王曉侃，王 亮

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191)

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基于MATLAB的模糊PID參數(shù)自整定控制器設(shè)計(jì)與研究*

王曉侃，王 亮

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191)

針對多數(shù)工業(yè)過程存在非線性、參數(shù)時(shí)變和模型不確定等問題，設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的自整定PID控制器。它能根據(jù)偏差和偏差變化的需要實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化PID參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該模糊PID控制器具有控制精度高、快速性好和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以迅速消除系統(tǒng)誤差，保證被控對象具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

模糊控制；參數(shù)自整定；模糊PID；MATLAB

1 模糊PID參數(shù)自整定控制原理

在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)工業(yè)過程都不同程度地存在非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性等問題。對傳統(tǒng)的PID控制來說，要求其模型結(jié)構(gòu)非常精確，因而這種控制通常無法實(shí)現(xiàn)對過程的精確控制。眾所周知，模糊控制不但具有良好的魯棒性和適應(yīng)性，而且對過程控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型[1-2]。經(jīng)研究，筆者綜合傳統(tǒng)PID控制和模糊控制的各自特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于MATLAB軟件的模糊PID參數(shù)自整定控制器。

為了滿足不同時(shí)刻PID參數(shù)自整定控制的要求，需要把誤差e和誤差變化率ec作為模糊PID控制器的輸入，同時(shí)可以在線對PID參數(shù)kp、ki、kd利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行修改。其控制方案原理如圖1所示[3]。

圖1 自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

為了使被控對象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，需要在控制器運(yùn)行過程中在線不斷檢測和修改e和ec，以便及時(shí)地確定模糊自整定過程中PID的3個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對控制參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。將{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}7個(gè)模糊值作為e和ec的語言變量值，同時(shí)kp、ki、kd的語言變量值也定義為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}7個(gè)模糊值，則可建立kp、ki、kd這3個(gè)參數(shù)整定的模糊規(guī)則表(見表1～表3)[4]，表中Δkp、Δki、Δkd分別是kp、ki、kd的變化量。

表1 kp整定的模糊規(guī)則表

表2 ki整定的模糊規(guī)則表

表3 kd整定的模糊規(guī)則表

根據(jù)已經(jīng)建立的模糊規(guī)則表，對kp、ki、kd進(jìn)行動(dòng)態(tài)的整定，選擇分檔模糊集進(jìn)行模糊化和加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊。此處，kp′、ki′、kd′的預(yù)整定值采用常規(guī)修正真值方法進(jìn)行整定，其計(jì)算公式如下[5]：

kp=kp′+Δkp

ki=ki′+Δki

kd=kd′+Δkd

PID參數(shù)在設(shè)計(jì)的模糊控制過程中在線實(shí)現(xiàn)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)在線自整定。

2 系統(tǒng)仿真分析

假設(shè)采用時(shí)間為1 ms，利用傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制分別對假設(shè)的控制對象進(jìn)行仿真比較。

2.1 未加擾動(dòng)時(shí)的仿真

利用MATLAB/Simulink進(jìn)行傳統(tǒng)PID控制仿真時(shí)，控制器的3個(gè)參數(shù)設(shè)定值為：kp=0.4,ki=1,kd=0.005，可得到圖2所示的階躍響應(yīng)曲線。利用Fuzzy工具箱和MATLAB編程，再利用Simulink模擬模糊自整定PID控制器，可以得到圖3所示的階躍響應(yīng)曲線。

圖2 傳統(tǒng)PID響應(yīng)曲線(未加干擾)

圖3 模糊PID響應(yīng)曲線(未加干擾)

2.2 在t=0.35 s時(shí)加入脈沖干擾的仿真

利用MATLAB/Simulink分析在t=0.35 s時(shí)加入幅值為1.5的脈沖干擾，可以得到其階躍響應(yīng)曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)PID響應(yīng)曲線(加干擾)

圖5 模糊PID響應(yīng)曲線(加干擾)

2.3 改變被控對象進(jìn)行仿真

先假設(shè)被控對象為：

PID控制器的3個(gè)參數(shù)kp、ki、kd調(diào)整為kp=0.6,ki=0.5,kd=0.001，利用MATLAB/Simulink可以得到2種不同控制方法的階躍輸出響應(yīng)曲線(見圖6和圖7)。

圖6 傳統(tǒng)PID輸出曲線(被控對象改變)

圖7 模糊PID輸出曲線(被控對象改變)

2.4 3種仿真結(jié)果比較

不同環(huán)境下的性能參數(shù)比較見表4。

表4 不同環(huán)境下的性能參數(shù)比較

由表4得出如下結(jié)論：1)與傳統(tǒng)的PID控制相比，所設(shè)計(jì)的模糊PID自整定控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間，因此其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)特性較好；2)模糊PID自整定控制可以在線根據(jù)工作過程中誤差和誤差變化率的變化進(jìn)行自調(diào)整PID參數(shù)，使其具有較好的自適應(yīng)能力；3)與傳統(tǒng)的PID控制相比，若被控對象發(fā)生改變或加入干擾時(shí)，所設(shè)計(jì)的模糊PID自整定控制調(diào)節(jié)時(shí)間較短，抗干擾能力更好，其魯棒性也較好。

3 結(jié)語

結(jié)合模糊PID自整定控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，MATLAB軟件自身編程，以及Simulink仿真的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了模糊PID自整定控制和MATLAB軟件的有機(jī)結(jié)合，并在線實(shí)時(shí)仿真和分析了模糊PID自整定控制器。仿真結(jié)果表明，模糊自整定PID控制器比傳統(tǒng)PID控制器具有更好的性能指標(biāo)，因此其具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

[1] 周昭洋，李浙昆.基于MATLAB的高速公路隧道通風(fēng)控制系統(tǒng)仿真研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(2):66-69.

[2] 曹賓，王振宏.汽車線控四輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的仿真與分析[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(7):43-45.

[3] 李世勇.模糊控制·神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4] 劉增良.模糊控制技術(shù)與應(yīng)用選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[5] 劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

* 河南省教育技術(shù)裝備和實(shí)踐教育研究重點(diǎn)課題(GZS013) 河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102210042) 河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13B413968)

責(zé)任編輯 鄭練

Design and Research based on Fuzzy PID-parameters Self-tuning Controller with MATLAB

WANG Xiaokan, WANG Liang

(Henan Mechanical and Electrical Vocational College, Zhengzhou 451191, China)

Design a parameter self-tuning PID-controller based on fuzzy control, which can adjust PID-parameters according to error and change-in-error. A simulation study of the system shows that the controller both includes the precise character of PID controller and the flexible advantage of fuzzy controller. It can eliminate the steady error of the system promptly.

fuzzy control, parameter self-tuning, fuzzy PID, MATLAB

TP 29

A

王曉侃(1980-)，男，副教授，碩士，主要從事智能控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用等方面的工作。

2016-07-14