基于Matlab的模糊自适应PID控制器仿真研究以及与常规PID的比较

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1、《系统辨识与自适应控制》课程论文基于Matlab的模糊自适应PID控制器仿真研究学院:电信学院专业:姓名:学号:基于Matlab的模糊自适应PID控制器仿真研究王晋(辽宁科技大学电信学院鞍山)摘 要:传统PID在对象变化时,控制器的参数难以自动调整。将模糊控制与PID控制结合,利用模糊推理方法实现对PID参数的在线自整定。使控制器具有较好的自适应性。使用MATLAB对系统进行仿真,结果表明系统的动态性能得到了提高。关键词: 模糊PID控制器;参数自整定;Matlab;自适应0引言在工业控制中,PID控制是工业控制中最常用的方法。但是,它具有一定的局限性:当控制对象不同时,控制器的参

2、数难以自动调整以适应外界环境的变化。为了使控制器具有较好的自适应性,实现控制器参数的自动调整,可以采用模糊控制理论的方法[1]模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中,模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色,并目仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。到目前为止,现代控制理论在许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而在工业过程控制中,PID类型的控制技术仍然占有主导地位。虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广、被控对象可以是越来越复杂,相应的控制技术也会变得越来越精巧,但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的基本控制单元。本文将模糊控制和PID控

3、制结合起来,应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定,实现PID参数的最佳调整,设计出参数模糊自整定PID控制器,并进行了Matlab/Simulink仿真[2]。仿真结果表明,与常规PID控制系统相比,该设计获得了更优的鲁棒性和动、静态性及具有良好的自适应性。1PID控制系统概述PID控制器系统原理框图如图1所示。将偏差的比例(KP)、积分(KI)和微分(KD)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,KP、KI和KD3个参数的选取直接影响了控制效果。比例积分微分被控对象/图1PID控制器系统原理框图在经典PID控制中,给定值与测量值进行比较,得出偏差e(t),并依据偏

4、差情况,给出控制作用u(t)。对连续时间类型,PID控制方程的标准形式为,(1)式中,u(t)为PID控制器的输出,与执行器的位置相对应;t为采样时间;KP为控制器的比例增益;e(t)为PID控制器的偏差输入,即给定值与测量值之差;TI为控制器的积分时间常数;TD为控制器的微分时间常数。离散PID控制的形式为(2)式中,u(k)为第k次采样时控制器的输出;k为采样序号,k=0,1.2…;e(k)为第k次采样时的偏差值;T为采样周期;e(k-1)为第(k-1)次采样时的偏差值。离散PID控制算法有如下3类:位置算法、增量算法和速度算法。增量算法为相邻量词采样时刻所计算的位置之差,即(

5、3)式中,,。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑,KP、KI、KD对系统的作用如下。(1)系数KP的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。KP越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至导致系统不稳定、KP过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏。(2)积分系数KI的作用是消除系统的稳态误差。KI越大,系统的稳态误差消除越快,但KI过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调;若KI过小,将使系统稳态误差难以消除,影响系统的调节精度。(3)微分作用系数KD的作用是改善系

6、统的动态特性。其作用要是能反应偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变的太大之前,在系统引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。KP、KI、K,D与系统时间域性能指标之间的关系如表1所示。参数名称上升时间超调亮过渡过程时间静态误差KP减少增大微小变化减少KI减少增大增大消除KD微小变化减小减小微小变化表1KP、KI、K,D与系统时间域性能指标之间的关系2模糊自适应PID控制系统模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法,让计算机把人的经验形式化、模型化,根据所取得的语言控制规则进行模糊推理,给出模糊输出判决,并将其转化为精确量,作为馈送到被控对象(或过程)的控制作用

7、。模糊控制表是模糊控制算法在计算机中的表达方式,它是根据输入输出的个数、隶属函数及控制规则等决定的。日的是把人工操作控制过程表达成计算机能够接受,并便于计算的形式。模糊控制规则一般具有如下形式:If{e=Aiandec=Bi}thenu=Ci,i=1,2…,其中e,ec和u分别为误差变化和控制量的语言变量,而Ai、Bi、Ci为其相应论域上的语言值。应用模糊推理的方法可实现对PID参数进行在线自整定,设计出参数模糊自整定PID控制器。仿真结果表明,该设计方法使控制系统的

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