卡车倒行入库模糊控制与PID控制对比分析

内蒙古大学本科毕业论文（设计） I 学校代码 10126 学号 00824018 分 类 号 TP273+.4 密级 本科毕业论文（设计）卡车倒行入库模糊控制与 PID控制的对比分析学院、系 电子信息工程学院自动化系 专业名称 自动化 年 级 08 级 学生姓名 XXXX 指导教师 XXXXXX 2012 年 05 月 04 日内蒙古大学本科毕业论文（设计） II 内容摘要PID（比例 积分 微分）控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点,尤其适用于可建立精确数学模型的控制系统。而对于一些多变量、非线性、时滞的系统，传统的PID控制器并不能达到预期的效果。随着模糊数学的发展，模糊控制的思想逐渐得到控制工程师们的重视，各种模糊控制器也应运而生。作为智能控制的一个重要分支，模糊控制对于某些复杂控制对象具有更好的控制效果。本论文介绍了PID控制及模糊控制的概念及工作原理并就两者对小车倒行入库的控制进行了设计和对比。并利用MATLAB中的SIMULINK 和模糊逻辑推理系统工具箱进行了控制系统的仿真研究，并简要地分析了对应的仿真数据。最终得出对于控制小车倒行入库这种复杂的对象，模糊控制要明显优于PID控制。关键词：经典PID控制，模糊控制，参数整定，MATLAB仿真内蒙古大学本科毕业论文（设计） III ABSTRACTPID(Proportion Integration Differentiation) control, with lots of advantages including simple structure, good stability and high reliability, is quite suitable to establish especially the control system which accurate mathematical model is available and needed. However, taken multivariable, nonlinear and time-lag into consideration, traditional PID controller can not reach the expected effect.Along with the development of Fuzzy Mathematics, control engineers gradually pay much attention to the idea of Fuzzy Control, thus promoting the invention of fuzzy controllers. Fuzzy control which is a part of intelligent control has better effect to some complicated objects.Meanwhile， the concept and working principle are introduced of Fuzzy controll and PID control and their effects in controlling the car reversing were compared and analyzed. Eventually, the Fuzzy Inference Systems Toolbox and SIMULINK toolbox are used to simulate Control System. The results of the simulation show that Self-organizing Fuzzy Control System can get a better effect than the Classical PID controlled evidently.Keywords: Classic PID control; Fuzzy Control; MATLAB simulation内蒙古大学本科毕业论文（设计） IV 目录第一章 绪论 .1第二章 PID 控制 .32.1 经典 PID 控制系统的分类与简介 .32.1.1 P 控制 .32.1.2 PI 控制 .32.1.3 PD 控制 .32.1.4 比例积分微分（PID）控制 .32.2 PID 的算法和参数 .42.2.1 位移式 PID 算法 .42.2.2 增量式 PID 算法 .52.2.3 积分分离 PID 算法 .62.2.4 不完全微分 PID 算法 .62.3 PID 参数对系统控制性能的影响 .72.3.1 比例系数 KP 对系统性能的影响 .72.3.2 积分时间常数 Ti 对系统性能的影响 .82.3.3 微分时间常数 Td 对系统性能的影响 .82.4 PID 控制器的选择与 PID 参数整定 .82.4.1 PID 控制器的选择 .82.4.2 PID 控制器的参数整定 .8第三章 模糊控制 .93.1 模糊逻辑与模糊控制的概念 .93.1.1 模糊控制相关概念 .93.1.2 模糊控制的优点 .103.2 模糊控制器的基本结构与工作原理 .103.3 模糊控制器各部分组成 .113.3.1 模糊化接口 .113.3.2 知识库 .113.3.3 模糊推理机 .123.3.4 解模糊接口 .123.4 模糊推理方式 .123.4.1 Mamdani 模糊模型（迈达尼型） .123.4.2 Takagi-Sugeno 模糊模型(高木-关野) .133.5 模糊控制技术的应用概况 .13第四章 基于 MATLAB 的汽车倒车仿真分析 .144.1 基于 MATLAB 的模糊控制下的汽车倒车仿真分析 .14内蒙古大学本科毕业论文（设计） V 4.1.1 汽车倒车模糊控制器构建 .144.1.2 汽车仿真系统构建 .144.1.3 系统的仿真及性能分析 .174.2 基于 MATLAB 的 PID 控制下的汽车倒车仿真分析 .194.2.1 PID 控制汽车倒车仿真模型建立 .194.2.2 PID 参数确定及系统仿真 .204.3 两种控制下的汽车倒车仿真结果对比分析 .23结束语 .25致谢 .26参考文献 .27内蒙古大学本科毕业论文（设计） VI 内蒙古大学本科毕业论文（设计） 1 第一章 绪论常规PID控制具有原理简单，使用方便，鲁棒性好等优点，所以到今天为止，全世界控制领域中84仍是应用PID控制1。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，自19151940年期间PID控制器产生以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器仍然是主要的控制方法。就是在1995至今，PID控制器还一直被广泛应用在现代工业过程控制中，如果包括改进的PID控制，则在各种控制系统中约有90左右的控制回路具有PID结构2。然而工业对象普遍存在非线性、时变性和不确定性等因素，采用常规PID控制，是在忽略系统众多不确定因素的前提下，建立模型进行控制，不能达到精确控制要求。而且对于复杂控制对象，由于受到参数整定方法繁琐的干扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境的适应性也较差。1965年，美国加州大学著名控制专家L.A.扎德教授的开创性论文“Fuzzy Sets”的发表，标志以“Fuzzy”命名的数学-模糊数学的诞生3。在客观世界中普遍存在着三种现象：确定现象，随即现象，模糊现象，为了研究这些现象，相继产生了普通数学，统计数学，模糊数学，康托尔集合论提供了研究普通数学的基础。在康托尔集合论中，一个对象对于一个集合来说，要么属于，要么不属于，这种集合论只能表示“非此即彼”的确定现象。但在客观世界中事物多具“亦此亦彼”性，比如“年轻”与“不年轻” ， “高个子”与“矮个子” ，诸如此类没有明确外延，我们把没有明确外延的现象称为模糊现象。模糊数学是研究模糊现象的，模糊现象又普遍存在于自然科学和社会科学中，所以模糊数学必然的被广泛应用。模糊数学的产生是历史发展的必然结果，模糊控制技术的不断发展完善，将为推动工业自动化的进程做出巨大的贡献。自 扎 德 1965 年 开 创 “模 糊 集 ”以 来 ， 模 糊 集 合 论 及 相 应 的 模 糊 理 论 有 了飞 跃 的 发 展 ， 1974 年 伦 敦 大 学 首 次 尝 试 利 用 模 糊 逻 辑 ， 开 发 了 世 界 上 第 一 台模 糊 控 制 的 引 擎 ， 1965-1974 是 第 一 阶 段 ， 1974-1979 是 第 二 阶 段 ， 1979-现在 是 第 三 阶 段 。 我 国 也 是 世 界 上 模 糊 控 制 技 术 研 究 的 领 先 者 之 一 ， 在 人 力 投 入方 面 ， 比 日 本 ， 欧 美 都 多 ， 居 世 界 第 一 。 我 国 在 模 糊 控 制 方 面 着 重 通 用 模 糊 控内蒙古大学本科毕业论文（设计） 2 制 系 统 的 开 发 ， 它 与 传 统 控 制 相 比 ,具 有 实 时 性 好 ,超 调 量 小 ,抗 干 扰 强 ,稳 态误 差 小 ,自 动 化 程 度 高 等 优 点 。 从 上 世 纪 末 到 本 世 纪 初 我 国 在 模 糊 控 制 研 究 开发 领 域 已 有 更 大 的 发 展 ,主 要 反 映 在 模 糊 控 制 理 论 的 研 究 和 模 糊 逻 辑 控 制 产 品的 开 发 上 ,特 别 值 得 强 调 的 是 模 糊 逻 辑 在 智 能 计 算 机 与 智 能 控 制 的 应 用 与 开 发上 也 起 到 了 重 要 的 作 用 。本 文 以 四 章 的 篇 幅 首 先 对 本 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 、 控 制 理 论 发 展 状 况作 了 介 绍 。 然 后 介 绍 了 PID 控 制 器 算 法 ， 以 对 基 本 的 PID 控 制 器 结 构 分 析 为出 发 点 ， 从 其 控 制 原 理 规 律 、 参 数 整 定 方 法 综 述 等 方 面 进 行 了 仔 细 的 分 析 与讨 论 ， 并 对 模 糊 控 制 的 概 念 进 行 了 大 致 的 阐 述 并 对 其 工 作 原 理 、 构 成 结 构 、分 类 等 几 个 方 面 进 行 较 深 入 的 分 析 ， 列 举 了 几 个 目 前 较 纯 熟 的 将 模 糊 控 制 应 用于 家 用 电 器 的 应 用 实 例 。 在 文 章 的 最 后 分 别 对 本 文 所 提 出 的 基 于 MATLAB 实现 的 模 糊 控 制 下 的 小 车 倒 库 与 PID 控 制 下 的 小 车 倒 库 进 行 了 仿 真 实 验 研 究 并对 两 者 的 仿 真 结 果 进 行 了 比 较 分 析 ， 并 且 归 纳 结 果 、 概 括 结 论 。内蒙古大学本科毕业论文（设计） 3 第二章 PID 控制2.1 经典 PID 控制系统的分类与简介2.1.1 P 控制这 类 控 制 输 出 的 变 化 与 输 入 控 制 器 的 偏 差 成 比 例 关 系 ， 输 入 偏 差 越 大 输出 越 大 。 单 纯 的 比 例 控 制 适 用 于 扰 动 不 大 ， 滞 后 较 小 ， 负 荷 变 化 小 ， 要 求 不 高 ，允 许 有 一 定 剩 余 误 差 存 在 的 场 合 。 在 工 业 生 产 中 ， 比 例 控 制 规 律 使 用 较 为 普遍 ， 它 是 控 制 规 律 中 最 基 本 的 、 应 用 最 普 遍 的 一 种 ， 其 最 大 优 点 就 是 控 制 及 时 、迅 速 。 只 要 有 偏 差 产 生 ， 控 制 器 立 即 产 生 控 制 作 用 4。 但 是 不 能 最 终 消 除剩 余 误 差 的 缺 点 限 制 了 它 的 单 独 使 用 。 2.1.2 PI 控制克 服 剩 余 误 差 的 办 法 是 在 比 例 控 制 的 基 础 上 加 上 积 分 控 制 。 积 分 控 制 器的 输 出 与 输 入 偏 差 对 时 间 的 积 分 成 正 比 。 它 的 输 出 不 仅 与 输 入 偏 差 的 大 小 有关 ， 而 且 还 与 偏 差 存 在 的 时 间 有 关 。 只 要 偏 差 存 在 ， 输 出 就 会 不 断 累 积 ， 一 直到 偏 差 为 零 ， 累 积 才 会 停 止 。 所 以 ， 积 分 控 制 可 以 消 除 剩 余 误 差 。2.1.3 PD 控制当 被 控 对 象 受 到 扰 动 作 用 后 ， 被 控 变 量 没 有 立 即 发 生 变 化 ， 而 是 有 一 个 时间 上 的 延 迟 。 因 此 要 引 入 比 例 、 微 分 作 用 ， 即 PD 控 制 。 它 比 单 纯 的 比 例 作用 更 快 。 尤 其 是 对 容 量 滞 后 大 的 对 象 ， 可 以 减 小 偏 差 的 幅 度 ， 节 省 控 制 时 间 ，显 著 改 善 控 制 质 量 。2.1.4 比例积分微分（PID）控制最 为 理 想 的 控 制 当 属 比 例 -积 分 -微 分 控 制 。 它 集 三 者 之 长 ： 既 有 比 例 作 用的 及 时 迅 速 ， 又 有 积 分 作 用 的 消 除 剩 余 误 差 能 力 ， 还 有 微 分 作 用 的 超 前 控 制 功能 。 当 偏 差 扰 动 出 现 时 ， 微 分 立 即 大 幅 度 动 作 ， 抑 制 偏 差 的 这 种 跃 变 ； 比 例 也内蒙古大学本科毕业论文（设计） 4 同 时 起 消 除 偏 差 的 作 用 ， 使 振 荡 幅 度 减 小 。 由 于 比 例 作 用 是 持 久 和 起 主 要 作 用的 控 制 规 律 ， 积 分 作 用 可 以 慢 慢 把 剩 余 误 差 克