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1、模糊控制与传统PID控制比较目 录引言3第一章 开环测试31.1开环测试31.2 PID控制41.2.1 PID概述：41.2.2 PID结构41.2.3 PID参数作用51.2.4 PID调节方法（自整定过程）6第二章：模糊控制102.1模糊控制技术的起源与特点102.2模糊控制论的特点：112.3模糊控制研究现状：112.4模糊控制的发展趋势：122.5设计一个模糊控制器规则：122.6一个基本模糊控制器主要有三个功能132.7模糊控制器主要步骤：132.9 simulink仿真15第三章：模糊控制与传统PID控制比较：1631 死区、迟滞163.2 PID控制器和模糊控制器对比：17参考
2、文献：19引言模糊控制不需要确定系统的精确数学模型，是一种基于规则的控制。模糊控制在智能控制领域由于理论研究比较成熟、实现相对比较简单、适应面宽而得到广泛的应用。不论是对复杂的水泥回转窑的控制，还是在智能化家用电器中的应用，模糊控制都充当着重要的角色。以下我们从一个典型工业过程通常可以等效为二阶系统加上一个非线性环节（如纯滞后），给出如下典型控制对象传递函数的一般形式：1Gp（s）=K*e-s/(T1s+1)（T2s+1）第一章 开环测试1.1开环测试： 取K=1，T1=2，T2=4，=0.1；在simulink中搭建开环测试框架图： 图1 开环测试图仿真结果： 图2 开环仿真结果图1.2 P
3、ID控制1.2.1 PID概述：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例
4、、积分、微分计算出控制量进行控制的。1.2.2 PID结构 PID控制原理图： 图3 PID控制原理图PID控制器输入输出关系：式1PID控制器传递函数的一般表达式为：式2kp为比例增益；ki为积分增益；kd为微分增益1.2.3 PID参数作用比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with
5、 Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是
6、使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID参数整定前：图4 PID整定前框架图K=1，I=1，P=0；仿真结果：图5 PID整定前仿真结果图1.2.4 PID调节方法（自整定过程）：PID控制器的参数整定是控制系统设计的核
7、心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要
8、在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。 利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下： （1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； （2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数Kk和临界振荡周期Tk； （3）计算控制度：公式3(4)通过公式计算得到PID控制器的参数。 表1 临界比例度计算表PID参数的经验数据：PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中PID参数经验数据以下可参照：温度T: P=2060%,TI=180600s,TD=3-180s压力P: P=3070%,TI=24180s,液位L: P=2080%,TI
9、=60300s,流量L: P=40100%,TI=660s。P:比例带 , TI：积分时间, TD：微分时间，Ts：采样周期。根据PID参数可以计算： Kp=100/P，Ki=kp*Ts/TI，Kd=kp*TD/Tsa.确定比例增益P确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0，PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。b.确定积分时间常数Ti比例增益P确定
10、后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常数Ti调试完成。c.确定积分时间常数Td积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。2PID参数整定口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间
11、应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低在simulink中搭建PID系统控制模型如下图示： 图6 PID整定后框架图K=10，I=1，P=0,=0.1;PID仿真结果： 图7 PID整定后仿真结果图分析： 图8 PID整定前后对比框架图仿真结果对比： 图9 PID整定前后仿真结果对比PID整定后能快速的达到稳定状态，超调量小第二章：模糊控制2.1模糊控制技术的起源与特点传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（即传递函数模型或状态空间模型）的基础上，但是在实际上，很多系统的影响因素很多，油气混合过程、缸内燃烧过程等），很难找出精确的数学模型。这
12、种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型不需要预先知道过程精确的数学模型。模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）简称模糊控制（Fuzzy Control），是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机智能数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制器自诞生之日起就表现出顽强的生命力，它的应用现
13、在可以说是深入到我们生产、生活的各个方面。如1975年，英国的King及Mamdani利用模糊控制器控制一个反应搅拌池的温度获得成功。1976年荷兰学者Kichert等人通过模糊控制器解决了热交换过程中的非线性、干扰、非对称增益特性和时滞等问题，受到了最佳PI控制效果。同年，英国学者Tong对压力容器内部的压力和液面进行了模糊控制，收到了较好的效果。Tong还对模糊控制理论的发展做出了贡献。1977年英国的Pipps等人采用模糊控制，对十字路口的交通管理进行实验，车辆的平均等待时间减少7%。在这方面日本及加拿大也有很多成功的例子。1979年英国的Procyk和Mamdni研究了一种自组织的模糊
14、控制，这种控制器在控制过程中能不断地修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断提高。自组织模糊控制器的出现，标志着模糊控制器由低级开始向高级，仿人智能阶段发展。1979年丹麦F.C.S.SMIDTH公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统投入运行，1982年又研制成功NO分析器，并和上述系统配套使用，实现了某些工业生产过程的自动化。丹麦的这一系统已作为商品投放市场。1983年，日本学者Ahuta Murakami研制成功了一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，并成功地用于汽车速度的自动控制。目前，模糊控制方法的应用场合日趋增多，出了以往的工业过程控制以外，各种商业民用场合也广泛地应用了模糊控制，如空调系统控制，洗衣机的控制，汽车紧急制动和防撞控制，地铁控制，机器人手臂控制等等。2.2模糊控制论的特点：1. 它不需要知道被控对象（或过程）的数学模型；2. 它易于实现对具有不确定性的对象和具有强非线性的对象进行控制；3. 它对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性；4. 它对于控制系统的干扰具有较强的抑制能力。2.3模糊控制研究现状：模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用的背景。随着计算机及其相关技术的发展，模糊控
