模糊PID控制器设计.doc

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1、第3章模糊PID智能控制算法设计PID控制是工业过程中应用最广泛的、常规控制中最基本的控制方法，具有结构简单、易于实现、不依赖于系统精确的模型的优点。但是当其用到复杂控制系统时，难以取得理想的控制效果，甚至会导致系统不稳定。智能控制具有学习能力、对变化环境的适应能力以及自组织协调能力，能够应用到复杂系统的控制中。因此，将智能控制方法和常规PID控制方法结合起来，可以充分发挥两种方法的优点，提高控制系统的整体性能。常规PID控制的参数是固定的，在广义被控对象发生变化时，其自身参数不能根据变化做出相应的调整。针对这一问题

2、，已有研究者提出能自校正的PID控制方法。但是在系统非线性的情况下，实现自校正相当困难。因而需要设计一种PID参数自适应的控制方法，在对象发生变化时，其参数能进行动态调整。采用智能控制方法对自适应PID的参数进行优化，将优化的参数送到控制器，将可以很好的弥补传统PID的缺陷，达到良好的控制效果，智能自适应PID控制应运而生[[]方鹏.基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计.合肥工业大学，2009.3.]。PID控制系统的参数分为比例、积分、微分系数和PID控制器的参考值两个方面，因此改变PID参数也有改变比例、

3、积分、微分系数和改变PID回路的参考值两种方法。通常的自适应PID控制是采用前一种方法，对于被控对象的模型的改变，通过调整比例、积分、微分系数来调整三种作用的强弱，从而来适应变化。这类控制方法中最具代表性的是模糊自适应PID控制方法。模糊自适应PID控制是用模糊控制来适时调整PID参数的方法，其主要思想是结和工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则，通过推理得到比例、积分、微分三个整定参数。由于一维模糊控制精度不够，而三维模糊控制计算过于麻烦，通常情况下采用二维模糊控制方法实现参数整定。具体的方法是通

4、过计算当前系统误差及误差变化率得到模糊控制的输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊规则表进行参数调整。参数的调整包括极性和大小两个方面。同时，系统要求辨识机构能够提供足够的系统信息，且保证模糊自整定PID有较为广泛的控制空间。模糊规则的设计要保证系统满足快速响应、无静差的要求3.1PID控制基本原理比例积分微分（proportionalintegralderivative,PID）控制是到现在为止最通用、最基本的控制方法。目前大多数的反馈回路用该办法或者较小的变形来控制。PID及其改进型是工业控制中最常见的控制器。

5、虽然自20世纪初PID控制诞生以来，控制理论与控制技术取得了令人瞩目的成就，先进控制策略不断更新，但该控制器因结构简单、对模型误差有鲁棒性和易于操作实现在大多数过程控制中取得令人满意的控制性能，现仍然被广泛用于冶金、电力、化工、机械和轻工等工业控制中。3.1.1PID控制器原理PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种比例、积分、微分并联控制器。常规PID控制系统原理框图如图3.1所示。图3.1PID控制原理图模糊PID将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：(

6、3.1)其中－控制器输出；－控制器输入；－比例控制项，为比例系数；－积分控制项，为积分时间常数；－微分控制项，为微分时间常数；PID控制器的三个组成部分对系统性能的影响如下[[]路桂明.基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究.哈尔滨理工大学，2012.]：1、比例环节比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。随着比例系数Kp的增大，稳定误差逐渐减小，但同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增大。2、积分环节积分环节的引入主要用于消除静差，即

7、当闭环系统处于稳定状态时，则此时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，时间常数越大积分作用越弱，反之越强。随着积分时间常数Ti的减小，静差在减小；但过小的积分常数会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。3、微分环节微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，它可以预测将来，能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变的过大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加速系统的动态速度，减小调节时间。3.1.2数字PID控制器计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻

8、的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。在计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点T(k)代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即(3.2)将描述连续PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程，为书写方便，将