基于Matlab的恒温箱温度控制系统设计与仿真毕业论文

1、毕业设计论文基于 Matlab 的恒温箱温度控制系统设计与仿真摘 要 恒温箱在工业生产和科学研究中有着重要的作用， 因此设计一个 合适的温度控制系统有着重要的意义，而恒温箱的温度控制系统比较复杂， 是一个大时滞、时变、非线性系统，很难用数学方法建立精确的数学模型。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。目前主要采用经典控制、 智能控制和两种控制算法相结合的控制算法对恒温 箱的温度控制系统进行控制。在本文中选定二阶纯滞后环节为控制对象的数学模型，对其分别采用 PID控制算法，模糊控制算法和模糊 PID算法对恒温箱进行控制， 并用 Matlab 对各算法进行仿真比较分析。通过对这几种算法的仿真与研究，发现 PID

2、 整 定好的参数不能长期适应系统模型，需要不断对控制器参数进行整定，才能 达到较好的控制效果；模糊控制不依赖于系统的精确模型，是解决不确定性 系统的一种有效途径，但控制精度不高，且量化因子和比例因子确定后，其 适应能力有限制； 而模糊 PID 控制方法具备了模糊控制和 PID 控制各自的优 点，同时具有很强的鲁棒性和适应能力 。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 关键词 大时滞系统， PID 控制，模糊控制，模糊 PID 控制ABSTRACTAs thermostat plays an important role in the production and scientific research, s

3、o designing a suitable temperature control system has an important significance. The thermostats temperature control system is complex, and is a large time lag, time-varing, nonlinear system, then it is difficult to establish an accurate mathematical model. Currently the classical control, intellige

4、nt control and their combined control algorithm are main used for control the temperature controlsystem.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。This paper selects second-order lag model for the control object, and uses PID control algorithm, fuzzy control algorithm and fuzzy PID algorithm to control thermostat and uses Matlab s

5、oftware for the simulation comparative analysis. By studying several simulation we found that PID algorithm arranges the parameter cannot adapt a long time, and it need unceasingly be carried on the adjustment and achieve the anticipated effect. Fuzzy control does not depend on the precise object mo

6、del and is an effective way to solve the uncertainty. But the control accuracy is not high ,and when quantifiable factor and scale factor is determined ,its adaptable ability is restricted. As fuzzy PID control algorithm ,it not only combines the fuzzy control and PID control with their respective a

7、dvantages, but also has a very strong sense of robustness and adaptabili酽ty锕.极 額 閉镇桧猪訣锥。Key words:Time-lag system, PID control, Fuzzy control, Fuzzy PID control 彈 贸摄尔霁毙攬砖卤庑。1.绪论 3 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.1 选题的目的、意义 4 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.2 对本课题涉及问题的研究现状5 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.2.1 经典控制 5鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.2.2 智能控制 6籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.2.3 结

8、论 . 7預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.3 主要解决的问题 8 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.PID 控制及仿真 9 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2.1 微分先行 PID 算法7 9 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.2 参数辨识 10 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.3PID 参数的整定 11 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.3.1PID 参数的特点 11蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.3.2ZN 经验公式法 11買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.4PID 算法仿真 11 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3.1 模糊控制基本原理 11 14 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.1.1 模糊控制基本思想 14猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.1.2 模糊控制器的基本结

9、构 14锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.1.3 模糊控制的特点 16構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.2 模糊控制器的设计 12 16 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.3 温度模糊控制器的设计 18 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.3.1 控制器结构 18识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.3.2 模糊子集的选取 18凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.3.3 模糊规则的确定 19恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.3.4 模糊推理 20鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.4 模糊控制仿真 21 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.4.1 模糊控制仿真 21阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4.模糊 PID控制及仿真 . 22 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。4.1 模糊 PID 控制器结

10、构 22 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。4.2 模糊控制器的设计 22 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。14.2.1 模糊子集的选取 22谚辞調担鈧谄动禪泻類。4.2.2 模糊规则的建立 23嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。4.2.3 模糊推理及模糊决策 26 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。4.3 模糊 PID 控制的仿真 27 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。参考文献 27 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。答 谢 29 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。1. 绪论恒温箱主要用来控制温度， 在目前工业生产及科学研究中有着重要的作 用，因此设计一个高精度的恒温箱温度控制系统有着重要的实际意义和应用 价值。为了控制恒温箱的温度，常采用最早在时滞系统控制中应用的经典

11、控 制方法和近年来受到广泛关注的智能控制方法， 同时二者相结合的复合控制 方法由于具有二者的优点， 因此也逐渐受到广泛的应用。 本文中主要介绍 PID 控制算法、模糊控制算法及模糊 PID 控制算法对恒温箱的温度控制 。 濫驂膽閉驟 羥闈詔寢賻。1.1 选题的目的、意义 恒温箱主要用来控制温度，目前广泛的应用于实验室及科研工厂、企业 等，同时它也为农业研究、生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件。 因此可以广泛适用于药物、纺织、食品加工等无菌试验、稳定性检查以及工 业产品的原料性、产品包装、产品寿命等测试。恒温箱还可供科研机关及医 院做细菌培养之用，也可作育种、发酵以及大型养殖孵化等用途 1

12、 。总之， 恒温箱在目前工业生产及科学研究中有着重要的作用， 因此设计一个高精度 的温度控制系统有着重要的实际意义和应用价值 。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。Matlab 是矩阵实验室 ( Matrix Laboratory )的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值 计算的高级技术计算语言和交互式环境 2 。它可以实现对众多控制的仿真， 而且仿真的效果好，可以直观的反应控制的效果，因此用 Matlab 对恒温箱 的温度控制系统进行仿真可以检测算法的正确性以及实用性。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。1.2 对本课题涉及问题的研究现状为了实现对恒温

13、箱的温度控制 , 常采用最早在时滞系统控制中应用的经 典控制方法和近年来受到广泛关注的智能控制方法， 同时二者相结合的复合 控制方法由于具有二者的优点，因此也逐渐受到广泛的应用 。 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。1.2.1 经典控制所谓经典控制方法是指针对时滞系统控制问题提出并应用得最早的控 制策略，主要包括 PID 控制、 Smith 预估控制、大林算法这几种方法。 塤礙籟馐 决穩賽釙冊庫。PID控制器由于具有算法简单，鲁棒性好和可靠性高等特点，因而在实 际控制系统设计中得到了广泛的应用。 PID控制的难点在于如何对控制参数 进行整定，以求得到最佳控制效果 3 。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。然而PID在时

14、滞过程中的应用受到一定的限制 , 由于PID算法只有在系统 模型参数为非时变的情况下 , 才能获得理想效果。 当一个调好参数 PID控制器 被应用到模型参数时变系统时 , 系统的性能会变差 , 甚至不稳定 4 。尤其对于 时滞较大, 即额定时滞 T 0.7的系统,常规PID控制往往无能为力。但是 , 可 以将它与其他的方法结合起来改善时滞过程的控制效果 , 从而可以继续发挥 PID控制的优点。许多学者提出了多种模糊 PID控制算法, 设计了多种模糊 PID 控制器, 如与时间无关的确定性模糊 PID控制器, 自适应模糊 PID控制器, 使得 控制性能得到了很大的改善。 PID控制可以和模糊控制

15、及神经网络结合起来 , 即基于神经网络的模糊自适应 PID控制方法。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统控制方法，该方法是一个时滞 预估补偿算法。 它通过估计对象的动态特性 ,用一个预估模型进行补偿 , 从而 得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器 , 使得整个系统的控制就如没有时滞环节 , 减小超调量 , 提高系统的稳定性并且加速调节过程 , 提高系统的快 速性5。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。理论上 Smith预估器可以完全消除时滞的影响 , 但是在实际应用中却不 尽人意 , 主要原因在于 :Smith 预估器需要确知被控对象的精确数学模型 , 当 估计模型和实际对象有

16、误差时 , 控制品质就会严重恶化 , 因而影响了 Smith预 估器在实际应用中的控制性能 6 。于是在 Smith预估器的基础上 , 许多学者提 出了扩展型的或者改进型的方案 , 这些方案包括 : 多变量 Smith 预估控制 , 非 线性系统的 Smith预估器, 改进的Smith预估器, 自适应的 Smith预估控制器。骁 顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。大林算法是由美国 IBM公司的 Dahlin 于 1968 年针对工业过程控制中的 纯滞后特性而提出的一种控制算法。 该算法的目标是设计一个合适的数字调 节器 D(z) ，使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环 节，而且要求闭环系

17、统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间 3 。大林算 法方法比较简单，只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器 D(z) ， 就能够有效地克服纯滞后的不利影响，因而在工业生产中得到了广泛应用。 但它的缺点是设计中存在振铃现象，且与 Smith 算法一样，需要一个准确的 过程数字模型，当模型误差较大时，控制质量将大大恶化，甚至系统会变得 不稳定 。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。1.2.2 智能控制 智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标 的自动控制，它包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法等 7 。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳 類。模糊控制是智能控制较早的形式，它吸取了人的思维具有模糊性

18、的特 点，从广义上讲，模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑系统的 一种控制方式，模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制 的一种有效途径。 模糊控制是一种基于专家规则的控制方法。 在时滞过程中 , 模糊控制一般是针对误差和误差变化率而进行的 , 将输入量的精确值模糊化 根据输入变量和模糊规则 , 按照模糊推理合成规则计算控制量 , 再将它清晰 化,得到精确输出控制过程，其中模糊规则是最重要的。但是 , 模糊控制存在 控制精度不高、算法复杂等缺点 8 。因此如果能结合其它的算法来提高它的 控制精度 ,那将是非常有效的，例如模糊 Smith控制器、模糊自适应控制器、 模糊PID

19、控制算法等。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构机理以及人的知识和经验 对系统的控制。 人们普遍认为，神经网络控制系统的智能性、 鲁棒性均较好， 能处理高维、非线性、强耦合和不确定性的复杂工业生产工程的控制问题， 其显著特点是具有学习能力。 神经网络的主要优势在于能够充分逼近任意复 杂的非线性系统，且有很强的鲁棒性和容错性。一般来说，神经网络用于控 制有两种方法，一种是用来实现建模，一种是直接作为控制器使用。与模糊 控制一样，神经网络也存在算法复杂的缺点，同时神经网络学习和训练比较 费时，对训练集的要求也很高 8 。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。1.2.3 结论 经典控制方法

20、由于具有结构简单、可靠性及实用性强等特点，在实际生 产过程中得到了广泛的应用。但它们都是基于参数模型的控制方法，因而自 适应性和鲁棒性差、对模型精确性要求高、抗干扰能力差。而智能控制是非 参数模型的控制方法，因而在鲁棒性、抗干扰能力方面有很大的优势。但智 能控制也有其不足之处，即理论性太强，算法过于复杂，大多数方法还仅局 限于理论和仿真研究，能在试验装置上和工业生产中应用的并不多。根据这 两类控制方法的特点， 将它们结合起来进行复合控制是一种有效的时滞系统 控制策略，成功的应用有模糊 PID 控制、模糊 Smith 控制、神经元 Smith 预 估控制、 Smith-NN 预估控制等。这些方法

21、既能利用经典控制方法结构简单、 可靠性和实用性强的特点，又能发挥智能控制自适应性和鲁棒性好，抗干扰 能力强的优势，弥补了各自的不足，在大时滞控制系统中具有很好的应用前 景。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。1.3 主要解决的问题 在本次设计中，主要是对恒温箱温度控制系统的控制算法进行研究。对 恒温箱分别采用 PID 控制算法，模糊控制算法和模糊 PID算法进行控制，并 通过 Matlab 仿真，得到控制的结果，然后分别与预期目标进行比较，检验 各种算法能否满足要求， 同时也对各种算法进行比较， 选择较好的控制策略。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。对于PID控制算法，主要研究当取不同数学模型时对系统性能的影响；

22、对于模糊控制算法，重点在于模糊控制器的设计、模糊子集的选取、模糊规 则的确立以及模糊推理；对于模糊 PID算法，模糊控制器以误差 E和误差变化 率EC作为输入，控制的关键是找出 PID三个参数 K P 、Ti和Td与E和EC之间的模 糊关系，在运行中通过不断检测 E和EC，再根据模糊控制原理来实现对 K P、Ti 和Td的在线修改，从而满足控制的要求 。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。2. PID 控制及仿真PID控制器由于具有结构简单，容易实现，控制精度高等优点，广泛应 用于工业控制过程中。而工业控制过程本身由于机理复杂，时变，时滞等原 因，其精确地数学模型很难得到，一些高阶对象通过降阶，一般用一阶

23、或二 阶惯性环节加纯延迟来近似。但是在一个具有纯滞后的系统中，采用常规的 PID控制时，存在的主要缺点是动态响应指标较差 9 。系统承受扰动后， 往往 会出现明显的超调，且调节时间也较长，然而在有些场合，大的超调是不允 许的，因此在 PID控制的基础上，提出了微分先行 PID控制算法 。 胀鏝彈奥秘孫戶孪 钇賻。2.1 微分先行 PID 算法 10微分先行 PID控制的结构图如图 1所示，其特点是对输出量进行微分，而 对给定值不作微分。这样 , 在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变 化通常是比较缓和的。 这种输出量先行微分控制适用于给定值频繁提降的场 合，可以避免给定值升降所引起的系统振

24、荡，从而明显地改善系统的动态特 性。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。图1 微分先行 PID控制结构图如图所示，微分部分的传递函数为： ud (s) 1 Tds ，则y(s) 1 0.1Td sduddy0.1Td d ud Tdy ，d dt d d dt由差分得 dud ud(k) ud(k 1) ，dy y(k) y(k 1)dt T ， dt T0.1Td ud(k) Tud(k 1) ud(k) Tdy(k) y(k 1) y(k) Tud (k)0.1Td0.1Td T ud (k 1)Td T0.1Td Ty(k)Td0.1Td Ty(k 1)ud (k) c1ud(k 1) c2 y(k

25、) c3y(k 1)其中 c10.1Td0.1Td T， c2Td T0.1Td Tc30.1Td Td2.2 参数辨识本文采用时域测定法确定被控系统的参数， 时域测定的主要过程是对被 测控制系统或对象在输入端施加阶跃扰动输入信号， 而在输出端测绘其输出 量随时间变化的响应曲线；或者施加脉冲输入，测绘输出的脉冲响应，再对 响应曲线的结果进行分析，确定被研究对象的传递函数。时域测定法所采用 的测试设备简单，测试工作量小，因而应用广泛。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。采用时域法确定被测系统或对象的数学模型时， 需要在被测对象上人为 地施加阶跃输入信号，然后测定被测对象的输出响应曲线，从而求出其传递 函数8

26、。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。在本文中，采用二阶惯性加纯滞后环节近似恒温箱的温度控制系统，即 温度控制系统的传递函数为： G(s) Ke 。(T1s 1)(T2s 1)对温度控制系统传递函数的参数进行辨识， 得到 k=5, T1=8, T2 1, 1010则被控系统的传递函数为：10s5e (8s 1() s 1)10s5e 8s2 9s 12.3PID 参数的整定PID参数的整定， 主要是确定 kp、Ti和Td,对一个结构和控制算式的形式已定的控制系统，控制质量的好坏主要取决于选择的参数是否合理。在本文 中采用 ZN经验公式法对 PID控制器的参数进行整定。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。2.3.1PID

27、 参数的特点在PID控制中 kp、Ti 、 Td具有以下特点 :（ 1）比例增益 kp 增大，可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控 制精度，但是过大会使系统产生超调，甚至导致不稳定； 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。（2）积分作用主要是消除系统静态误差，加强积分作用，有利于减小系 统静差，但是 Ti 过大，会加大超调，甚至引起振荡； 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。（ 3）微分作用可以改善动态性能， 增大微分增益 Td ，有利于加快系统响 应，使系统超调量减小，稳定性增加，但对扰动敏感，抑制外扰能力减弱； 若Td 过大，会使调节过程出现超调减速，调节时间增长；反之，若Td 过小，系统响应变慢，稳定性变差。

28、謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。2.3.2ZN 经验公式法对于一个经典的PID控制器，其传递函数为 C（s） kp （1 1 Tds），对于二Tis阶惯性加纯滞后环节G(s) Ke，经验公式为 kp 1.2k ， Ti 2 ，(T1s 1)(T2 s 1) p T1T2iTd 0.5 11 。由上述公式可得： k p =93.75, Ti =10， Td =2.5 。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。2.4PID 算法仿真通过上文的分析，确定了系统的参数，在 MATLA环B境下，建立 Simulink11仿真框图，对控制系统进行仿真并检测控制效果。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。12133. 模糊控制及仿真 恒温箱的温度控制

29、系统是一个时滞系统，数学模型很难确立，采用经典 控制理论对系统进行控制比较困难。 而模糊控制的最大优点就是不依赖于被 控对象的精确数学模型， 是将人的控制经验进行总结， 借助于模糊数学工具， 通过模糊推理来实现对恒温箱的温度控制。模糊控制属于智能控制，适用于 非线性、时变、时滞系统，同时模糊控制器结构简单，参数整定方便，因此 它成为目前智能控制中一种重要的方式 12 。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。3.1 模糊控制基本原理 133.1.1 模糊控制基本思想 模糊控制的基本思想是把专家对特定的控制对象或控制过程的控制策 略总结为以“ IF-THEN”表达式形式表示的控制规则，通过模糊推理得到控 制集，作

30、用于被控对象 。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。3.1.2模糊控制器的基本结构图 2 模糊控制器基本结构选择模糊控制器的结构，就是确定模糊控制器的输入变量和输出变量。 一般选取误差信号 E（或 e）和误差变化信号 EC（或 ec）作为模糊控制器的 输入变量，而把受控变量的变化 y 作为输出变量。通常模糊控制器的基本结 构如图 2 所示： 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。14如图所示，模糊控制器主要由模糊化、知识库、模糊推理、清晰化四部 分组成，各部分的作用概述如下：1. 模糊化 模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。 其中输入量包括外界 的参考输入、 系统的输出或状态等。 模糊化的具体过程如下： 灭嗳骇諗

31、鋅猎輛觏馊藹。（1）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；（ 2）将上述已经处理过的输入量进行转换，使其变换到各自的论域范 围；（3）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. 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。 它通常有数 据库和模糊控制规则库两部分组成。（1）数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子及模糊 空间的分级数等；（2）规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反应 了控制专家的经验和知识；3. 模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心， 它具有模拟人的基于模糊概

32、念的推理能 力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及模糊推理规则来进行的。 铹 鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。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15 量。它包含以下两部分内容：（ 1）将模糊的控制量经清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量；（ 2）将表示在论域范围的清晰量经尺度变换成实际的控制量。3.1.3 模糊控制的特点 模糊控制与经典控制相比，具有以下的优点： （ 1）模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的一 种有效途径。（2）模糊控制是一种非线性控制，适用于范围很广，适宜于非线性系 统的控制。（3）模糊控制具有较强的鲁棒性，干扰和参数变化对

33、控制效果的影响被大大减弱，可用于有时变、非线性等特性的复杂系统的控制 。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。（4）模糊控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑， 由工业过程的定性过程出发，较易建立语言变量控制规则 。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。（5）模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于 模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智 能水平 。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。同时模糊控制还具有如下的缺陷：（1）模糊控制对比较复杂的不确定性系统进行控制时往往精度较低， 总结控制规则过分依赖现场操作，调试时间长。（2）模糊控制过多的依赖控制经验，由于没有被控对象的模型，在

34、投入 运行之前就很难进行稳定性、鲁棒性等闭环分析。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。 3.2 模糊控制器的设计 1416模糊控制器是模糊控制系统的核心部分， 模糊控制器的设计成功与否直 接影响模糊控制系统的性能。 因此设计一个合适的模糊控制器对于模糊控制 有着重要的作用，模糊控制器的设计如以下步骤 : 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。1. 选择合适的模糊控制器结构 选择模糊控制器的结构，就是确定模糊控制器的输入变量和输出变量， 一般模糊控制器的输入变量是误差和误差变化率， 输出一般选受控变量的变 化量。按照输入变量数目的不同可以把模糊控制器分为：单变量模糊控制器 和多变量模糊控制器，而单变量模糊控制输入的个数称为

35、模糊控制器的维 数，从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制效果也越好，但是实现起来 也越困难，而维数太低的模糊控制器，控制效果又不理想，因此目前最典型 的模糊控制器是二维模糊控制器，即输入为误差 E 和误差变化率 EC。緦徑铫膾 龋轿级镗挢廟。2. 选取模糊控制规则（ 1）选定描述控制器输入和输出变量的语义词汇 我们称这些语义变量词汇为变量的模糊状态。如果选择比较多的词汇， 那么制定规则就比较灵活，形成的规则就比较精确，不过，这种控制规则比 较复杂，且不易制订。 因此，在选择模糊状态时， 必须兼顾简单性和灵活性。 在实际应用中，通常选取 7 至 9 个模糊状态，即正大、正中、正小、负小、 负中

36、、负大和零 7个模糊状态加上正零和负零 2 个模糊状态 。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。（ 2）规定模糊集 模糊集表示各种模糊状态，当输入误差在高分辨率的模糊子集上变化 时，有输入误差引起的输出变化比较剧烈。反之，当输入误差在低分辨率的 模糊子集上变化时，所引起输出变化比较平缓。因此，对于误差变化范围较17 大的情况，应采用分辨率较低的模糊子集，而当误差接近零时采用分辨率高 的模糊子集。对应于误差 E 的语言变量，可分为下列 7 个模糊状态： PL,PM,PS,ZE,NS,NM,NL。对应于误差变化率 EC的语言变量，可分为 7 个模 糊状态： PL,PM,PS,ZE,NS,NM,NL。 疠骐錾农剎

37、貯狱颢幗騮。3. 确定模糊化的解模糊策略 与模糊化相反，模糊推理得到的是模糊集合的形式，而对于实际的控制 则必须为清晰量，因此需要将模糊量转换成清晰量，常用的解模糊方法有最 大隶属度法，中位数法和重心法 。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。3.3 温度模糊控制器的设计3.3.1 控制器结构 如图所示，输入量为误差 E 和误差变化率 EC3.3.2 模糊子集的选取 输入变量 (E), 输入变量的一阶导数 (EC) 和输出变量 U 的模糊子集如下 : E=NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL；EC=NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL；U=NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL；其中 NL，NM，

38、NS，ZE，PS，PM，PL 分别为负大，负中，负小，零，正18 小，正中，正大。选取各输入量与输出量的论域为 :输入变量 (E) 的模糊论域取 -6 ，-5 ，-4 ，-3 ，-2 ，-1 ，0，+l ，+2，+3， +4，+5，+6 ；榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。输入变量 (EC)的模糊论域取 -6 ，-5 ，-4 ，-3 ，-2 ，-l ，O，+l ，+2，+3， +4，+5，+6 ；邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。输出变量 (U)的模糊论域取 -6 ，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3， +4，+5，+6 。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。输入输出变量的隶属度赋值表如表 1 所示：表 1 输入输

39、出变量隶属度赋值表模糊集合 隶属度 元素-6-5-4-3-2-10123456PL0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.10.40.81.0PM0.00.00.00.00.00.00.00.00.20.71.00.70.2PS0.00.00.00.00.00.00.30.81.00.50.10.00.0ZE0.00.00.00.00.00.01.00.60.10.00.00.00.0NS0.00.00.10.51.00.80.30.00.00.00.00.00.0NM0.20.71.00.70.20.00.00.00.00.00.00.00.0NL1.00.80.40.10

40、.00.00.00.00.00.00.00.00.03.3.3 模糊规则的确定 模糊规则基于操作人员长期积累的控制经验和领域专家的有关知识经 过归纳整理所形成，它是对被控对象进行控制的一个知识模型，利用这个模 糊模型，可以设计出比较理想的控制器。本文中制定的模糊规则如下表 2 所 示： 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。19表 2 控制系统的模糊规则UENLNMNSZEPSPMPLECNLNLNLNLNLNMNSZENMNLNLNLNMNSZEPSNSNLNLNMNSZEPSPMZENLNMNSZEPSPMPLPSNMNSZEPSPMPLPLPMNSZEPSPMPLPLPLPLZEPSPMPLPLPLPL

41、3.3.4 模糊推理（ 1）根据控制规则表编写对应的模糊推理语句；（ 2）模糊推理，利用 Mamdani推理法进行推理；（ 3）利用重心法进解模糊，根据模糊规则表取定的每一条模糊条件语 句都计算出相应的模糊控制量 U，由模糊推理合成规则，可得如下关系式： U （E EC） R ，以此得出模糊控制表。实时控制时，根据输入偏差与输入量 偏差变化率的模糊值直接查找控制表，获得控制量。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。为实现基本模糊控制器的控制， 一般的作法是将上述各表存放到微处理 器中。在过程控制中，计算机直接根据采样和论域变换得来的以论域元素形 式表现的误差和误差变化率， 由查询表的第 i 行和第 j 列找

42、到跟误差和误差 变化率对应的， 同样以论域元素形式表现的控制量 uij 乘以比例因子得到实际 控制量作用于执行机构。即模糊控制策略通过离线计算和在线查询实现，以 得到较好的控制品质和良好的实时性。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。20表 3 模糊控制表ECUE-6-5-4-3-2-10123456-6-6-5-6-5-3-3-3-2-10000-5-5-5-5-5-3-3-3-2-10000-4-6-5-6-5-3-3-3-2-10000-3-5-5-5-5-4-4-4-211111-2-6-5-6-5-3-3-1022333-1-6-5-6-5-3-300223330-6-5-6-5-3-101223

43、331-3-3-3-20013356562-3-3-3-10013356563-1-1-100013366664000112333565650001123335555600011133356563.4 模糊控制仿真3.4.1 模糊控制仿真同 PID 控制中所介绍的，取同一控制对象，其传递函数为G(s)5e 10s(8s 1() s 1)，在 MATLAB环境下，构建模糊控制系统模型，对并其进行仿真实验， 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。214. 模糊 PID 控制及仿真模糊 PID控制指的是模糊技术与常规的 PID控制算法相结合的一种控制方法。模糊 PID控制的优点是它不要求掌握受控对象的数学模型，而根

44、据人 工控制规则组织控制决策表， 然后采用模糊推理的方法实现 PID参数 K P 、Ti 和 Td 的在线自整定，不仅保持了常规 PID控制系统原理简单、使用方便、鲁棒 性较强、控制精度高等优点，而且具有模糊控制的灵活性、适应性强等优点 15 。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。4.1 模糊 PID 控制器结构模糊 PID控制器是以常规 PID控制为基础，采用模糊推理思想，根据不同 的E和 EC对PID的参数进行在线自整定，控制器由两部分组成，即常规 PID控 制部分和模糊推理的参数校正部分。模糊 PID控制器原理框图如图 4所示：隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。4.2 模糊控制器的设计4.2.1 模糊子集的选取P

45、ID参数模糊自整定是找出 PID的 3个参数与 E和 EC之间的模糊关系， 在运 行中不断检测 E和 EC，根据模糊控制规则对 3个参数进行在线修正，从而使被 控对象具有良好的动态和静态性能。因此，选择系统偏差 E和偏差变化率 EC 作为模糊控制器的输入量，而 K P 、Ti 和 Td 作为输出量。各个变量的模糊子集 取为： NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL，论域均为： -6 ，-5 ，-4 ，-3 ，-2 ，-1 ，0， 1，2，3，4，5，6，考虑到对论域的覆盖程度和灵敏度，以及稳定性和鲁 棒性原则，各模糊子集采用三角形隶属函数，如图 5所示为各变量的隶属度 函数示意图 。 浹繢腻

46、叢着駕骠構砀湊。22图4 模糊 PID控制原理图图 5变量的隶属度函数4.2.2 模糊规则的建立23模糊控制器的核心是“ IF.THEN. ”形式的模糊控制规则，控制规则 的选取直接关系到系统控制性能的优劣，是设计的关键。 PID参数的调整必 须考虑到不同时刻 3个参数的作用以及相互之间的互联关系。根据已有的控 制系统设计经验以及参数 K P 、 Ti和Td对系统输出特性的影响关系 , 归纳出在 一般情况下 ,在不同的 E 和 EC时,被控过程对参数 KP、KiTi和KdTd的自调整 规则如下： 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。（1）当 E 较大时 , 为加快系统响应速度并防止起始偏差 E瞬间变大可能

47、引起微分过饱和 ,而使控制作用超出许可范围 ,应取较大的 K P和较小的 Td；同 时 , 为避免系统因积分饱和所引起的较大超调 , 应对积分作用加以限制 , 通常 取 Ti =0。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。（2）当 E 和 EC为中等大小时 ,为使系统响应的超调较小 , K P应取得小 一些。在这种情况下 , Td的取值对系统的影响较大 , 要取适当的 Ti和Td 。贞廈给 鏌綞牵鎮獵鎦龐。（3当 E 较小时 ,为使系统具有良好的稳态性能 ,应增加 Ti和Td的值；同 时，为了避免系统在设定值附近振荡，并考虑系统的干扰性能，应适当地选 取 Td 的值，其原则是：当 EC 较小时， Td 可取得大些，通常取为中等大小 ; 当 EC 较大时 , Td 应取小些 17 。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。根据上述分析同时考虑三个参数之间的相互影响 , 建立控制规则， KP ， Ti， Td与E，EC的模糊关系分别如表 4，表5，表6所示： 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。表4 K