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1、智能控制及其应用课程设计报告北 京 科 技 大 学University of Science & Technology Beijing智能控制及其应用课程设计报告题目： 基于模糊PID技术的磁 悬浮控制系统设计研究专业： 智能科学与技术 姓名： 臧宝龙 学号： 40850238 班级： 智能08 组别： 第三小组 北京科技大学自动化学院2011年6月12日目录引言11磁悬浮系统介绍21.1系统组成21.2系统简介21.3磁悬浮系统的特性31.4控制器的设计42数字PID控制的磁悬浮实验42.1原理及内容42.2结果及现象53模糊PID控制的磁悬浮实验93.1原理及内容93.1.1原理93.1.
2、1.1模糊PID控制器103.1.1.2模糊PID控制器的结构113.1.1.3模糊PID的实现113.1.2 内容143.2 结果及现象15结论16- 1 -智能控制及其应用课程设计报告引言智能控制及其应用这门课程是一门知识综合性很强的课程，在学习完本课程的相关智能控制理论知识后，很有必要将所学知识融入实际的应用，以加深学生对本课程相关知识的理解和认识。通过本次磁悬浮控制系统的实验，加深对PID控制以及模糊PID控制的理解和认识，从实验中感觉PID控制的三个参数对控制过程的影响，为在智能控制方面的进一步学习和研究奠定相当好的基础。实验之前，阅读磁悬浮实验装置安装使用说明，了解磁悬浮实验装置，
3、熟悉实验装置的原理，初步对可能造成误差的来源进行了解。试验中，利用试凑法得到正确的PID参数，并设计一个模糊控制算法使计算机能自动得到PID的三个参数。1磁悬浮系统介绍 1.1系统组成磁悬浮实验装置主要由LED光源、电磁铁、光电位置传感器、电源、放大及补偿装置、数据采集卡和控制对象（钢球）等元件组成。它是一个典型的吸浮式悬浮系统，系统组成框图见下图。 图 1 系统组成结构图1.2系统简介磁悬浮球控制系统是研究磁悬浮技术的平台，它是一个典型的吸浮式悬浮系统。系统结构图如下图。图 2 磁悬浮实验系统结构图电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力F,只要控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与钢球的
4、重力mg相平衡，钢球就可以悬浮在空中而处于平衡状态。为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使整个系统稳定具有一定的抗干扰能力。本系统中采用光源和光电位置传感器组成的无接触测量装置检测钢球与电磁铁之间的距离x的变化，为了提高控制的效果，还可以检测距离变化的速率。电磁铁中控制电流的大小作为磁悬浮控制对象的输入量。1.3磁悬浮系统的特性虽然磁悬浮的应用领域繁多，系统形式和结构各不相同，但究其本质都共同具有以下特性： 1.本质非线性 磁悬浮是一个典型的非线性复杂系统。实际中可以通过线性化得到系统的近似模型，线性化处理后再进行控制，也可以利用非线性控制理论对其进行控制。 2不确定性 主要是模型误
5、差以及电磁干扰，各种外界因素等，实际控制中一般通过减少各种误差，如通过采用遮光罩和增强背景光等措施来减少干扰误差，利用风扇来降低电磁铁温升等不确定因素。 3开环不稳定性 磁悬浮系统的稳定状态只有一个，即当电磁力与所悬浮对象的重力平衡时，但这种状态是建立在系统为闭环的情况下。我们知道若系统处于开环状态下，只要有轻微的干扰即可破坏平衡状态。磁悬浮的以上特性增加了其控制的难度，也正是由于磁悬浮的这些特性，使其更加具有研究价值和意义。1.4控制器的设计控制器的设计是磁悬浮系统的核心内容，因为磁悬浮系统是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器。目前典型的控制器设
6、计理论有：PID控制、根轨迹法以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、模糊控制理论、神经网络控制、拟人智能控制、鲁棒控制、自适应控制，以及这些控制理论的相互结合组成更加强大的控制算法，都可以在磁悬浮平台上很方便地进行试验。2数字PID控制的磁悬浮实验2.1实验原理及实验内容1.比例作用 比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，以最快的速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。2.积分作用 积分作用的引入主要是为了保证实际输出值y(t)在稳态是对设定值ysp (t)的无静差跟踪，即主要用于消除系统静差，提高系统误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T i，T i越大，
7、积分作用越弱，反之则越强。3.微分作用 微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应速度，反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度。经典控制理论的研究对象主要是单输入单输出的系统，控制器设计时一般不需要有关被控对象的较精确模型。对于磁悬浮输出量为小球的位置所反映的电压变化，在悬浮位置点平衡时重力与磁力相等。系统控制结构框图如下： 图 3 磁悬浮闭环系统图2.2结果及现象在Simulink中建立如图所示的磁悬浮模型：图 4磁悬浮PID控制MATLAB仿真模型先设置PID控制器为P控制器，令Kp=0.5，
8、Ki=0，Kd =0，得到以下仿真结果：从图中可以看出，闭环控制系统持续振荡，周期约为0.4s。为消除系统的振荡，增加微分控制参数Kd，令Kp=0.5，Ki=0，Kd =5，得到仿真结果如下：为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，并不断调整，最终得到以下较为满意的仿真结果，其中Kp=2.5，Ki=0.1，Kd =20打开磁悬浮PID控制界面入下图所示：图5 磁悬浮PID MATLAB实时控制界面双击“PID”模块进入PID参数设置，通过改变三个参数而得到让球悬浮的状态，如下： 铁球悬浮时实验结果如下：实验现场拍摄图如下：由于时间原因，没有实现两个球及更多球悬浮。 由实验中得来的经验是Kp越小，
9、电磁铁磁力越大，Ki越小，铁球悬浮时越稳定。3模糊PID控制的磁悬浮实验在刚才的实验中，明显感觉到试凑法存在很多不便，既不准确，又耗时，所以想到在PID控制中加入模糊控制的概念，使用模糊控制来自动产生合适的三个参数。3.1实验原理及实验内容3.1.1原理模糊控制是建立在模糊推理基础上的一种非线性控制策略。模糊控制一般按系统偏差及偏差变化率来实现对工业过程的控制。如图给出了模糊控制系统的基本结构，包括模糊化、模糊规则库、模糊推理、解模糊化和输出量化等部分。图 3基本模糊控制器结构图中r为设定值,y为构成输出,e和ec分别为控制偏差和偏差变化率,E和Ec分别是e和ec经过输入量化后的语言变量,U为
10、基本模糊控制器语言化变量,u为经过输出量化后的实际输出值。3.1.1.1模糊PID控制器磁悬浮控制系统是典型的非线性迟滞系统，所以难以为系统建立精确的数学模型。传统的PID控制由于得不到精确的数学模型,并且动态性能较差,所以控制效果并不很理想。模糊控制其优点是不需要掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小,且系统的动态性能好。但稳态性能差，控制效果受控制规则和变量的量化级别限制。另外，对于普通的模糊控制而言，它类似于比例微分的控制方式，还有一个非零的稳态误差，属于有差调节。PID控制的动态性能较差,但其积分功能可以消除静差,可以使稳态性能变好。而
11、模糊PID控制器将两种方法结合起来，取长补短，具有良好的动态性能（模糊控制器）和稳态性能（PID控制器）。常规PID控制器无法实现参数的在线调整，而模糊PID在常规PID的基础上加设模糊参数自整定控制器，使其根据系统的偏差的大小、方向、以及变化趋势等特征，通过Fuzzy推理作出相应决策，自动的在线调整PID的三个参数，以便达到更加满意的控制效果的目的。模糊PID控制器主要包括模糊参数整定器和变参数PID控制器两部分。3.1.1.2模糊PID控制器的结构图 4模糊PID控制器结构3.1.1.3模糊PID的实现由模糊PID控制器结构图4可知，PID参数的校正部分实质是一个模糊控制器。磁悬浮实验系统
12、控制的目的是使小球悬浮在某一期望值，因此这里选择模糊控制器的输入变量为小球的位置（V）偏差e和偏差变化率e c，输出量为PID参数的修正量，K p 、K i 和K d。它们的语言变量、基本论域、模糊子集、模糊论域及量化因子如表1所示。表1 模糊PID参数表变量ee cK pK iK d语言变量EECK pK iK d基本论域-2,2-1,1-0.2,0.2-0.001,0.001-3,-3模糊子集NB NM NS ZO PS PM PB模糊论域-3,-3-3,-3-0.2,0.2-0.001,0.001-3,-3量化因子1.53111选择各变量的隶属度函为均匀三角形，则根据表1作出各个变量的隶
13、属度函数如下图所示。参数模糊自调整PID控制器就是找处在不同时刻PID三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。由前人的经验得知被控过程对参数Kp，Ki，Kd的自整定要求如下：1.当偏差|e|较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的Kp；同时为了避免由于开始时偏差e的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围，应取较小的Kd；同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，通常取Ki=0，去掉积分作用。2.当|e|和|e
14、c|处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Kp应取的小一些，Ki的取值要适当，这种情况Kd的取值对系统响应的影响较大，取值要大小适中，以保证系统响应速度。3.当|e|较小即接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加Kp和Ki的取值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，Kd的取值是相当重要的。一般是当|ec|较小时，Kd可取大一些；当|ec|较大时，Kd应取小一些。4.偏差变化量|ec|的大小表明偏差变化的速率，|ec|值越大，Kp的取值越小，Ki取值越大。根据上述PID参数的作用以及在不同的偏差及偏差变化下对PID参数的要求，总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，得到针对Kp，Ki，Kd三个参数分别整定的模糊控制表。(1) K p的模糊规则表(2) K i的模糊规则表(3) K d的模糊规则表3.1.2 内容表2 模糊控制表3.2 结果及现象通过Matlab仿真，程序如下：得出磁悬浮系统模糊PID推理输入输出曲面视图如下：结论通过本次实验，首先明白
