毕业设计（论文）--基于Simulink的模糊PID控制器设计与实现.doc

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）基于Simulink的模糊PID控制器设计与实现学 生 姓 名 指 导 教 师 李 晖 专 业 电子信息工程 学 院 计算机与信息工程学院 二一四 年 六 月 七 日Graduation Project (Thesis)Harbin University of CommerceThe Design and Realization of Fuzzy-PID Controller Based on SimulinkStudent Supervisor Li Hui Specialty Electronic Information Engineering School Computer and Information Engineering 2014-6-7毕业设计（论文）任务书姓名：学院：计算机与信息工程学院班级：10-1专业：电子信息工程毕业设计（论文）题目：基于Simulink的模糊PID控制器设计与实现立题目的和意义：所谓的模糊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。Simlink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，由于其具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，现已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计，因此利用MATLAB开发环境Simulink工具实现模糊PID控制器的设计具有较大的研究意义。技术要求与工作计划：1 查阅资料，了解国内外相关技术和产品的发展过程和现状；2 学习模糊PID控制算法；3 了解PID控制技术以及模糊控制技术；4 了解模糊PID控制器基本原理；5 掌握Simulink的使用方法；时间安排：2014年3月01日-2014年3月22日 毕业实习和搜集资料2014年3月22日-2014年4月09日 学习模糊PID控制算法2014年4月10日-2014年4月28日 熟悉MATLAB/Simulink使用方法2014年4月29日-2014年5月10日 设计模糊PID控制器2014年5月10日-2014年5月24日 撰写论文2014年6月05日-2014年6月06日 准备答辩指导教师要求：(1) 搜集、查阅资料，认真学习相关知识；(2) 了解PID控制技术和模糊控制技术的发展现状；(3) 了解模糊控制技术的原理；(4) 发挥团队精神；(5) 利用Simulink工具箱针对不同控制对象进行仿真研究；(6) 熟练掌握Simulink工具箱的使用，了解Matlab开发环境；（签字） 年 月 日教研室主任意见：（签字） 年 月 日院长意见：（签字） 年 月 日毕业设计（论文）审阅评语一、指导教师评语：指导教师签字：年 月 日毕业设计（论文）审阅评语二、评阅人评语：评阅人签字：年 月 日毕业设计（论文）答辩评语三、答辩委员会评语：四、毕业设计（论文）成绩：专业答辩组负责人签字：年 月 日五、答辩委员会主任签章答辩委员会主任单位： （签章） 答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日哈尔滨商业大学毕业设计（论文）摘 要科学技术和人工智能的不断发展，促使自动控制向智能控制的方向发展，作为一种新的控制技术，智能控制已经在越来越多的控制领域得到了广泛的应用。PID控制是最为传统的一种控制技术，自18世纪引入控制领域以来，一直保持着它在工业工程控制的主导地位，被誉为控制领域的常青树，据统计工业控制的控制器中PID类控制器占90%以上。PID控制器是最早出现的控制器类型，因为其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以这类控制器深受工程技术人员喜爱。模糊控制是以集合论、模糊语言变量与模糊逻辑推理为基础，以先验知识和专家经验为控制规则的一种智能控制技术。由于其可以从行为上摸你人的模糊推理和决策过程；不需要对象的数学模型既可以实现比较好的控制；可以实现非线性控制。在众多领域获得了成功的应用。关键词：PID控制；模糊控制；MATLAB/SIMULINK；模糊PID控制IIAbstractScience technology and artificial intelligences develop continuously, which urge the automatic control toward the direction of development that intelligence control, being a kind of new control technique, the intelligence control has already got the extensive application in more and more control realms.The PID control is the most traditional control technique, which has been keeping predominant position at the industry process control since it was led into the control realm in 18 centuries, it was called the evergreen tree of the control realm. According to the covariance, PID controller has 90% above of the controllers in the industry control. To the engineering technical personnels fancy, for its structure is simple, each controller parameter has the obvious physics meaning, and adjusting is convenient.The fuzzy control, which is based on the gathering theory, fuzzy language parameters and fuzzy logic theories, with the control rule of checking knowledge and experts experiences, is a kind of intelligence control technique. The fuzzy control can imitate the persons faintness to reason logically and make policy from the behavior, can realize better control without the mathematics model of the object, can carry out no line control, so it has strong vitality.Keywords：PID Control, Fuzzy Control, MATLAB/SIMULINK, Fuzzy PID Control目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1研究目的和意义11.2国内外研究现状11.3论文研究内容32PID控制和模糊控制理论概述52.1PID控制技术概述52.1.1 PID控制算法52.1.2 PID控制器组成62.1.3 PID控制特点82.2模糊控制技术概述92.2.1 模糊逻辑92.2.2 模糊控制算法102.3本章小结133模糊PID控制器设计143.1模糊PID控制器基本原理143.2模糊PID控制器结构设计163.3 本章小结194模糊PID控制器开发环境204.1Matlab开发环境简介204.2Simulink工具箱简介204.3本章小结215基于Simulink的模糊PID控制器仿真225.1Simulink仿真模块225.2仿真分析225.3本章小结23结 论24参考文献25致 谢26附 录27哈尔滨商业大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 研究目的和意义现在越来越多的新型自动控制技术应用于实践，控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。模糊全自动洗衣机是智能控制的典型实例。开环控制系统和闭环控制系统是自动控制系统的两大类。一个标准的控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口1。控制器的输出经过执行机构、接口加到被控系统上；控制系统的被控量是经过变送器、传感器通过输入接口送到控制器2。不一样的控制系统中传感器、变送器、执行机构是不一样的。例如压力控制系统是采用压力传感器的；电加热控制系统是采用温度传感器的。当前，PID控制以及控制器或智能PID控制器已经很多，已经得到了广泛的应用。例如：工业生产过程中，生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量是要求维持在一定的数值上，或者按照一定的规律变化，从而满足生产工艺的要求。PID控制器可以对整个控制系统进行偏差调节，使工艺要求的预定值和被控变量的实际值一致。PID控制具有简单的结构、很好的稳定性、较高的可靠性等优点，适合用于建立精确数学模型的控制系统。对于一些多变量、非线性、时滞的系统，传统的PID控制器并不实用3-4。随着模糊数学的发展，工程师们很重视模糊控制的思想，各种模糊控制器也得到广泛推广。而简单的模糊控制器有其自身的不足控制效果很粗糙、控制精度不理想。为了弥补这一缺陷，我们利用传统的PID控制器和模糊控制器结合形成的模糊自适应的PID控制器；它将系统对应的误差和误差变化率反馈给模糊控制器进而确定相关参数，摆正系统工作在最佳状态，实现优良的控制效果。1.2 国内外研究现状国际全球工业电子温度控制器市场近些年来增长缓慢，因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC）。VDC发现工业电子温度控制器全球市场的增长率在2003年为3.6%，2004年为3.5%，2005年为2.5% 。我们预计2006全球工业电子温度控制器市场的增长率仅为1.2% ，而预测2010年的综合年度增长率（CAGR）仅为0.7% 。欧洲和北美工业电子温度控制器市场受到这一趋势的影响最大。这两个较大地区的市场预计将在2010年出现负增长。然而，亚太市场，较小的拉丁美洲和其他地区的市场预计仍将保持增长。中国作为一个主要的制造中心和市场的崛起是工业电子温度控制器增长的驱动因素。工业电子温度控制器OEM厂商以及众多的终端工业厂商已经开始转移到中国大陆，以获得低成本的劳动力和原料优势。日本经济的复苏同样推动该地区走出了停滞发展时期。OEM厂家和主要终端工业公司将制造业务向中国的转移，以及温度控制器价格的下降，是欧洲和北美市场预测下降的主要原因。这两个地区的市场都已非常成熟，因此弥补现有OEM和其他生产商的新行业或新公司的发展空间不大。此外，许多位于欧洲和北美的工业电子温度控制器供应商已经表明一旦准备充分，他们将很快在中国展开他们的工业电子温度控制器制造业务。通过在中国生产，供应商不但可以获得更廉价的劳动力和原料的竞争优势，而且他们这样更接近主要的发展市场。较小的拉丁美洲市场预计在2010年电子温度控制器的增长率最高（CAGR为4.8%），因为该地区很多经济领域的发展继续实行自动化操作。受到资本投资流入更慢的影响，其他地区的出货额预计增长缓慢，综合年度增长率仅为0.9%。一些研究文章陈述了当前工业控制的状况，如日本电子测量仪表制造协会在1989年对过程控制系统做的调查报告。该报告表明90以上的控制回路是PID结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2000多个控制回路，其中97以上是PID控制，而且仅仅有20的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适占30，阀门问题占30。而另外的20的控制器性能差有多种原因，如传感器的问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。Ender也给出了相似的统计结果：在已安装的过程控制器中30是处在手动状态；20的回路是采用厂家的整定参数，即控制器制造商预先设定的参数值；30的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差。早期的MATLAB是用FORTRAN语言编写的，尽管功能十分简单，但作为免费软件还是吸引了大量使用者，经过几年的校际流传，在John Little的推动下，由John Little、Cleve Moler和Steve Bangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并正式推出MATLAB第一版，从这时起，MATLAB的核心采用C语言编写，功能越来越强大，除原有的数值计算功能外，还新增了图形处理功能5。目前，MATLAB已经成为国际最流行的科学与工程计算软件之一。它以模块化的计算方法、可视化与智能化的人机交互功能、丰富的矩阵运算、图形绘制和数据处理函数，以及模糊化图形的动态系统仿真工具Simulink，称为控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件系统。在欧美大学的应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、摸你与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书，都把MATLAB作为其中的内容。在那里，MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生和博士生必须掌握的基本工具。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认为是进行高效研究、开发的首选软件工具，如美国National Instrunents 公司信号测量分析软件LabVIEW，Cadence 公司信号和通信分析设计软件SPW等，都是以MATLAB为主要支撑的。1.3 论文研究内容在实际工业过程控制中，被控对象会受到来自各种渠道的干扰和影响，这些干扰和影响可能导致结构的变化，这往往要求系统能根据运行状态自动进行调整，使系统始终运行在一个较好的工作状态。自适应控制就是通过在线辨识对象特性参数，实时改变控制策略，使系统始终运行在一个较好的工作状态，但其控制效果取决于模型辨识的准确度，这在复杂系统的情况下是非常困难的，有时几乎是不可能的。因此，在实际工业过程控制中，大量采用的仍然是PID控制，为了提高PID控制的性能，采用了大量现在控制技术，模糊PID控制就是其中卓有成效的一种方法6。所谓模糊PID控制是指运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则和有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，实行对PID参数的调整。从前面的讨论知道：1）PID控制和模糊控制都是适应性强的控制方法可以适应大多数被控对象的控制；2）PID控制稳态性能好，单动态特性不太理想；而模糊控制动态响应品质优良，但存在稳态性能差的问题；3）在不知道精确的被控对象的数学模型时，PID控制参数整定困难；而模糊控制用自然语言方法，控制方法易于掌握，不需要精确的被控对象的数学模型；4）PID控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳，当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能到时系统的不稳定；而模糊控制鲁棒性好，能够较大范围的适应参数变化。如果在过程控制中能够结合PID控制和模糊控制的优点，这样的控制就比较理想了，本节几种研究PID参数的模糊整定和模糊PID控制。PID参数的模糊整定解决在不知道精确的被控对象的数学模型时，PID控制参数整定问题；模糊PID控制解决PID控制动态特性不太理想，鲁棒性较差，当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定的问题7。PID参数模糊自整定就是要找出比例系数、积分常数、微分常数三个参数与误差和误差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测误差和误差变化率，根据模糊控制原理实现对三个参数的修改，以满足不同误差和误差变化率对三个参数的不同要求，使控制系统具有良好的动态和静态性能。图1-1 PID参数整定基本模型282 PID控制和模糊控制理论概述2.1 PID控制技术概述PID控制自18实际引入控制领域以来，一直保持着它在工业过程控制中的主导地位，据统计工业控制的控制器中PID类控制器占90%以上，PID控制器是最早出现的控制器类型，因为其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以这类控制器神兽工程技术人员喜爱。此外，随着控制理论的发展，出现了各种分支，如专家系统、模糊逻辑、神经网络、灰色系统理论等，他们和PID控制策略相结合又派生出各种新型的PID控制器，形成了庞大的PID家族，很多算法大大改进了传统PID控制器的性能。PID控制器是工业生产过程中最常用的调节装置，只串联校正装置，一般模拟PID仪表是有源校正装置，采用连续PID控制方式；而数字PID控制器是用计算机实现的，采用数字PID控制方式。PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制三个部分组成，是一个二阶超前滞后校正装置。PID控制器具有简单，易于参数整定等特点，在工业生产中得到广泛应用8。2.1.1 PID控制算法连续PID控制的传递函数为： （2-1）数字PID控制的数字算法为： （2-2）P调节器，是最基本的控制形式，一般只能满足闭环系统的一个性能指标，比如衰减比、稳定裕度等；PI调节器，只要勇于消除稳态误差；PD调节器，只要勇于增大衰减；PID调节器，适应大多数工业生产过程控制。所谓PID控制是比例一积分一微分（PID）控制是将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过现行组合构成控制量，对被控过程进行控制。其基本原理如下：图2-1 PID控制原理图给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差:e(t)：e(t)=r(t)-y(t) （2-3）PID控制规律： （2-4）其传递函数形式： （2-5）式中：比例系数；积分时间常数；微分时间常数。2.1.2 PID控制器组成从式（2-4）中可以看出，控制输出由三部分组成：比例环节：根据偏差量成比例的调节系统控制量，以此产生控制作用，减少偏差。比例系数的作用是加快系统的影响速度，比例系数越大，系统响应速度越快，系统的调节精度越高，但容易产生超调，甚至会导致系统的不稳定；比例系数过小，会降低系统调节精度，系统响应速度变慢，调节时间变长，系统动态、静态特性变坏。积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小，越小，积分作用越强。需要注意的是积分作用过强，可能引起系统的不稳定9。微分环节：根据偏差量的变化趋势调节系统控制量，在偏差信号发生较大的变化以前，提前引入一个早期的校正信号，取到加快系统动作速度，减少调节时间的作用。需要注意的是微分作用过强，可能引起系统的震荡。在计算机控制系统中，PID控制算法是在计算机内以程序实现的，计算机作为倚重数字运算工具，采用的是离散化方法，因此使用的是数字PID控制，所谓数字PID，即在模拟PID控制算法的基础上，以采样时刻点KT代替连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以差分近似代替微分，即： （2-6）离散PID控制的表达式为： （2-7）式中：，。T为采样周期，k为采样序号，e(k)为第k时刻所得的偏差信号。其控制框图为：图2-2 数字PID控制原理如图所示为PID仿真模型：图2-3 PID控制设计图PID仿真波形为：图2-4 PID仿真波形图2.1.3 PID控制特点PID控制具有以下优点：1）PID控制具有适应性强的特点，适应各种控制对象，参数的整定是PID控制的一个关键问题10；2）只要参数整定合适，对大多数被控对象（阶以下系统）可以实现无差控制，稳态性能好，但动态特性不太理想；3）PID控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳，当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能到时系统的不稳定11。虽然PID控制具有一些不理想的方面，但由于其具有十分明显的有点，在工业过程控制领域一直占据了主导地位，而且全世界的控制技术研究和应用人员对PID控制进行了大量的研究，努力改善PID控制的性能。围绕PID控制，并与多种其他控制技术结合，形成了多重PID控制技术，是一些PID控制技术的发展和研究方向。1）专家PID控制：专家控制（Expert Control）的时滞是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制；2）模糊PID控制：模糊控制技术与PID控制结合更构成模糊PID控制；3）神经PID控制：运用神经网络技术对PID控制参数进行整定构成神经PID控制；4）遗传PID控制：用遗传算法对PID控制参数进行整定和有话构成遗传PID控制；5）灰色PID控制：灰色系统理论与PID控制结合进行系统控制构成PID控制；以上多重PID控制方法，是PID控制与现代控制技术的结合，主要是在PID参数动态整定上进行了大量研究，在保持PID控制基本原理的基础上，改善了PID控制的性能，使PID控制焕发出新的魅力，在工业过程控制领域继续占据着主导地位。2.2 模糊控制技术概述在生产实践中，存在着大量的模糊现象，对于那些无法获得数学模型或模型复杂的、非线性的、时变的或者祸合严重的系统，无论用经典控制，还是用现代控制理论的算法都很难实现控制。但是，一个熟练的操作工人或技术人员，凭借自己的经验，靠眼、耳等“传感器”的观察，经过大脑的思维判断给出控制量，可以用手动操作，达到了较好的控制效果。例如，对于一个炉温控制系统，人的控制规则是，若温度高于某一设定值，操作者就减小控制量，使之降温，并且温度越高，控制量就减得越多；反之，若温度低于该设定值，则加大控制量，使之升温，并且温度越低，控制量就增加得越多。该例中包含了大量得模糊概念，如“高于”、“低于”、“越高”、“越低”、“越多”等等。因此，操作者得观察和思维判断过程，实际上就是一个模糊化或模糊计算的过程。把人的操作经验归纳成一系列的规则，存放于计算机中，利用模糊集理论将它量化，使控制器模仿人的操作策略，这就是模糊控制器，而用模糊控制器组成的系统就是模糊控制系统12。2.2.1 模糊逻辑对模糊性的认识，在历史上存在着两种观点，一种观点是以爱因斯坦为代表的，认为：对事物是可以精确的认识的，我们之所以不能精确的认识事物，是因为目前的技术手段还没有达到的缘故；另一种观点是以波尔为代表的，认为：事物的本身具有模糊性，模糊是事物的一种固有特性。不管怎么样，模糊理论的发展，确实给人类带来了非常重要的变化，模糊控制作为人工智能的一个重要分支，在控制领域得到了广泛的应用，模糊控制得以迅速的发展，主要原因有：1）模糊逻辑是基于自然语言的描述；2）模糊逻辑可以建立在专家经验的基础上；3）模糊逻辑容许使用不精确的数据；4）模糊逻辑在概念上易于理解；5）模糊逻辑可以对任意复杂的非线性函数建模；只有知道了研究对象的模糊模型才能实施有效的模糊控制，模糊控制的首要问题就是要寻找出适合被研究对象的模糊模型，即模糊系统的建模，就是建立未知系统的模糊模型。因此就需要求出一个系统的输入输出、语言变量的个数及其隶属函数，以及反映其联系的输入、输出模糊关系，或者其模糊语言规则。模糊逻辑是从人的思维外特性，即语言和对世界认识的概念上去研究认得智能，模糊控制是从被控制对象的外特性出发，用语言对被控制对象进行建模和控制的方法。模糊控制不必要也不需要知道被控制对象的精确数学模型，而是把被控制对象当成一个黑匣子，通过其外特性建立研究系统的模糊模型13。模糊控制是目前在控制领域所采用的三种智能控制方法中最据实际意义的方法。模糊控制的采用解决了大量过去人们无法解决的问题，并且在工业控制、家用电器和各个领域已取得了令人触目的成效。模糊逻辑应用最有效并最广泛的领域就是模糊控制。模糊控制在各种领域出人意料的解决了传统控制方法无法或难以解决的问题，并取得了令人触目的成效。现在，人们已经明确的知道：模糊控制是目前在控制领域中所采用的三种智能控制方法中最具实际意义的方法。模糊控制就是建立在人类思维模糊性的基础上的14。模糊控制与传统控制有着本质的区别，它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控制理论那样需要用矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是在于它具有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。控制规则往往是由对被控过程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制在本质上来说是一种专家控制。这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。传统控制方法以数学公式描述控制过程，往往可以给出十分严密和明确的数学表述。模糊控制以语句规则描述控制过程，使习惯了用精确数学刻画控制过程的人们感到不易适应和迷惑。它有一整套和传统控制方法完全不同的理论和方法15。何况，一种技术是否先进，是以其在实际中应用是否取得良好效果而体现的，绝不仅是因对其冗长的论证或美妙的描述就会优秀起来。模糊控制这种技术，尽管其理论系统尚未完善，但其大量应用的超常成效足以表明它是一种前途无量的技术。2.2.2 模糊控制算法模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，作为智能控制的一个重要分支，在控制领域获得了广泛应用，模糊控制的核心是模糊控制器，而模糊控制器的关键是模糊控制规则的确定，即模糊控制规则表，模糊控制规则表是根据专家或者操作者的手动控制经验总结出来的一系列控制规则16。一般最易为人所观察到的就是被控过程的输出变量及其变化率，因此通常把误差及其变化率作为模糊控制器的输入语言变量，把控制量作为模糊控制器的输出语言变量，从关系上看为,实质上体现为模糊控制器是一种非线性的比例微分（PD）控制关系。图2-3 模糊控制系统框图一般考虑到精确性和复杂性的关系，和常选用七个语言变量值，即：（正大，正中，正小，零，负小，负中，负大）=，一般模糊控制器的框图如下：图2-4 模糊控制器控制规则用模糊条件语言表达： If and then （2-8）从控制规则也可以反映出非线性的比例微分（PD）控制关系。模糊控制较常用的另一种形式是用一个解析式来表示控制规则： （2-9）其中，称为修正因子，选取不同的，可以得到不同特性的模糊模型，最后反映出来的仍然是一张模糊控制规则表，只是由于因子的引入，可以在一定程度上修改模糊控制规则，使其变得比较灵活一点。从本质上看，反映出来的仍然是一种非线性的比例微分（PD）控制关系，其控制规则仍然是模糊控制表。模糊控制与传统控制方式相比具有以下语出有点：1）不需要精确的被控对象的数学模型；2）使用自然语言方法，控制方法易于掌握；3）鲁棒性好，能够较大范围的适应参数变化；4）与常规PID控制相比，动态响应品质优良；5）查表法程序设计简单运算量小，速度快，适应中低档单片机，在控制系统中得到广泛引用。事实上，模糊理论应用最有效，最广泛的领域就是模糊控制，模糊控制在各个领域出人意料的解决了传统控制理论无法解决的或难以解决的问题，并取得了一些令人信服的成效。模糊控制作为处理复杂系统的方法，在工程实践中得到了广泛的应用，但是模糊控制还远没有达到成熟，还有许多富有挑战性的工作要做。目前面临的主要问题是：1） 模糊控制理论尚未形成一套系统的理论基础；2）非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建立和推理算法需要进一步的深入研究；3）自学习模糊控制策略和只能化系统及其实现；4）常规模糊控制系统稳态性能的改善；5）模糊集成控制设计方法研究；6）多维模糊控制的研究。如何将模糊控制与传统控制以及其他只能控制相结合是一个很值得研究的课题，而且已经取得了不少的成果。模糊控制算法，或称模糊控制规则，实值上市将操作者在控制过程中的实践经验（即手动控制策略）加以总结而得到的一条条模糊条件语句的集合，它是模糊控制器的核心。常见的模糊控制规则有：1）单输入单输出模糊控制：这列输入和输出均为一维的模糊控制器，其控制规则通常由模糊条件语句if then 或者if then else 来描述，其中模糊集合和具有相同论域。这种控制规则反映非线性比例（P）控制规律。（如图a）2）双输入单输出模糊控制：这类二维输入一维输出的模糊控制器，其控制规则通常由模糊条件语句if and then 来表达，是模糊控制中最常用的一种控制规则，它反映非线性比例加微分（PD）控制规律。（图b）3）多输入单输出模糊控制器：这类模糊孔子红旗，其控制规则通常由模糊条件语句if and and and then 来描述（图c）4）双输入多输出模糊控制器：这类模糊控制器，其控制规则可由一组模糊条件语句 （3-4）来描述，它代表根据取自系统误差及误差率变化的信息同时向多个控制通道输出控制作用信息的控制策略（图3-11(d)） （a） （b） （c） （d） 图3-11 模糊控制方框图模糊控制器模型为：图3-12 模糊控制器模型模糊控制输出波形为：图3-13 模糊控制仿真波形2.3 本章小结通过本章了解PID控制和模糊控制理论，何为PID控制技术、模糊控制技术，对PID控制和模糊控制有了深刻的认识。了解模糊控制与传统控制的区别，PID控制的有点等等。3 模糊PID控制器设计3.1 模糊PID控制器基本原理所谓模糊PID控制是指引用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则和有关信息最为只是存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际乡音情况，引用模糊脱离，实现对PID参数的调整17。综合PID控制和模糊控制可知：1）PID控制盒模糊控制都是适应性强的控制方法，可以适应大多数被控对象的控制；2）PID控制稳态性能好，但动态特性不太理想；而模糊控制动态响应品质优良，但存在稳态性能差的问题；3）在不知道精确的被控对象的数学模型时，PID控制参数整定困难；而模糊控制使用自然语言方法，控制方法易于掌握，不需要精确的被控对象的数学模型；4）PID控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性控制效果不佳，当系统参数发生变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定；而模糊控制鲁棒性好，能够较大范围的适应从参数变化18。模糊控制是以模糊数学及模糊逻辑为指出的一种计算机控制，涉及非线性控制和智能控制领域的知识，以计算机为载体，实现其具体控制，涉及计算机的软件和硬件知识，已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式19。众多的学者和工程师在开拓模糊控制的应用方面，进行了大量的工作，模糊控制在控制系统中，为达到不同的目的，可以有多重实现形式。下面以两输入单输出的模糊控制框图说明模糊控制的基本工作过程：图3-1 模糊控制系统框图在一个控制系统中，一般最易为人所观察到的就是被控过程的输出变量及其变化率，因此一般模糊控制器以误差e和误差变化率ec作为输入变量，以被控过程的输出y作为输出变量，误差e、误差变化率ec和输出y的实际变化范围，称为模糊控制的基本论域。在模糊控制中，用模糊概念来标书输入和输出变量，E、EC称为输入语言变量，Y称为输出语言变量，语言变量是一个模糊集合，语言变量的取值称为语言变量值，语言变量的语言变量值根据问题需要确定，语言变量值是语言变量的模糊自己，语言变量值构成语言变量的辞集。对于输入变量e、ec在基本论域内的一个实值，为实施模糊控制，需要将其转化为语言变量值，这个转化依赖于语言变量值的隶属度函数，这种转化的过程叫模糊化。经过模糊化处理后，得到输入变量e、ec在输入基本论域内的一个实值隶属于各语言变量值的程度。一般在一个模糊规则中前件中往往不只有一个命题，需要用模糊算子获得该规则前件被满足的程度。模糊算子的输入是两个或者多个输入的经过模糊化后得到的语言变量值（隶属度值），其输出是一条郭泽的整个前件被满足的隶属度。将一条规则的整个前件被满足的隶属度作为输入，根据规则“如果x是A，则y是B”表示的A与B之间的模糊蕴含关系（AB）进行模糊推理，可以得到一个输出模糊集，即输出语言变量值，这种过程称为模糊推理，模糊推理的关键是模糊控制规则的确定，即模糊控制规则表，模糊控制规则表是根据专家或者操作者的手动控制经验总结出来的一系列控制规则。由于一般情况下，模糊规则库由多条规则组成，经过模糊推理得到的是一个由每一条规则推理得出的输出语言变量值的集合，因此需要将这些输出语言变量值进行某种合成运算，得到一个综合的输出模糊集，这种过程称为模糊合成。将经过模糊合成得到的综合的输出模糊集进行转化，即将语言变量值转化为输入变量基本论域内的一个实值，对被空过程进行控制，这种过程叫模糊判决或者叫去模糊化。在模糊控制系统中通常把下图所示部分称为模糊控制器：图3-2 模糊控制器框图通过对模糊控制过程的描述，假设有n个输入，每个输入分别为k个语言变量值，m条规则，一个输出，每条规则有1个前件，可以知道，模糊控制的工作过程如下：图3-3 模糊控制工作过程其中：模糊算子、模糊蕴涵、模糊合成构成了模糊推理过程。基本模糊控制系统一般可以用下图表示其工作原理：图3-4 模糊控制系统基本机构框图从模糊控制器的构成知道，输入模糊化、模糊推理、去模糊化是实施模糊控制的三个主要环节。有时我们也根据这三个环节的作用将他们分别成为模糊器、模糊推理机和解模糊器。3.2 模糊PID控制器结构设计模糊控制对PID控制的参数进行调整，以提高PID控制的控制性能。从这样的意义出发，模糊PID控制重要的任务是找出PID的三个参数与误差e和误差变化率ec之间的模糊关系，在运行中不断检测e和ec，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整，满足不同e和ec时对三个参数的不同要求20。比例环节：根据偏差量成比例的调节系统控制量，以此产生控制作用，减少偏差。积分环节：用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小，越小，积分作用越强。需要注意的是积分作用过强，可能引起系统的不稳定。微分环节：根据偏差量的变化趋势调节系统控制量，在偏差信号发生较大的变化以前，提前引入一个早期的校正信号，取到加快系统动作速度，减少调节时间的作用。需要注意的是微分作用过强，可能引起系统的震荡。一般来说，不用的偏差e和偏差变化率ec对PID控制器的参数、和有不同要求。以典型二阶系统单位阶跃响应的误差曲线为例进行分析如下：图3-5 阶跃响应曲线 从误差曲线看出：1）当误差较大时，说明误差的绝对值较大，不论误差的变化趋势如何，都应该考虑控制器的取较大值，以提高响应的快速性；而为防止因为瞬时过大，应该取较小的值；为控制超调，也应该取值很小。2）当误差在中等大时，为保证系统的响应速度并控制超调，应减小，值应增大，应适中。3）当误差较小时，为保证系统具有良好的稳态特性，应加大，的取值，同时为避免产生震荡，的取值应该和联系起来。模糊PID控制根据系统运行的不同状态，考虑、三者的关联，根据工程经验设计模糊整定这三个参数，选择输入语言变量为误差e和误差变化率ec，语言变量值取NB,NM,NS,0,PS,PM,PB七个模糊值；选择输出语言变量为、，语言变量值也取NB,NM,NS,0,PS,PM,PB七个模糊值，建立、的模糊规则表如表3-1，表3-2和表3-3。表3-1 的模糊规则表表3-2 的模糊规则表表3-3 的模糊规则表根据模糊规则表，可以对、进行动态整定，设、为采用常规整定方法得到的、的预整定值，选择适当的模糊化和去模糊化方法，则模糊PID参数： （3-1） （3-2） （3-3）3.3 本章小结本章讲述了模糊PID控制器的基本原理，详细描述了模糊PID控制器的结构设计和模糊控制器设计及其算法。模糊控制器的模型以及模糊控制器仿真波形图。以及一些模糊控制规则。4 模糊PID控制器开发环境4.1 Matlab开发环境简介MATLAB语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，自1984年由美国Math Works公司推向市场以来，经历十多年的发展与竞争，现已成为国际公认的最优秀的工程应用开发环境。MATLAB功能强大、简单易学、变成效率高，神兽广大科技工作者的欢迎21。在欧美各高等院校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等课程的基本教学工具，成为大学生、硕士生以及博士生必须掌握的基本技能。MATLAB只有在适当的外部环境中才能正常运行。在PC机上安装MATLAB时需要注意正确选取MATLAB组件目前，在国际流行的科技应用技术软件中，数学类（区别于文字处理类和图像处理类）软件共有十几款之多。从他们的数学处理的原始内核来看，不外乎两种类型：数值计算型和数学分析型。前者如MATLAB、Xmath等，它们对大量数据具有较强的管理、计算和可视化能力，隐形效率高；后者如Mathematica、Maple等，它们擅长于符号计算，可以得到问题的解析符号解和任意精度解，但处理大量数据时速度较慢22。4.2 Simulink工具箱简介Simulink是MATLAB的重要组成部分，较为流行的版本有：与MATLAB 5.2配用的Simulink 2.2、与MATLAB 5.3配用的Simulink 3.0、与MATLAB 6.0配用的Simulink 4.0、MATLAB 6.5配用的Simulink 5.0，以及与MATLAB 7.0配用的Simulink 6.0、与MATLAB R2009a 配用Simulink 8.0。Simulink既适用于翔行系统，也适用于非线性系统；既适用于连续系统，也适用于离散系统和连续与离散混合系统；既适用于定常系统，也适用于时变系统。Simulink提供图形用户界面，用户可以用鼠标操作，从模块库中调用标准模块，将他们适当的连接起来构成动态系统模型，并且用各模块的参数对话框为系统中各模块设置参数。当个模块的参数设置完成之后，即建立起该系统的模型。如果对某一模块没有设置参数，那就意味着使用Simulink预先为该模块设置的默认参数值作为该模块的参数23。Simulink模块库内容十分丰富，除包括输入信号源（Sources）模块库、输出接收（Sinks）模块库、连续系统（Continuous）模块库、离散系统（Discrete）模块库、数字运算（Math Operations）模块库等许多标准模块外，用户还可以自定义和创建模块。系统的模型建立之后，选择仿真参数和数值算法，便可以启动仿真程序对系统进行仿真，这种操作可以用Simulink菜单，也可以用MATLAB命令实现。菜单方式对于交互式运行特别方便，而命令方式对于一批仿真时很有用24。在仿真过程中，用户可以设置不用的输出方式来观察仿真结果。例如，使用Simulink模块库中的Scope模块或者其他县市模块来观察有关信号的变化曲线，也可以将结果存放在MATLAB工作空间中，供以后处理和使用。根据仿真结果，用户可以调整系统参数，观察分析仿真结果的变化，从而获得更加理想的仿真结果。4.3 本章小结本章讲述了MATLAB开发环境和Simulink工具箱，了解模糊PID控制器的开发环境。更加方便使用MATLAB与Simulink。哈尔滨商业大学毕业设计（论文）5 基于Simulink的模糊PID控制器仿真5.1 Simulink仿真模块常用模块库（Commonly Used Blocks）是为了加快建模速度、节省建模过程中寻找模块的时间而将最常用的基本模块几种放在一起形成的。在初学Simulink建模与仿真时，是使用最为频繁的模块库25。常用模块库包括Bus Creator（总线信号生成器）模块、Commonly Bus Selector（常数总线信号选择器）模块、Constant（常数模块）、Data Type Conversion（数据类型转换）模块、Demux（信号分离器）模块、Discrete-Time Integrator（离散时间积分）模块、Gain（增益）模块、In1（输入接口）模块、Switch（开关转换）模块、Terminator（信号终端）模块、Unit Delay（单位延迟）模块26。5.2 仿真分析为比较PID控制和模糊PID控制器的控制性能,用Matlab中的simulink和Fuzzy工具箱，对控制对象进行仿真研究。