張?zhí)旒?，石晶，劉武通，張?/p>

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

模糊PID控制仿真研究

張?zhí)旒?，劉武通，張?/p>

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.030

模糊控制對(duì)一些非線性、時(shí)變性的控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但它的穩(wěn)定控制精度相對(duì)較差一些。常規(guī)的PID控制具有算法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。模糊PID控制使二者優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，響應(yīng)速度更快，穩(wěn)定性更高，可靠性更強(qiáng)。

模糊控制；模糊PID控制；PID控制

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-93-03

引言

常規(guī)PID控制器具有算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，加之設(shè)計(jì)容易、適應(yīng)面寬，是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一類基本控制器。但是工業(yè)生產(chǎn)過程中被控對(duì)象的負(fù)荷多變、干擾因素復(fù)雜，要獲得滿意的控制效果，就要對(duì)PID的參數(shù)不斷的進(jìn)行在線調(diào)整。有時(shí)由于這些參數(shù)的變化無常，往往沒有確定不變的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可循，利用模糊控制器調(diào)節(jié)它們不失為一種實(shí)用、簡(jiǎn)便、可行的選擇[1]。本文將模糊控制技術(shù)與PID控制技術(shù)相結(jié)合，建立了模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)，運(yùn)用模糊推理實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，文章通過SIMULINK模塊對(duì)其進(jìn)行了仿真，與常規(guī)PID控制相比，控制效果明顯提高。

1、模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)

1.1 常規(guī)PID控制器

常規(guī)PID控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過程中一種最普遍采用的控制方法，將誤差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被空對(duì)象進(jìn)行控制[2]，控制原理圖如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID控制器算法的表達(dá)式如下：

式中：kp為比例系數(shù)；Ti為時(shí)間積分常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下[3]：

比例環(huán)節(jié)：成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

微分環(huán)節(jié)：反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），調(diào)節(jié)誤差的微分輸出，誤差突變時(shí)，能及時(shí)控制，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

1.2 模糊自適應(yīng)PID控制器參數(shù)整定原理

模糊自適應(yīng)PID控制就是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，運(yùn)用模糊推理，既可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖2表示。

圖2 模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)圖

由上圖可知，將誤差e及誤差變化率ec輸入到模糊控制器中，經(jīng)過模糊化、推理和解模糊，把修正的參數(shù)△kp、△ki、△kd分別輸入到PID控制器中，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。計(jì)算公式如下[4]：式中、為PID初始參數(shù)，其值為=8，=0.2，=0.15。△kp、△ki、△kd為系統(tǒng)完成每次對(duì)PID參數(shù)調(diào)節(jié)量的求和。

2、MATLAB仿真

在MATLAB中，SIMULINK是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和多位分析的交互工具，SIMULINK為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，使得仿真更直觀、方便靈活。

2.1 隸屬函數(shù)的確定

利用MATLAB軟件模糊邏輯工具箱建立各變量的隸屬函數(shù)。本文系統(tǒng)所采用的是雙輸入三輸出的模糊控制器，如圖3所示。

圖3 輸入、輸出模糊控制器

輸入為誤差e和誤差變化率ec，輸出為△kp、△ki、△kd。輸入與輸出的論域均為{-3 3}，模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。輸入e、ec服從高斯隸屬函數(shù)分布，如圖4所示。輸出△kp、△ki、△kd服從三角函數(shù)隸屬分布，如圖5所示。

圖4 e、ec隸屬函數(shù)分布圖

圖5 △kp、△ki、△kd隸屬函數(shù)分布圖

2.2 模糊控制規(guī)則

根據(jù)專家的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)總結(jié)模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 △kp模糊控制規(guī)則表

表2 △ki模糊控制規(guī)則表

表3 △kd模糊控制規(guī)則表

2.3 系統(tǒng)仿真

Study Of Fuzzy PID Control

Zhang Tianji, Shi Jing, Liu Wutong, Zhang Ning
( Liaoning university of technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

The fuzzy control has strong adaptability for some nonlinear and time-varying control system, but it’s stable control accuracy is relatively less.The normal PID control algorithm with simple and good stability characteristics.Fuzzy PID control combine both advantages of faster response,higher stability and reliability.

Fuzzy control; Fuzzy PID control; PID control

U462.1

A

1671-7988(2017)02-93-03

張?zhí)旒?，學(xué)術(shù)型碩士研究生，（1989.9-）就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，專業(yè)：車輛工程。