毕业设计（论文）-改进型模糊控制器设计.doc

安阳师范学院本科学生毕业论文改进型模糊控制器设计作者 系（院） 物理与电气工程学院 专业电气工程及其自动化 年级 2009级 学号 指导教师 日期 2011年5月29日 学生诚信承诺书本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。所有合作者对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 日期： 论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名： 导师签名： 日期： 改进型模糊控制器设计(安阳师范学院 物理与电气工程学院，河南 安阳 455000)摘 要：采用常规PID 控制很难实现对大滞后、非线性等难以建立精确数学模型的被控对象的良好控制，而模糊控制不依赖于对象的数学模型，特别适合于非线性系统的控制，但通常会引起系统的稳态误差。本文研究了将PID控制与模糊控制相结合的改进型模糊控制器，该控制方法将积分环节引入到常规模糊控制器中。通过SIMULINK 仿真实验表明，该控制方法满足二阶非线性控制对象的控制要求，并取得了良好的控制效果。关键词：PID 控制；模糊控制；积分环节；非线性系统1.引 言PID控制是最早发展起来的控制策略之一。由于其计算法简单，鲁棒性好和可靠性高。被广泛应用于工业过程控制。在PID控制中，一个至关重要的问题是PID参数（比例参数、积分时间、微分时间）的整定。参数整定的优劣不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。而实际工业生产工程往往具有非线性、时变性等不确定干扰。常规PID控制器经常出现整定不良、控制功能欠佳，且对运行工况的适应性较差等情况。针对以上问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。模糊控制是以类应用与模糊集合理论的控制方法，不需要被控对象的精确数学模型，因而特别适用于一些大滞后、时变、非线性的复杂系统。将模糊控制和传统的PID控制器结合组成模糊控制器，不但具有PID控制精度高等优点，又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点 ，是近年来控制领域十分活跃度一支分支。2.常规模糊控制器分析自从1974 年英国的Mamdani 首次将模糊逻辑用于蒸汽机的控制后，模糊控制在工业过程、机器人、交通运输方面得到了广泛而卓有成效的应用。模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理方法为基础的一种智能方法，与PID 控制相比，模糊控制利用人类专家控制经验，对于非线性、复杂对象的控制显示了鲁棒性好和控制性能高的优点。模糊控制系统由模糊控制器和控制对象组成，核心是模糊逻辑控制器，其结构如图1 所示。模糊控制器的基本结构，如图1 虚线框中所示，它主要包括以下4 个部分4：图1 模糊控制系统结构图2.1 模糊化模糊化的作用是将输入的精确量转化成模糊量。模糊化的具体过程如下：首先对这些输入量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量，例如，常见的情况是计算e=r-y 和ec=de/dt（r表示参考输入；y 表示系统的输出；e 表示误差）。有时为了减少噪声的影响，常常对ec 进行滤波后再使用；将上述已经处理过的输入量尺度变换，使其变换到各自的论域范围；将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。2.2 知识库知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成：数据库主要包括各语言变量的隶属函数，尺度变换因子及模糊空间的分级数等；规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。2.3 模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。2.4 清晰化清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量变换为实际用于控制的清晰量，它包含以下两部分内容：将模糊的控制量经清晰化变换，成表示在论域范围的清晰量；将表示在论域范围的清晰尺度变换成实际的控制量。目前被广泛采用的均为二维模糊控制器，这种模糊控制器以误差和误差的变化为输入量，以控制量的变化为输出量，具有响应时间短、超调量小、鲁棒性好等优点，然而常规模糊控制系统的稳态性能尚不能令人满意。常规模糊控制器的主要缺点是精度低，特别是常规模糊控制器存在着不可能消除稳态偏差和稳态偏差变化率的缺点，因此在复杂系统中，如何扬长避短是一个重要课题由于它相当于一种非线性PD 控制器，缺少积分作用，会引起系统的稳态误差，故本文引入对误差信号的积分环节，使系统成为无差系统，其系统的结构框图如图2.图2 改进后模糊控制系统结构图3. PID 控制分析3.1 PID控制原理动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而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，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。（1）比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。（2）积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在客服误差的调节过程中可能会出现正当甚至失稳。其原因由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay），具有抑制误差的作用，起变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使一抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+积分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.2 PID控制在工业过程中，PID 控制是工业控制中最常用的方法，这是因为PID 控制器结构简单，实现简单，控制效果好，已得到广泛应用一般情况下，线性PID 控制器具有以下形式：其中：e（t）为偏差信号；u（t）为控制信号；kp 为比例系数；ki 为积分系数；kd 为微分系数。从系统的稳定性、响应速度、超调性和稳态精度等各方面考虑，PID 控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，比例控制器立即产生控制作用以减少偏差。（2）积分环节使被控系统开环传递函数增加一位于原点的极点，从而可以消除闭环系统的静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分系数ki，ki 越大，系统的静态误差消除的越快，但ki 过大，在响应过程的初期产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若ki 过小，将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。（3）微分环节反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。但kd 过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能.PID 控制器是一种线性控制器，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，然而实际工业过程都不同程度地存在非线性，参数时变性和模型不确定性，难以建立精确的数学模型，而且由于受到参数整定方法复杂的困扰，常规PID 控制器参数往往整定不良，性能欠佳，因此常规PID 控制器不能达到理想的控制效果。 3.3 PID 控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，主要有临界比例法、反应曲线法衰减发。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 对于流量系统：P（%）40-100，I（分）0.1-1 对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I（分）1-5 查阅也发表的论文，有人总结出以下经验：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线震荡很频繁，比例判读要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低4 仿真分析1 通常复杂工业过程可以等效成二阶系统加上一些典型的非线性环节，如死区 饱和等，这里设被控对象传递函数为，同时具有 0.05的死区和 0.5的饱和区。 2 如果采用PID控制，其中的参数通过上文的经验调整得出，建立的仿真模型如图所示：图3 PID仿真模型图系统仿真曲线如下图：图4 PID仿真曲线图3 模糊控制器选用单变量二维最常见的结构形式，设定误差e、误差变化ec及控制量u的模糊子集为负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，并简记为NB ，NM ，NS ，Z，PS，PM,PB ，论域均定为- 3， 3，模糊子集NB，PB 分别选为 Z型隶属度函数和 P型隶属函数，其余选为灵敏度高且在论域范围内均匀分布，等距离的三角形隶属函数基于手动操作人员长期积累的经验，总结出了模糊控制规则（表 1），模糊推理基于模糊逻辑中的蕴涵关系及模糊推理规则进行，采用 Mamdani 的 max- min 法通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合，采用面积重心法进行清晰化4 MATLAB的命令窗口输入命令 Fuzzy ,进入图形用户界面( GU I)窗口.根据上述隶属度函数和控制规则,利用模糊推理系统( FI S )编辑器可以建立一个 FI S文件,取名为 flc . f is .这里模糊推理及其非模糊化方法采用MIN - MAX一重心法,即有名的 Mamdani推理法在 SIMULINK环境中,用鼠标将相应模块拖入窗口中,连接好便得到图 5所示的模糊控制系统仿真模型. 系统在的 Simulink 仿真模型如图 5所示。表1 控制量u的模糊规则表图5 系统的simulink仿真模型图6 输入输出关系图图7 规则表输入界面图8 规则表输入界面图10.仿真曲线系统运行后，利用示波器观察输出，系统的阶跃响应曲线如图4，由图4 可知，常规模糊控制器作用下的系统稳态误差太大，引入积分环节的改进型模糊控制器消除了系统的稳态误差，克服了常规模糊控制器控制精度不够的缺点；改进型模糊控制系统与 PID控制系统相比较，其调节时间短，超调量小，具有很好的动态响应特性。5 结论通过仿真实验可知，与 PID控制器相比，采用模糊控制器能够得到良好的动态响应性能，适应性强，上升时间快，鲁棒性好，同时实验也表明常规模糊控制器作用下的系统稳态精度不够，加入积分环节的改进型模糊控制器克服了上述缺点，适合应用于非线性系统。致 谢 本论文是在郭季老师的悉心指导下完成的。郭老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。在整个毕业论文的写作当中，初稿是很重要的部分，而我创作初稿的时候有很多疑惑。正是因为郭老师的指导，审稿，校正，我才能够在短时间内顺利的完成初稿部分。从开始写作至本论文最终定稿，花费了我一个月以来所有的业余时间。虽说在繁忙的工作之余要完成这样一篇论文的确不是一件很轻松的事情，但我内心深处却满含深深的感激之情。在写作过程中，郭季老师给予了大力的帮助和指导，在此深表感谢！同时也感谢其他帮助和指导过我的老师和同学！同时，通过论文的撰写，使我能够更系统、全面地学习有关自动控制原理的新型的、先进的前沿理论知识，并得以借鉴众多专家学者的宝贵经验，这对于我今后的工作，无疑是不可多得的宝贵财富。虽然这次毕业论文（设计）已经结束了，可这次的经历却是我永生难忘的。因为它不仅为我的大学生活划了一个完美的句号，而且给了我极大的自信，使我在以后的生活中能够不气不馁，勇于承担责任。由于本人理论水平比较有限，论文中的有些观点以及对相关理论的归纳和阐述难免有疏漏和不足的地方，欢迎老师们指正！参考文献1马建伟，李银伢满意 PID控制设计理论与方法M北京:科学出版社,20072刘金琨 先进 PID控制及其 Matlab 实现M 北京:电子工业出版社， 20033师 黎 智能控制实验综合设计指导M 北京：清华大学出版社， 20084李国勇 智能控制及其 Matlab 实现M 北京:电子工业出版社，20055潘立登 过程控制M 北京：机械工业出版社， 20086乔志杰，王维庆 模糊自适应控制器的设计及其仿真J 自动化与仪表， 2008,21(1):26- 297熊钰杉，徐 群 PID和Fuzzy控制相结合的分段复合控制J计算机仿真， 2006,23(6):296- 2988任金霞，梁礼明 一种改进型模糊预估控制系统的鲁棒设计J南方冶金学院学报,2004， 25(5):41- 449杨赛，任金霞 改进型模糊控制器在工业过程中的应用J江西理工大学学报，2009,30（4）：26-2810孙宗毅，王柏林 一种改进的模糊PID控制器及其仿真J计算机仿真，2003，2（20）：79-82Improved fuzzy controller and the controller designWang ming ke(school of Physics and Engineerin