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 ； SIMULINKIIFuzzy Adaptive PID Controller Design and SimulationAnalysisAbstractTo the conventional PID control dont have self-adaptive ,the control effect of time-varing and nonlinearity, We have already take the control method that combine fuzzy technology with PID control, and design various the fuzzy controller. The main contents of thesis is that: 1. Introduce the fuzzy control technologys background and great significance, understanding the advantages and disadvantages of the conventional PID control.2. Understanding the mathematical basis of the fuzzy control, such as: the definition of fuzzy set, fuzzy language, fuzzy inference, membership function of fuzzy variables, treatise domain, quantifiable factor, scale factor and so on . 3. Master the use of the fuzzy toolbox, SIMULINK at MATLAB and the design of the fuzzy controller for different control system design the rules of the different fuzzy controller correspondingly.4. Carry out SIMULINK simulation for the hybrid fuzzy controller, the switch fuzzy controller, and self-fuzzy controller. When a fuzzy logic control toolbox design fuzzy controller, it is very flexible、 convenient and great observability in MATLAB, and it can construct various complex fuzzy PID control system directly in SIMULINK environment. The simulation IIIresults show that the fuzzy PID control have advantages of flexible control, small overshoot, fast response and strong adaption.Key words： Fuzzy PID control； MATLAB simulation； 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 .11.2 PID 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 .204.1 PID 的 概 述 .204.2 PID 控 制 的 基 本 理 论 .204.3 模 糊 PID 控 制 .23第 5 章 MATLAB 仿 真 .255.1 MATLAB 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 .265.2.3 MATLAB 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 .305.3.3 MATLAB 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 .325.4.3 MATLAB 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 .345.5.3 MATLAB 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 Fuzzy Set 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 器 智 能 化 、 仪 器 仪 表 自 动 化 、 计 算 机 及 电 子 技 术应 用 等 领 域 。 尤 其 在 交 通 路 口 控 制 、 机 器 人 、 机 械 手 控 制 、 航 天 飞 行 控 制 、 汽 车 控制 、 电 梯 控 制 、 核 反 应 堆 及 家 用 电 器 控 制 等 方 面 ， 表 现 其 很 强 的 应 用 价 值 。 并 且 目前 已 有 了 专 用 的 模 糊 芯 片 和 模 糊 计 算 机 的 产 品 ， 可 供 选 用 。 我 国 对 模 糊 控 制 器 开 始研 究 是 在 1979 年 ， 并 且 已 经 在 模 糊 控 制 器 的 定 义 、 性 能 、 算 法 、 鲁 棒 性 、 电 路 实现 方 法 、 稳 定 性 、 规 则 自 调 整 等 方 面 取 得 了 大 量 的 成 果 。 著 名 科 学 家 钱 学 森 指 出 ，模 糊 数 学 理 论 及 其 应 用 ， 关 系 到 我 国 二 十 一 世 纪 的 国 力 和 命 运 。1.2 PID 控 制 的 特 点PID 控 制 的 优 点 与 缺 点 ： 1(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 ；(2)只 要 参 数 整 定 合 适 ， 对 大 多 数 被 控 对 象 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 导 致 系 统 的 不 稳 定 。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 优 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 它- 3 -控 制 技 术 结 合 ， 形 成 了 多 种 PID 控 制 技 术 ， 以 下 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 实 质 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 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 优 化 ， 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 种 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 ， 在 工 业 过 程 控 制 领 域 继 续 占 据 着 主 导 地 位 。1.3 模 糊 控 制 技 术 概 述模 糊 控 制 主 要 还 是 建 立 在 人 的 直 觉 和 经 验 的 基 础 上 ， 这 就 是 说 ， 操 作 人 员 对 被控 系 统 的 了 解 不 是 通 过 精 确 的 数 学 表 达 式 ， 而 是 通 过 操 作 人 员 丰 富 的 实 践 经 验 和 直观 感 觉 。 这 种 方 法 可 以 看 成 是 一 组 探 索 式 决 策 规 则 。- 4 -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 。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 ec 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e U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),(ECFU线 性 的 比 例 微 分 (PD)控 制 关 系 。模 糊 控 制 系 统 框 图 如 图 1.1 所 示 。图 1.1 模糊控制系统框图误 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 表 述 输 入 和 输 出 变 量 ， e 和 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 。- 5 -语 言 变 量 值 根 据 问 题 需 要 确 定 ， 是 语 言 变 量 的 模 糊 子 集 。 语 言 变 量 值 是 构 成 语 言 变量 的 词 集 。 对 于 输 入 变 量 e、 ec 在 基 本 论 域 内 的 一 个 实 际 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 际 值 隶 属于 各 语 言 变 量 值 的 程 度 。 一 般 在 一 个 模 糊 规 则 的 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