它可以高速度处理模糊程序以适应实时控制。处理模糊推理的速度是125us/规则,再加上600us去模糊时间。模块可以储存长达128条规则的程序,每条规则中最多可有5个前提(即1F条件)和2个当然的结(即THEN结果)。PLC使用模糊逻辑开发软件在IBMAT电脑上编程,并可在运行状态下产生、模拟、修改和监察模糊逻辑程序。FZ001模块应用面广,例如可用于:·诸如过程、张力和定位控制等非线性系统中;·在输入有大偏量或精度不足的系统中;·需要人的直觉调整的难以控制的系统中;·需要适应性处理来克服不断变化的环境过程条件的系统中;·必须平衡多个输入或者相矛盾的抑制力的过程中。FZ—001推理模块及其软件还可提供一种处理结构,用以处理用一般控制方法难以解决的应用场合,例如倒摆,只需要编入11条规则,简化了编程和降低了软件费用。1991年OMRON还同NEC签订了一项协议,前者向后者提供FS—1000模糊知识库开发工具、模糊推理组块及相关专利的技术资料,以利用后者开发和制造模糊推理组块,并应用到4位75x系列和8位78k系列微处理器中。OMRON的FP—1000数字式模糊处理器是一种掩模只读存储器,它可以连到单片微机上,是世界上第一种使用串行传输方法的最小最便宜的模糊逻辑集成块,易于装入电子办公机械、汽车电子元件和消费电子产品中。FP—1000中使用的知识库,是用FS—1000模糊知识数据开发工具编排的。FP—3000数字式模糊处理器也用这种软件。FP—1050是一种没有只读存储器的仿真集成块。FS—TH1000编译器用来为FP—1050和FP—1000把来自开发工具的知识转换为目标码。FP—1050和FS—TH1000样品在日本售价分别为120和790美元。1993年,OMRON开始销售其LUNA工作站。这是世界上第一个通用的以模糊逻辑为基础的工作站,其处理速度可达到4000MIPS。主要应用范围是:通用数据库、模糊专家系统及推理系统。通用数据库的一个例子是汽车和旅行计划,它能够根据客户的喜爱和所希望的价格范围来分列出适当的产品和目标。遥控维修系统是模糊专家系统的一个例子,一个工作站每秒钟能预测和诊断100台产品或设备的毛病。模糊推理系统的例子是一种监察系统,它能够为工厂或大厦每秒处理3000项传感数据,对火灾或盗窃报警。另一个例子是手写字符识别系统和签字确认系统。1993年,OMRON宣布了一种新型模糊逻辑器件,具有图像识别和分析功能,能够检验伪钞和彩色复印伪件。在ISA/93博览会上,OMRON展出了纯研究技术,其中有高密度芯片和ASIC芯片的制造技术以及模糊逻辑技术,可用于气袋有选择的激励、拥挤控制和变色变背景的光电传感器中。在日本,除OMRON之外,还有富士、三洋、日电、冲电气等公司从事模糊逻辑产品生产。1992年富士通推出MB94140系列8位单片模糊控制器,可用于实时控制。这个系统中的MB94146是一种大规模使用的掩模ROM产品;MB94PV140是一种供评价和开发用的级联产品;MB94P147则是供预生产使用的一次性产品。所有三种集成块都使用F2RU—6模糊推理机构和F2MC—8L中央处理单元。三洋没有生产模糊逻辑集成块,但在应用方面领先。1989年9月首次推出8mm录像机,1990年8月推出微波炉,接着推出电饭锅、洗衣机、衣服干燥机、真空清洗机、加热器、复印机、空气清洗机、面包炉、大容量电冰箱、无绳电熨斗和被褥干燥器等等利用模糊逻辑的产品。1991年3月推出第一台装有模糊控制器和神经控制器的电风扇,这种风扇能够自动对准使用者。NEC销售的产品有17K系列的4位微控制器。1993年3月推出的μPD17