模糊自適應(yīng)PID控制器

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1、模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)一、模糊自適應(yīng)原理模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法，作為智能控制的一個(gè)重要分支，在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，模糊控制與傳統(tǒng)控制方式相比具有以下突出優(yōu)點(diǎn):·不需要精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型；·使用自然語言方法，控制方法易于掌握；·魯棒性好，能夠較大范圍的適應(yīng)參數(shù)變化；·與常規(guī)PID控制相比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良。常規(guī)模糊控制器的原理如圖1所示:Fuzzy化Fuzzy控制算法Fuzzy判決被控過程d/dt+r-

2、eecuyec圖1模糊控制系統(tǒng)框圖PID控制規(guī)律:式中：---比例系數(shù)；---積分時(shí)間常數(shù)；---微分時(shí)間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中過程中，許多被控對象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中過程中，大量采用的仍然是PID算法，PID參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對象特性為基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的以

3、展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能PID.這種控制器把古典的PID控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。這種控制必須精確地確定模型，首先將操作人員長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識用控制然后運(yùn)用推理便可對PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整。由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過程中各種信號量及評價(jià)指標(biāo)不易定量表示，模糊理念是解決這一問題的有效途徑，所以人們運(yùn)用學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模

4、糊有關(guān)信息作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID控制，目前模糊自適應(yīng)PID控制器有多種結(jié)構(gòu)，但其工作原理基本一致。自適應(yīng)模糊PID以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.de/dtPID調(diào)節(jié)器模糊推理對象rinerrorkpkikdkdyout圖2自適應(yīng)模糊控制器

5、結(jié)構(gòu)PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理對三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和精度等各方面來考慮，kp.ki,kd的作用如下：（1）比例系數(shù)kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延

6、長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)靜態(tài)特性變壞。（2）積分作用系數(shù)ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki越大，的靜態(tài)誤差消除越快，但ki過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。（3）微分作用系數(shù)kd的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但kd過大，會使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能二、自適應(yīng)模糊PID控制的設(shè)計(jì)思路PID參數(shù)的整

7、定必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系。在線實(shí)時(shí)模糊自整定PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對kp,ki,kd三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表（表1，表2，和表3）。表1kp模糊控制規(guī)則表kpeceNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZ

8、ONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表2ki模糊控制規(guī)則表kieceNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMPSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3kd模糊控制規(guī)則表kdeceNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPS