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1、上海交通大学硕士学位论文模糊PID控制器的系统分析及鲁棒性设计姓名：胡慧琴申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：李少远20040101上海交通大学硕士学位论文 III模糊PID控制器的系统分析及鲁棒性设计* 摘 要 针对工业被控对象广泛存在的高阶时延非线性等多种不确定性以及控制对象通常大范围工况的变化传统的 PID 控制器已不能提供令人满意的控制性能但由于 PID 控制结构简单不依赖于系统模型仍在工业控制领域有着广泛的应用 而与传统控制相比 模糊控制具有不可比拟的优点 模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验另外模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控
2、制 这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入 输出模糊集及模糊规则中 并且 模糊控制器具有很好的稳定性和鲁棒性 另外许多模糊控制器都能表示成 PID 的结构形式只是控制器的增益随其输入的变化而变化是非线性PID 控制器模糊 PID 控制结合了传统 PID 控制和模糊控制的双重特性 在更广泛的范围内提高了控制器的性能 使人们仍能充分利用传统 PID 控制器性能特性的知识本文对模糊控制器的系统结构进行了分析 并进行了鲁棒模糊控制器的设计 主要研究工作包括 1. 以解析的形式阐述了模糊控制器是一类变参数的非线性 PI 控制在工况发生变化时能够自调整 PI的参数 并分析了量化因子以及隶属度函数
3、与系统性能之间的关系为系统的设计提供了指导性的建议通过仿真研究对 PID 控制器和模糊控制器的鲁棒性进行了比较验证了模糊控制器具有较好的鲁棒性 *资助项目: 国家 863 计划资助项目(2002AA412130) 上海交通大学硕士学位论文 IV 2. 设计了模糊控制器在液位控制实验系统中应用得到较好的控制效果 3. 讨论了对于未知过程模型的模糊控制器自调节的新方法利用继电实验对参数进行辨识得到近似模型针对标准二阶过程设计标称的参数自调节模糊控制器然后基于估计的系统增益时间常数和时延将标称系统的模糊控制转化为通用的模糊控制器同时比较了该控制器与传统 PID 型控制器的性能仿真研究和实验结果对该算
4、法进行了验证 关键词模糊控制鲁棒性仿真自调节 上海交通大学硕士学位论文 V THE SYSTEM ANALYSIS OF FUZZY-PID CONTROLLER AND ROBUST DESIGN * ABSTRACT PID controller is applied in many control field of industrial because of its simple structure and independent of system model, although the traditional PID controller cannot always achieve
5、high performance because there are some uncertain factors such as high-order, time-delay, nonlinear and the variety of working environment in the majority of the industrial plants. Compared with PID control, fuzzy control has many advantages. Fuzzy control can be easily and effectively realized the
6、control strategy of human beings in many applications and it can obtain good performance without mathematic model of control object because the dynamic characteristic is implied in the input, fuzzy set, rules of fuzzy controller. And fuzzy controller has well stability and robustness. Many fuzzy con
7、trollers can be expressed with structure form of PID. The different is that the control parameter is changing in the process of running. It is a nonlinear PID controller. So aiming at the characters of the process control system, the paper researched and finished the system analysis of fuzzy-PID con
8、troller and design of robust controller. The main work is summarized as follows: 1. The paper researches and analyzes the explicit structure of fuzzy controller and mathematically proves this fuzzy controller to be nonlinear PI controller. The parameters of PI can be auto-tuned when the environment
9、of plants changed. The paper researches the relationship between scaling constants, membership and system performance, and give some guidance in controller designing. The better performance can be obtained compared with traditional PID controller. Simulation results are included to demonstrator the
10、effectiveness of the proposed process. 2. Designing a fuzzy controller and applying it in water level system and realizing * Supported by the High Technology Research and Development Program of China (Grant No.2002AA412130) 上海交通大学硕士学位论文 VI good performance. 3. Considered the model mismatch of real p
11、lants. A generalized fuzzy controller with delay compensation is designed. The design is based on the model obtained by biased relay feedback test. Based on the second-order plus dead time model, a fuzzy logic controller is derived from normalized fuzzy logic controller based on the approximated tim
12、e delay, time constant and gain of the fitted model obtained from the bias relay test. The performance of the generalized controller is compared with traditional PID controller. Simulation results are included to demonstrator the effectiveness of the proposed process. KEYWORDS: fuzzy control, robust
13、, simulation, auto-tuning 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：胡慧琴 日期： 2004年 2月 20日 2 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅
14、和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：胡慧琴 指导教师签名：李少远 日期：2004年 2月 20日 日期：2004年 2月 20日 上海交通大学硕士学位论文 1第一章 概 述 在自动控制理论不断发展的历程中经典控制理论和现代控制理论不论是在控制理论方面还是在实际的控制过程中都发挥了重要的作用经典控制理论研究与应用必须存在一个重要的前提 系统的运动状态必须是用一个精确的数学模型来描述然而随着
15、现代工业科学技术的不断发展被控对象越来越复杂同时对于控制精度的要求也越来越高为了能够解决复杂系统的控制问题和满足控制精度的要求在空间技术发展的基础上提出了现代控制理论现代控制理论是利用一个一阶微分方程或差分方程组来描述系统的数学模型 因此能够很好的解决多输入多输出系统和时变系统的控制问题并且可以满足系统的控制精度要求1 但是无论是经典控制理论还是现代控制理论须预先建立起被控对象的数学模型然而在实际的工业生产过程中由于大多数系统过于复杂尤其是那些非线性和时变的不确定系统 它们的传递函数或状态方程难以用传统的定量分析方法加以实现即便采用系统辨识理论通过各种测试手段和数据处理方法来获得系统的数学模型
16、采用模型近似化线性化高阶系统降阶等手段这样虽然在处理问题时比较方便但是利用这样的数学模型进行系统的分析和控制时其控制效果很难令人满意甚至会产生错误的结果或控制失败而且并不是所有的系统都能简化成线性低阶和非时变的 在此情况下 大系统理论和智能控制理论的研究和应用则使得现代控制理论得到发展前者是控制理论在广度上的开拓后者是控制理论在深度上的挖掘大系统理论是用控制和信息的观点研究各种大系统的结构方案总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论而智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律研究具有某些仿人智能的工程与信息处理系统 近年来越来越多的学者已意识到在传统控制中加入逻辑推理和启发式知识的重要性这类系统一般称为智能控制系统对智能控制这一术语还没有确切的定义IEEE控制系统
