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1、-毕业论文(设计) 题 目 自适应模糊PID控制器的设计与仿真 学生姓名 * 学 号 * 院 系 *专 业 电气工程与自动化指导教师 *二一一年五月二十五日.-目 录1引言11.1 PID简介11.2 模糊控制简介11.3 本文研究的目的和意义21.4 本文的内容与安排32国内外现状33 MATLAB工具箱简介43.1 MATLAB 系统的应用43.2 Simlulink工具箱43.3 模糊逻辑工具箱53.4 MATLAB环境下的SIMULINK的应用53.4.1 MATLAB 环境中启动SIMULINK 的方法53.4.2打开SIMULINK 模型窗口的方法53.4.3 SIMULINK 仿
2、真基本步骤54自适应模糊PID控制器的设计64.1 自适应模糊PID控制器的性能要求64.2 PID控制的理论基础64.3 模糊控制原理94.4 模糊PID控制系统结构及原理104.5 PID控制器参数自整定原则104.6 各变量隶属度函数的确定114.7 建立模糊规则表135 利用MATLAB对模糊PID控制系统进行仿真185.1建立系统结构仿真框图185.2 仿真结果分析196结论22参考文献23ABSTRACT24致 谢25附 录26自适应模糊PID控制器的设计与仿真0摘要：本文在参数自适应模糊PID控制器的基础上，利用模糊推理的方法实现了对PID参数的在线自动整定，并且在MATLAB软
3、件下将该控制器在某系统中的应用进行了研究，仿真结果表明，参数自适应模糊PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有较大的参考价值。关键词：自适应；PID控制器；模糊PID；MATLAB仿真1引言1.1 PID简介PID，（Proportional Integral Derivative）控制是目前工业上应用最广泛深入的控制方法。多数控制回路都是应用该方法或在其基础上进行较小的变形来控制。PID调节器及其改进型是工业控制中最常见的控制器。虽然从20世纪初PID控制诞生以来，计算机技术和信息技术飞速发展，控制理论与控制技术取得了令人瞩目的成就，一些先进控制策略不断推出，但其基础的PI
4、D控制器以其结构的简单，对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得令人满意的控制性能，因此仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业控制中。 “特征建模”理论4的提出，第一次从理论上有力地论证了PID控制器得以广泛应用的理论依据，并且指出了PID控制器所具有的独特的优越性，它将是复杂系统智能控制的最基本最基础的一个子控制单元。传统PID的主要缺陷包括：（1）当自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。(2)如果自整定
5、是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。(3)PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。如此广泛应用的PID控制器但同时又有如此多的控制器因为控制器本身设计
6、的局限,未能达到用户要求，这给控制理论研究和控制理论应用于实际带来了前所未有的挑战和机遇。1.2 模糊控制简介 模糊控制是建立在人工经验基础上的。对于一个熟练的操作人员，他往往凭借丰富的实践经验，采取适当的对策来的控制一个复杂过程。若能将这些熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，就会得到一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数字将其定量化，就转化为模糊控制算法，从而形成模糊控制理论。模糊控制尚无统一的定义。从广义上，可将模糊控制定义为：“以模糊集合理论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一类控制方法”，或定义为：“采用模糊集合理论和模糊逻辑，并同传统的控制理论相结合，模拟人的思维
7、方式，对难以建立数学模型的对象实施的一种控制方法”。模糊控制具有一些明显的特点：(1) 模糊控制不需要被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，故无需知道被控对象的数学模型。(2) 模糊控制是一种反映人类智慧的智能控制方法。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。(3) 模糊控制易于被人们接受。模糊控制的核心是控制规则，模糊规则是用语言来表示的。(4) 鲁棒性和适应性好。普通模糊控制器的主要缺陷是：普通模糊控制器相当于PD（比例微分）控制器，对输入量的处理是离散
8、的，而且没有积分环节，所以本身无法消除系统的稳态误差。1.3 本文研究的目的和意义在工业生产过程中，许多被控对象受负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数或结构易发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识的模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量采用的仍然是PID算法。PID参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础15。在工业过程控制中，PID控制是历史最悠久的，生命力最强的一种控制方式。它是迄今为止最通用的控制方法1。常规PID控制器结构简单，参数意义清晰明确
9、，可靠性高，容易实现，稳态无静差，控制精度高，能满足大工业过程的要求。然而在生产现场中, 大多数工业过程不同程度的存在非线性、大滞后、参数时变性和模型不确定性，因此常规PID参数整定方法繁杂，其参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的整定性差。而模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服传统PID控制器的缺点，人们将模糊控制与PID控制器结合起来，扬长避短，研究出了多种模糊PID控制器。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数，这样就出现了专家PID控制器。该控制器把古典的PID控制与先进的专家
10、系统相结合，实现系统的最佳控制。这种控制方法必须精确地确定对象模型，将操作人员（专家）长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，并运用推理对PID参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量及评价指标不易定量表示，专家PID方法受到局限。模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息（如评价指标、初始PID参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况（集专家系统的输入条件），运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应PID控制6。因为其
11、采用模糊推理的方法实现PID参数、和的在线自整定，不仅保持了常规PID控制系统原理简单、使用方便、控制精度好等优点，而且具有更大的灵活性、整定性、控制精度更好，是目前较为先进的一种控制系统2。采用MATLAB对模糊自整定PID参数控制系统进行计算机仿真可快速方便地实现多种规则和参数的准确仿真效果，极大地提高模糊自整定PID参数控制系统设计的效率和准确性。1.4 本文的内容与安排本文在参数自适应模糊PID控制器的基础上，利用模糊推理的方法实现了对PID参数的在线自动整定，并且在MATLAB软件下将该控制器在某系统中的应用进行了研究。其中包括五部分：第一部分阐述了课题的背景、课题的来源和课题的研究
12、意义，并分析了模糊PID控制系统设计的特点和任务；第二部分对国内外现状作出介绍；第三部分则简单介绍了MATLAB工具箱；第四部分给出自适应模糊PID控制器的设计的具体步骤，如PID控制器参数自整定原则，各变量隶属度函数的确定，建立模糊规则等；第五部分是模糊PID控制系统的仿真及其分析。2国内外现状最初的气动式PI控制器7于19341935年间诞生于福克斯波罗和泰勒公司。1939年，泰勒仪器公司生产出第一台商用PID控制器。同年，福克斯波罗公司推出了由George.philbrick发明的PID控制器:“sbatligo30”。 20世纪30年代的PI/PD控制器是在当时工业的强烈需求推动下不断
13、发展的，同时技术的发展还受到当时的系统化和抽象派思想所左右，工程设计人员逐步意识到测量装置的重要性。Mason与Black分别在设计气动式控制机构和电子负反馈放大器时意识到，当系统闭环后必须在反馈回路上增加信号测量装置。1948年福克斯波罗公司推出了改进型PID控制器:“Mdoel 40 Sbatiotg”.Clarridge于1950年设计出串行PID控制器“Transet Tri-act”，此后这种控制器成为了PID控制器的一种标准形式。PID控制器诞生的随后几十年里，大约90%左右的控制元件都是气动式的。从20世纪50年代中期起，电子元件逐步取代气动式控制元件。1959年福克斯波罗公司推
14、出了电子式PID控制器，到20世纪60年代初，绝大多数控制仪器公司均提供了数字式PID控制器。直到现在，很多控制学术机构、高校以及控制仪器公司不断开发出新的PID控制器调试软件包、硬件模块和PID控制器整定技术。从最初的气动式PID控制器诞生到发展至目前的数字式微处理芯片PID控制模块、PID控制软件包，以及智能PID控制、专家PID控制等先进复合PID控制系统可以看出，PID控制是在社会生产需求的强烈激励下产生并不断发展的，PID控制的发展与控制学科以及与其相关的计算机技术、信息技术、生命科学等新兴学科技术的发展是密不可分的。近十年来，国际控制界对PID控制的研究热情又重新高涨起来，一些重要
15、的国际权威控制杂志不断出版有关PID控制器设计理论和应用方面的论文。PID控制有着光明的应用前景，在未来的控制工程中仍将扮演重要角色，同时将成为各种复杂控制器的基本单元。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于19151940年期间。尽管1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中1。据日本电气计量器工业会先进控制动向调查委员会1990年统计，在日本有91%的控制的控制回路采用的是PID控制器控制。在美国，据估计有90%以上的工业控制器采用的是PID调节器。而在我们国家现在PID功调节器的应用就更加普遍。虽然随着控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理论的新型控制器不断出现，但PID控制仍是最重要的控制方法。据估计：我们国家过
