模糊控制论文

1、模糊PID在温度控制中的应用摘要：目前大部分温度系统控制方法都需要建立比较精确的数学模型，但温度控 制系统内参数变化的非线性特性使建立的模型精度受到一定的影响；而模糊控制 技术不需要建立精确的数学模型，解决多变量非线性系统具有明显的优点。为此, 针对温度系统的多变量、非线性和难建模等特性，将模糊控制与PI D 控制的优勞 相结合，实现了对温度控制系统参数的有效控制。该系统的各项性能指标良好， 遇到干扰可以进行自我调整，具有一定的自适应性。仿真结果表明，模糊PID控制 算法不但简单实用，而且响应速度快，超调量小，控制效果良好。关键词：模糊控制PI D温度控制1 引言常规PID控制X】由于具有原理

2、结构简单、鲁棒性好，可靠性高，容易实现的 特点，成为迄今为止应用最广泛的控制算法，并且取得了良好的效果。然而在温度 控制系统中，由于被控对象具有非线性、时变、大滞后等特点，且受环境温度等外 界诸多因素影响较大，字致难以建立精确的数学模型，难以确定最佳的控制器参 数。此时，传统的PI D 控制对进一步提高控制对象的质量和精度遇到了极大的困 难，难以获得良好的效果。为了克服常规P I D调节器的不足，提高其性能，人 们进行了进一步的研究。模糊控制心四是智能控制理论的一个分支，近十年来正以它全新的控制方式在 控制界受到了极大的重视并得到了迅速发展。与传统的PID控制方式相比，它具有 特别适合于那些难

3、以建立精确数学模型、非线性和大滞后的过程等特点。但是经 过深入研究，也会发现基本模糊控制存在着其控制品质粗糙和精度不高等弊病。因此，本文提出一种将模糊控制和PID 控制相结合起来，通过模糊控制实现PI D参数自适应的方法来控制系统温度。这种Fuzzy- P I D乗略,模糊控制的采 用不是代替PID控制，而是对传统控制方式的改进和扩展，它既保持了常规PID 控制系统结构简单、使用方便、鲁棒性强、控制精度高的优点，又采用模糊推理 的方法实现了 PID参数K,、K/、K°的在线自整定，兼具了模糊控制灵活性、适 应性企的特点，相比单纯的任一种控制效果都要好6_,0o2、模糊控制基本理论。模

4、糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里, 控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越 详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往 难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达 成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有 力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因 此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。一般的模糊控制系统包含以下五个主要部分：(1) 定爻变量也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输 入

5、变量有输出误差e与输出误差之变化率氏，而控制变量则为下一个状态之输入u。 其中e、e。、u统称为模糊变量。(2) 模糊化(Fuzz i fy)将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量 的过程，依适合的语言值(Li n guisti c va I u e)求该值相对之隶属度，此口语 化变量我们称之为模糊子集合(fuzzy s u b s e ts) 0(3) 知识库包括数据库(data base)与规则库(rule b a se)两部分，其中数据库是提 供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和 策略。(4) 逻辑判斷模仿人类下判斷时的模糊

6、槪念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到 模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精髓所在。(5) 解模糊化(de fuzzify)将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为系统的输入值。3、PID控制系统描述P ID控制器是将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成 控制 量，对被控对象进行控制。PID控制器是一种线性控制器，它的传递函数为。U心1G<s)=- = Kp( + + Tds)(DE(S)11S式中：Kp为比例系数；7；为积分时间常数；乙为微分时间常数。P ID控制器各控制环节的作用：(1) 比例环节能加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，控制系统一旦

7、产 生偏差信号，控制器就发出控制指令，调节系统，最大限度地减小偏差；(2) 积分环节的作用是消除系统的稳态误差，提高系统的无差度；(3) 微分环节的作用是改善系统的动态特性，在偏差信号值变到太大之前，控 制器就产生一个早期修正信号指令，从而加快系统的调节速度，减少调节时间。4、模糊PID策略的研究众所周知，温度变化过程的机理是很复杂的，且温度控制系统由于存在着大惯 性、非线性等特性，如果采用普通的控制算法，例如PID等，试图建立精确的数 学模型是极其困难的，很难保证最后的控制效果；如果采用自适应等控制算法，就 要花费大量的精力去分析系统的模型，并且由于温度控制系统的模型复杂，建立 模型也比较难

8、于正确地描述系统的真实行为，所以采用该控制方法也不是非常合 适的。温度控制系统本身就是时变的、非线性的、有滞后的复杂系统，因此无论使 用经典的P ID控制还是现代控制理论的各种算法都很难达到满意的控制效果。但 是，对于这些难以利用传统方法实现自动控制的生产过程，有经验的操作人员使 用手动控制却能够取得令人满意的控制结果。分析一下操作人员的手动控制就不难发现，其实人的控制行为正是遵循反馈控 制的思想，并且运用了模糊的方法。模糊控制正是运用或是模仿了人的智能行为， 如果温度控制系统采用模糊控制的方法，也许就能够非常容易解决上述的问题， 从而实现温度控制系统的智能控制。因此确定釆用模糊控制算法进行系

9、统控制。模糊控制属于计算机控制的一种形式，模糊控制系统的组成类似于一般的数字 控制系统，模糊控制系统方框图如图1所示2】。图1模糊控制系统框图模糊控制系统一般可以分为四个部分：(1 )模糊控制器：实际上是一台微型计算机，根据系统的需要，可以选用系统 机，也可选用单片机或ARM等。(2 )输入/输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字 信号量，并将模糊控制器的输出信号通过数模转换，将其转换为模拟信号，送给执 行机构去控制被控对象。(3) 广狡对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或.非线性的，定 常的或时变的，也可以是单变量或多变量的，有时滞或无时滞的以及有干扰的多种

10、 情况。(4) 传感器：将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号。然而，模糊控制要有好的控制效果，必须具有较完善的控制规则。对于某些复杂 的控制过程，有的时候很难总结出较完整的控制经验；并且当对象动态特性发生变 化，或者受到随机干扰影响的时候都会影响模糊控制的控制效果。为了促进模糊控 制的深入研究，众多的学者进行了卓有成效的工作，对常规模糊控制进行了 一些改 进，并且发展成为自适应和自学习的模糊控制、模糊预测控制、神经网络模糊控制 等。5、模糊P ID控制原理下面以温室温度检测与控制为例来具体进行说明。目前我国花卉及农作物生产 温室温度调节及控制系统，多数采用传统的PLC或单片机来进行控制，

11、算法也采 用传统的PID控制算法，虽然也能满足一定的需求，但为了适应花卉产品愈来愈 高的质量要求，温室温度调节及控制系统一定要采用新技术，逐步实现专业化、 现代化、智能化。5.1模糊P ID控制系统结构模糊P ID控制系统主要由参数可控式PID系统和模糊控制系统两部分组成心 ，其原理如图2所示。参数可控式PID控制器完成对系统的直接控制，模糊控制 器实现对PID 3个控制参数（Kp、Ki及Kd）的在线自动修正。图2 自适应模糊PID控制系统结构5.2 P I D参数调整规则数字式P ID控制器一般用以下函数表示"】："伙)=Kpe(k) + K：工e(i) + K#ec 伙

12、)(2)ZU)式中：e伙)为系统误差，ec(k)为系统误差变化量;©为比例作用系数，影响系统响 应速度和精度；A7为积分作用系数，影响系统稳态精度；K为微分作用系数，影 响系统动态特性。通常情况下，针对不同的e 和乞，Kp, Ki 和K的选择遵 循以下原则：(1) 当同 较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与曲均应取得大些；同吋, 为避免系统在设定值附近出现振荡， 岡较大时，Kd取较小值；窗 较小时，Kd 取值则较大。(2) 当间 处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Kd应取较小值; 同时Kd的取值对系统响应的影响较大，也应取较小值。(3) 当较大时，为使系统具有较好的动态

13、性能，应取较小的Kd与较大的 Kd。同时，为避免系统响应出现较大超调，应限制积分作用，通常取K,二0。模糊P I D控制器的本质就在于通过模糊推理，根据不同的e和，在线实时 修订3个PID作用系数，即可制定出氐Kp、A Ki 和4K的模糊控制规则。6、自适应模糊P I D控制器设计本系统分为模糊PI D控制区和直接控制区，控制温度接近目标温度达到一定误 差限度(-0. "TCWeWO. 1°C)时，启动模糊PID控制算法，使温度稳定在目标温 度附近。当温度超过上述误差限度，采用直接控制算法。这样即保证了系统的稳定 性又提高了系统的快速性。模糊控制系统采用二输入三输出模糊控制

14、器，输入为 温度误差e和温度变化输出为3个PID作用系数Kp, Ki知Kd。6. 1 温度误差的模糊化温度误差是指当前实际温度与目标温度之差。在模糊控制区内（-1 °CWeW 1 "C）把温度偏差分为7个模糊状态：PB （正大偏差）,PM （正中偏差），PS （正 小偏差），0（零偏差）,NS （负小偏差）、NM （负中偏差），NB （负大偏差）。并把土 1 ©分为9个节点，结合人类的经验得出温度误差e的隶属度函数表，如表1所示。表1温度误差e的隶属度函数表°Ce-1-0.75-0.50-0.25Q0.250.500. 751PB000000.10.40

15、.710PM00000. 10.40. 71 . 00PS0000. 10. 40. 71 . 000000.1040.7100000NBOM040.71. 000000NM040. 7仁0000000NSto000000006. 2温度变化的模糊化温度变化是指一个采样间隔内的温度变化值。类似温度误差模糊化，也把温度 变化分为7个模糊状态，并把±1°C分为9个节点，结合本人的试验得出温度变化 ec对应的7个模糊状态的隶属度，其隶属度函数如表2所示。表2温皮误差的隶属度函数表°C%-1-0.75-0. 50-0.2500. 250. 5 00. 751PB00000

16、0. 10. 40. 71.0PM00000.10. 40. 71.00PS0000.10.40.71.000000.10.40.71.00000NB0.10.40.710o0000Ml0.40.71. 0000000NS1.000000000摸糊控制论丈3个PID 作用系数模糊输出也划分为11个模糊状态，分别为： PB,，对应的模糊论域为:1,0. 8,0.6,0. 4, 0.2, 0, -0. 2, -0. 4, -0. 6, 0. 8,-16. 3模糊控制表的制定模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计算量非常大，在线实施推理很难满 足控制系统实时性的要求，本文采用查表法进行模糊推理运算。

17、模糊推理决疑采用 双输人单输出的方式，控制规则由下列推理语言构成：I f e i s Ai and e(. is Bi then Kj i s Ci其中如、Bj、C/分别为°、jSKj (j=p, i,d)模糊子集。通过经验可以总结出模糊控制器的初步控制规则，其中参数厶忑控制规则见 表3。表3模糊控制规则表%ePBPMPS0NBNMNSPBPBPMBPMPMSPS00PMPMBPMPMSPSPS00P SPMPMSPSPS0NSNS0PMSPSPS0NSNSNMSNBPSPS0NSNSNMSNMNMPS0NSNSNMSNMNMBNS0NSNSNMSNMNMBNB同理，利用上述方法可分

18、别确定出&和Kd的模糊控制规则表。模糊输出采用 最大隶属度算法计算出最终的3个PID作用系数确定值。PID控制部分根据实时调节的作用系数，输出确定值信号给变频器控制电机组。根据实际的温度控制结果， 再反复修正卜Kp、 Ki和 Kd的模糊控制规则表，直到最终达到最佳的温度控 制效果。表4为 Kp的最优模糊控制规则表。表4 A Kp最优模糊控制规則表%ePBPMPS0NBNMNSPB仁00. 90. 80.60.200PM0.90. 70.6040.200PS0.60.40. 20.10-0. 1-0.200. 40.30-101-0.2-0. 4NB0. 2010-0.1-0.2-0.4

19、0. 6NM0.10-0.2-0.4-0.6-0.9NS0-0. 1-0.2-0.4-0. 6-09-1.06. 4模糊PID软件设计流程简述（模糊PID算法的程序流程图见图3所示）图3模糊PID算法的程序流程图7、试验仿真结果根据大量的理论依据和实践，得出实际系统的近似数学模型，通过在PC机上编程分别得出常规PID和模糊PID系统曲线图，如图4 (a)和(b)所示。时间/S时间/s(a)常规PID系统(b)模糊PID系统图4温度曲线图从图中看出模糊P I D 温度调节系统对于温室温度的变化调节更加平稳，显示 了很好的控制效果。具体表现为变频器的频率上升和下降更为平稳，基本没有出 现过采用传统

20、P I D吋频率的跳跃式上升和下降情况。从性能比较结果表5中可以清楚的看到模糊PID的优势。表5控制性能比较参数算法传统P ID模糊P I D调节时间/s5024超调董/%1& 24. 1翳态误差/°C4. 90.8摸糊控制论丈8、结语模糊PID控制器综合了模糊控制与P I D控制的优点，很好地解决了温度控 制系统的迟滞、非线性等难题。系统可以在线自整定PID参数，控制超调量小， 鲁棒性企。系统所采用的自适应模糊P I D控制器与传统的PID控温技术相比，使系统 的运行费用大大降低，并可节省大量的人力资源，有效地避免了人工操作的主观 性和随意性，提高了环境测控的精度和效率。本系统在温室环境的监测与控制过程 中，把模糊控制理论与技术应用于温度监控与调节中，非常适合于非线性控制， 且系统可以在线自整定PID参数，控制超调量小，鲁棒性好，对系统参数变化不敏 感，系统可根据任意的控制规则、等级数、隶属值得出模糊控制总表，并自动实 时地进行监测和调节，达到良好的控制效果。参考文献：1 刘金琨先进PID控制MA TLAB仿真M北京：电子工业出版社，20042王正林，王胜开，陈国顺.MATLAB/Simul i nk与控制系统仿真M北京：电子工业出版社,20 0 53齐京礼，边永青，郑伟