基于MATLAB模糊自整定PID控制器的设计与仿真

应用与模糊 基于MATLAB模糊自整定PID控制器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与仿真 王三武，董金发 (武汉理工大学机电学院． 湖北武汉 43007[)) 1引言 n：机lb控制系统的泣IJut}ll PID控制器以 斡法简 ． 计算吐小，使用 但．妇棒性较强等优点而得到r‘泛成 J1j．仆取得r良好的挖制效粜 但足对于 一些时变和 绒 的系统常规HD船 得无能为 ，．常规PID控制 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 最制．酬档迁术吱观f】曲化．依靠人丁 凄瞒的艟定办法 不 仪需要f研的经骑羽I技巧．m儿十分龆时 删I埘．靠实际 控制系统控制过 III．Ill r噪声 ．饥栽扰动平fI 他 · 环 境条件变化的蟛响，受控址襁参数．模型结构均将发生变 化 这种恃税下．1采用常规PID捕制器雕以获樽满意舳 控制效 ．『flj模糊杜制 依赖被拄卅象精确的数学模 ． 是在总童lJi拇作始jI禽玷础 l 炎现自动控制的一种手段。本文 应用模糊推删l的方法实现时 PID参数的在线自动档定，弹 依此 殳计lf1-般挎{l}lj系统的模糊参数一憔定 PID控制器 齄千。MATLAB的仿真结槊丧f蝣，与常舰 PID控制系统相 比，改泄仆能挟得世优的舟榨性和动、静态性及县有良好 旧m&m I： 2模糊参数自整定 PID控制器的设计 (1]模糊托制 模糊控制足以模糊浆合论、模糊数学、横栅爵， 形 nq知 l 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ， 和榄糊避辑的 则推理为珊l沱壤础．采用讣雄 机拄制技术构j戊的一种具钉厦馈通道的闭环数 ≯控制系统 雠糊控制脲理 土坚包括雎Ip的模糊鲢化处理、摸糊 摊制脱llllJ、模蝴决策、0：模糊化处理等环竹组成的馁糊控 捌；}=l} (2)愤糊拄制 PII)拄iIjIJ系统皇占掏 夺文彳E常舰PID齄础 I ． 被控对象的厦馈监 ¨标 值 的沮蔗 和谋髂J堕化 钙EC作为输入 ．用模糊推 理的方 法对Pll}的参数 ．． ．，进行 绒 I嘤窟．以满足 向 收椭⋯釉：加町一09一l9 E和 EC时拄制器参数的不lJ_l1世求．从 使受精州象具订 良好的动态性能和静态性能．：楼 参数r1懂定 PID控制系 统结构框嘲盘¨睡I 1所永 脚 I 榄蝴 PID控制吊龇 · 拘罔 (，)PJf)参数艟定原划 懂4姑系统 受扮_i==上程，l r划 同的E和 EC．将 PID 参数构档缝蟓则蚪纳如F： (D 当l 较大tt,J．|兑 误箍的绝埘似较大． 鹿取 较大值． 提高响聪呻快逮慨：而 防止1 c l瞬II,J过大． 成该取较小帕值；同时为避免出现较夫∞超斓．成对移{ 分作用加以限制．遵常取K．一1 ( JEl处 『·肄大 、叫，为使系统响应超 较小． K 应取小些 。在这种情况下 ．K 的取侬对幕统响应彬响较 大，K．的取位 要适 当 J J轻小Jj寸．为使系统H有较好朐稳定性， 与 。均成取大螳，同时为避免系统在矬定值附近m脱掀 荡，井考虑系统的抗{：扰州：能．脱证 1地选取 俩 K 的进择根摄IECI恤 jI∈确定 lECI较火lIl『．K 取较小 假：当1EC J较小叫．K 墩较大f ，晒常情况下K．，为叶|等 太小 (4)横蝴挎制器的设计 (D各变量隶属嘲数的确定 模1蜘控制器输人谢． 变髓的．分别袅永输人艟的偏差 羽I偏箍坐化枣。规定他们的i仑城为： ●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■____-____-____-____-●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●● ●● 维普资讯 http://www.cqvip.com 应用与模糊控制 E，EC=f-3，-2，一1，0，1，2，3l 它们的模糊集为： E，EC=fNB，NM，NS，O，PS，PM，PB} 其含义依次为负大 、负中 、负小 、零 、正小 、正中、 正大 。 输出变量 ，K， 用以确定控制量，并规定其论域 为： ， K ，Kj=卜3，-2，-1，0，1，2，3 J 输出量的语言变量模糊集为： ， Ki，Kd=fNB，NM，NS，O，PS，PM，PB J 各个语言值的定义分别 由给出的三角形隶属函数曲线 来描述。 ② 建立控制规则表 依据 (3)所述参数整定原则及工程设计人员的技术 知识和实际操作经验，可列出相应的参数调节规则 ，如表 1~3所示 。 表 1 K 模糊规则衰 EC ：： ==? ： ：==：： NB NM NS 0 Ps PM PB PB PB PM PM PS PS O PB PB PM PM PS O O PB PB PM PS O NS NM PB PB PM 0 NS NM NM PM PM O NS NM NM NM PS O PS NS NM NM NB O O NS NM NM NB NB 表2 K．模糊规则表 NB NM NS O PS PM PB NB NB NB NM NM O O NB NB NM NM NS O O NM NM NS NS O PS PS NM NS NS O Ps NM PM NS NS O PS Ps PM PM O O PS PM PM PB PB 0 O PS PM PB PB PB 裹 3 Kd模糊规则表 ==： ： ：：： ：： NB NM NS O PS PM PB PS PS O O O PB PB NS NS NS NS O Ps PM NB NB NM NS O PS PM NB NM NM NS O PS PM NB NM NS NS O PS PS NM NS NS NS O Ps PS PS O O O O PB PB 根据模糊规则表在线修正PID参数，计算公式如下： Kp=K'p+AKp；K K +AK ；Kd=K 十△Kd；其中 K K 、 为原先定好的初始 PID参数。△ 、AK 、A 为模糊控 制器的三个输出参数，可根据被控对象的状态 自动调整 PID的三个控制参数的取值。 ③ SIMLINK下的模糊推理与模糊控制器的建立 由模糊控制规则表可将以上参数调节写成条件语句形 式。可以利用模糊逻辑工具箱建立一个 fis型文件，保存 为 PID．fis。在 MATLAB命令窗 口键入 fuzzy，就会出现一 个 FIS Editor窗口。本设计采用双人三输出模糊控制器， 输入输出变量分别为偏差 E和偏差变化率 EC，输出变量 分别为 、K 、 。在 Edit菜单下确定输入、输出，双击 每个图标就可 以进行编辑 。在 File菜单下选择 Mamdain 型。用 Edit菜单下的roles实现编辑模糊规则。 取输入量E、EC的隶属函数为三角型，输出变量 K。、 、 隶属函数也为三角形。根据控制规则表以 if．．．then的 形式在 Ruh Editor窗 口输入控制规则，模糊决策一般采用 Mamdani型推理算法，解模糊一般采用重心法 (centroid) ， 如图2所示。 图2 建立模糊控制器的规划编辑器 3系统仿真 (1)仿真控制对象 将该模糊 PID控制器用于某单水槽控制系统中。计算 机仿真时所选择的单水槽广义被控对象的数学模型是二阶 系统，它的近似模型为 [4]： G ( )= 20 s+l (2)基于 MATLAB的系统仿真 根 据 上 面 的分 析 和 被 控 对 象 的 传 递 函数 ，在 SIMULINK窗口建立系统建立了一个 mdl仿真模型，保存 为 fuzzy．mdl如图 3所示。这样就町以利用 PID．fis读出模 维普资讯 http://www.cqvip.com PLC堕旦与模糊 图3 模糊参数自整定PID控制系统仿真模型 糊推理值作为工程修整参数输入变量。使设计的模糊控制 器作为模糊控制系统中的一个组成部分参与仿真过程。其 中的模糊控制模块由FIS编辑器依据 2之 (4)中的模糊控 制器设计过程进行参数设置和模糊运算。通过试凑法整定 出了一套合适的 PID参数； 、K 和 的初值设为： = 1， O，K,t=1。 在调试中，可以知道：模糊控制器输入变量的量化因 子 、 对控制系统的动态性能影响较大， 选得较大， 系统的超调较大，过渡时间较长。 选得较大，超调减 小，并且 越大系统超调越小 ，但系统的响应速度会变 慢。实际 ，量化因子 和 二者之间也相互影响。 输出控制量的比例因子 作为控制器的总增益 ，它 的大小直接关系到控制器的输出， 过小会使系统的动态 响应过程变长， 过大会导致系统大的超调。量化因子和 比例因子的选择不是唯一的。可以根据系统所处状态的不 同，采样多组量化因子和比例因子，以使系统处于最佳控 制状态。它们的大小与输人、输出变量的基本论域和模糊 论域也有关。因为本摔制系统采用的基本论域与模糊论域 相同，因此可以初始设置为： =1， =1， =1。为仿真 结果分析方便起见，把输人也设为单位阶跃信号，采样时 间为 lms。可以得出如图4、罔 5的仿真曲线 (系统缺省 图4 常规 PID控制器阶跃响应 时间为 10s)。 (3)仿真结果分析 图4和图5分别为常规 PID和模糊参数自整定 PID控 制器的仿真计算结果。 通过对以 仿真波形的分析，我 们发现将模糊算法与 PID控制有机结合在一起，可以取得 很好的控制效果。对比它们的输出曲线 ，不难看出：采用 单纯的 PID控制时，最大超调量为 28．7％，调节时间 t = 58。采用模糊 自整定 PID控制时 ，最大超调量为 1．68％， 图 5 模糊 PID控制器阶跃响应 调节时间 t =2．4s。实验结果表明，采用模糊 PID控制算法 过渡调节时间减小 ，系统的响应速度加快 ；模糊 PID控制 器比常规 PID控制器的系统超调量也明显减小，控制系统 的动态特性和静态特性能均得到改善 ，能更好的满足系统 的应用要求。 4结束语 本文将模糊 PID算法与 MATLAB结合在一起应用于 控制系统。一方面，模糊 PID控制具有模糊控制灵活 、 响应快和适应性能强的优点 ，又具有 PID控制精度高 、 鲁棒性强的特点。另一方面，利用 MATLAB中的模糊控 制逻辑工具箱设计模糊控制器灵活 、方便 、可视性强 ， 并可在 SIMULINK环境 中非常直观地构建各种复杂的模 维普资讯 http://www.cqvip.com 应用与模糊控制 糊 PID控制系统，观察其控制效果。这样就克服了工程 实践中的盲目性 ，为实际控制系统的设计与调试提供 了 理论参考依据。 参考文献： [1]窭振中．模糊逻辑控制技术厦其应用 [M]．北京：北京航空 航 天大学 出版社，1995． [2]储岳中．基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿 真 [J]．安徽工业大学学报，2004，24(1)：49—52． [3]闻新．MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用 [M]．北京： 科学出版社，2001：63—65． [4]费春国．模糊自调整控制器的研究与应用 [I)]．天津：天津 科技 大学，2003． [5]李袖 ，孟庆春，付晓峰．基于参数 自整定模糊 PID控制策略 的电机模型仿真研究 [J]．机电工程技术，2004，33(9)： 55—57． 第一作者简介：王三武，男，1959年生，湖北浠水人，硕士， 教授。研究领域：制造信息化和自动化技术研究。 f编辑 ：粱 副 玉 1 (上接第 64页) 自动程序开 关闭卸荷闽 料¨打开 延时5秒 侧压缸推进 侧压缸堪回 定时2秒 在规定的时问 内束退到位则报 主缸压下 定时3秒 3秒到主缸 F压 到傅转 F一状夺 图5 自动控制梯形图 4结束语 采用 PLC设计系统 ，可以缩短设计周期，安装调试 十分方便。特别是程序部分，可事先在实验室调试好，现 场只要把事先调试好的程序输入 PLC，在工艺条件满足的 情况下，设备即可投入运行。由于 PLC自动控制的灵活 性，可在现场改变某些工艺参数，改变动作顺序，增加系 统功能。该控制系统运行稳定、操作简单 、维护方便，具 有一定的推广价值。 参考文献 ： [1]周恩涛．可编程控制器原理及其在液压系统 中的应用 [M] 北京 ：机械工业出版社 ．2003． [2] [3] [4] [5] 士压缸徽抬 定时 1秒 1秒内主缸 来到位报警 主缸抬到位 转 一状态 二次加压缸微抬 L|二次加压缸徽抬 来到位报警 定时 1秒 1秒内二次加压缸 徽抬未到位报警 1秒内二次加压缸 微抬到位转下一状态 推块缸推进 延时 3秒 退到位转 一状态 推块缸退回 定时2秒 2秒内未追回报警 2秒内堪回到他 转卜一状态 _二次缸压 F 来到位报警 定时 3杪 打开卸荷阀 二次缸抬起 来到位报警 定时2秒 2秒内到位 转 一状态 关闭料门 打开卸荷阀 赵静一，张 齐生．压块机液压控制 系统的技 术改造 实践 [M]．上海：复旦大学出版社，1998． 关新平．橡胶压块机 电控 系统设计 [J]．电工技术，2oo2， (11)：32—33． 刘美等．橡胶压块机的 PLC控制 [J]．茂名学院学报 ， 2oo2。l2 (3)：16-19． 李景学，l紧矿业．可编程控制器应用系统设计方法 [M]．北 京：电子工业出版社，l995． 第一作者简介：黄宏格，男，1968年生 ，湖南衡阳人，大学本 科 ，实验师。研究领域：电工电子技术实验。已发表论文6篇。 (编辑：梁 玉) 维普资讯 http://www.cqvip.com