变论域模糊PID控制器的设计与仿真.pdf

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1、过程控制化工自动化及仪表，2010，37(4)：29～32ControlandInstrumentsinChemicalIndustry变论域模糊PID控制器的设计与仿真杨鲜鲜，宁铎(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021)摘要：双容水箱是典型的非线性时滞系统，采用常规模糊PID控制时，超调量大、振荡剧烈、控制效果不理想。本文将变论域模糊控制和PID控制结合起来形成变论域模糊P1D控制器解决了上述问题。介绍了变论域模糊PID控制器的结构设计及伸缩因子的选择方法，并给出了具体的控制算法。使用Ma

2、tlab建模仿真，结果表明该控制器的自适应能力强，且无超调量。关键词：模糊控制器；时滞系统；变论域；仿真中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)04-0029-041引言双容水箱是典型的非线性时滞系统，且容易受诸多因素的干扰。对于这类系统，用常规的模糊PID控制器来控制对象，超调及振荡都比较剧烈，带来较长的稳定时间，控制效果不够理想。文献[1]中首次提出了变论域的思想，并指出在规则形式不变的情况下，论域随着误差变小而收缩，而论域的收缩相当于增加了规则，从而提高系统的控

3、制精度。文献[2]中论证了三输入单输出模糊控制器自动具备模糊控制器与PID调节器关于“前期”与“后期”的切换功能，而且是一种“无触点”式的“软边界”的“软切换”；不必再搞两套控制器进行硬性的切换。基于这种思想，结合双容水箱液位控制的需求，本文提出了一种变论域模糊PID控制方法，变论域模糊控制器实际上就是一种在线根据误差调整论域的自适应模糊控制器，会取得比模糊PID控制更快的动态响应特性、更小的超调量，并且能实现PID参数的在线自调整功能。2控制对象的测定任何自动控制系统都是由控制对象、调节单元、调节阀以

4、及测量变送器件等基本环节组成。要对已有的控制系统分析研究，应先掌握系统构成的基本环节，特别是对象的特性，才能得出系统的特性。系统的特性包括静态特性和动态特性两部分。获取对象特性有两种方法。即理论分析法和实验测定法。前者方法只适用于比较简单的对象，对于复杂的控制系统，实验测定法获得对象特性是一种既简单又可行的方法。本实验是应用阶跃干扰实验法来测取双容水箱的静态特性和动态特性。应用阶跃干扰法测取双水槽液位对象的动态特性的实验数据如表1所示。表1双容水箱实验数据序号123456789时间／8017294046

5、546699106液位Ih％2．52．93．54．97．819．222．3序号10ll12131415161718时间／s119128140148168187208230283液位／h％27．330．534．236．441．544．948．050．453．7序号192021222324252627时间／s310348385424442483511572600液位朋％54．555．355．755．956．155．956．056．156．O利用MATLAB进行曲线拟合，得到双容水箱的阶跃响应曲线图，如图1所

6、示。由曲线可以得到延迟时间f=29s，增益

7、j}=1。经实验测得两双容水槽的底面积F。=2032．8cm2，疋=1457．96cm2，下水槽时间常数T：=70s，由于上下水槽时间常数可近似为线性关系(R。=尼)，所以：收稿日期：2009-12-21(修改稿)·30·化工自动化及仪表第37卷瓦：盟：坐幽：50s(1)F20328一．。、‘，则根据水槽的物料平衡原则得出被控对象传递函数为：G(s)=而丙吾丽e捣(2)图1双容水箱阶跃响应曲线图3变论域模糊PID控制器的设计与仿真当模糊控制器的输入、输出变化较

8、大时，可能造成只使用到部分规则。如果论域范围过小，很容易造成输入输出量超出论域范围，导致控制器失控；如果论域范围过大，则在零点附近振荡，同样不能使模糊控制器发挥应有的效能。变论域模糊控制器可以很好地解决这个问题。变论域实际上就是输入和输出的基本论域随控制需求按一定准则在适当的时刻进行伸缩变化，定义在基本论域上的模糊划分也随之变化。“变论域”的思想是在规则形成(形状)不变的前提下，论域可随误差变小而收缩也可随误差增大而膨胀。因此，变论域思想具有较好的误差的适应能力。基于上述变论域思想，结合模糊PID控制器

9、，本文提出了变论域模糊PID控制器。变论域模糊PID控制器的实质就是在模糊PID控制器的基础上加入变论域的思想，使得输入和输出的基本论域随着控制需求按照一定的准则进行实时自适应性伸缩变化，进而定义在基本论域上的模糊划分也随之变化，从而达到提高控制性能的目的。此型控制器实现的关键就在于确定论域伸缩的合理机制以及选择合适的伸缩因子。3．1变量的隶属函数的确定利用变论域模糊PID控制器设计的双容水箱液位调节器【31的结构如图2所示。Ii⋯⋯⋯鏖垫