王曉侃，王 亮

(河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 451191)

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基于MATLAB的模糊PID參數(shù)自整定控制器設計與研究*

王曉侃，王 亮

(河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 451191)

針對多數(shù)工業(yè)過程存在非線性、參數(shù)時變和模型不確定等問題，設計了一種基于模糊控制的自整定PID控制器。它能根據(jù)偏差和偏差變化的需要實時自動調(diào)整和優(yōu)化PID參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該模糊PID控制器具有控制精度高、快速性好和適應性強等優(yōu)點，可以迅速消除系統(tǒng)誤差，保證被控對象具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。

模糊控制；參數(shù)自整定；模糊PID；MATLAB

1 模糊PID參數(shù)自整定控制原理

在實際應用中，大多數(shù)工業(yè)過程都不同程度地存在非線性、參數(shù)時變性和模型不確定性等問題。對傳統(tǒng)的PID控制來說，要求其模型結(jié)構(gòu)非常精確，因而這種控制通常無法實現(xiàn)對過程的精確控制。眾所周知，模糊控制不但具有良好的魯棒性和適應性，而且對過程控制不需要建立精確的數(shù)學模型[1-2]。經(jīng)研究，筆者綜合傳統(tǒng)PID控制和模糊控制的各自特點，設計了一種基于MATLAB軟件的模糊PID參數(shù)自整定控制器。

為了滿足不同時刻PID參數(shù)自整定控制的要求，需要把誤差e和誤差變化率ec作為模糊PID控制器的輸入，同時可以在線對PID參數(shù)kp、ki、kd利用模糊控制規(guī)則進行修改。其控制方案原理如圖1所示[3]。

圖1 自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

為了使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能，需要在控制器運行過程中在線不斷檢測和修改e和ec，以便及時地確定模糊自整定過程中PID的3個參數(shù)與e和ec之間的模糊關系，實現(xiàn)對控制參數(shù)的實時控制。將{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}7個模糊值作為e和ec的語言變量值，同時kp、ki、kd的語言變量值也定義為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}7個模糊值，則可建立kp、ki、kd這3個參數(shù)整定的模糊規(guī)則表(見表1～表3)[4]，表中Δkp、Δki、Δkd分別是kp、ki、kd的變化量。

表1 kp整定的模糊規(guī)則表

表2 ki整定的模糊規(guī)則表

表3 kd整定的模糊規(guī)則表

根據(jù)已經(jīng)建立的模糊規(guī)則表，對kp、ki、kd進行動態(tài)的整定，選擇分檔模糊集進行模糊化和加權(quán)平均法進行解模糊。此處，kp′、ki′、kd′的預整定值采用常規(guī)修正真值方法進行整定，其計算公式如下[5]：

kp=kp′+Δkp

ki=ki′+Δki

kd=kd′+Δkd

PID參數(shù)在設計的模糊控制過程中在線實現(xiàn)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和計算，以實現(xiàn)在線自整定。

2 系統(tǒng)仿真分析

假設采用時間為1 ms，利用傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制分別對假設的控制對象進行仿真比較。

2.1 未加擾動時的仿真

利用MATLAB/Simulink進行傳統(tǒng)PID控制仿真時，控制器的3個參數(shù)設定值為：kp=0.4,ki=1,kd=0.005，可得到圖2所示的階躍響應曲線。利用Fuzzy工具箱和MATLAB編程，再利用Simulink模擬模糊自整定PID控制器，可以得到圖3所示的階躍響應曲線。

圖2 傳統(tǒng)PID響應曲線(未加干擾)

圖3 模糊PID響應曲線(未加干擾)

2.2 在t=0.35 s時加入脈沖干擾的仿真

利用MATLAB/Simulink分析在t=0.35 s時加入幅值為1.5的脈沖干擾，可以得到其階躍響應曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)PID響應曲線(加干擾)

圖5 模糊PID響應曲線(加干擾)

2.3 改變被控對象進行仿真

先假設被控對象為：

PID控制器的3個參數(shù)kp、ki、kd調(diào)整為kp=0.6,ki=0.5,kd=0.001，利用MATLAB/Simulink可以得到2種不同控制方法的階躍輸出響應曲線(見圖6和圖7)。

圖6 傳統(tǒng)PID輸出曲線(被控對象改變)

圖7 模糊PID輸出曲線(被控對象改變)

2.4 3種仿真結(jié)果比較

不同環(huán)境下的性能參數(shù)比較見表4。

表4 不同環(huán)境下的性能參數(shù)比較

由表4得出如下結(jié)論：1)與傳統(tǒng)的PID控制相比，所設計的模糊PID自整定控制具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時間，因此其動態(tài)響應特性和穩(wěn)態(tài)特性較好；2)模糊PID自整定控制可以在線根據(jù)工作過程中誤差和誤差變化率的變化進行自調(diào)整PID參數(shù)，使其具有較好的自適應能力；3)與傳統(tǒng)的PID控制相比，若被控對象發(fā)生改變或加入干擾時，所設計的模糊PID自整定控制調(diào)節(jié)時間較短，抗干擾能力更好，其魯棒性也較好。

3 結(jié)語

結(jié)合模糊PID自整定控制器的優(yōu)化設計特點，MATLAB軟件自身編程，以及Simulink仿真的優(yōu)勢，實現(xiàn)了模糊PID自整定控制和MATLAB軟件的有機結(jié)合，并在線實時仿真和分析了模糊PID自整定控制器。仿真結(jié)果表明，模糊自整定PID控制器比傳統(tǒng)PID控制器具有更好的性能指標，因此其具有一定的推廣和應用價值。

[1] 周昭洋，李浙昆.基于MATLAB的高速公路隧道通風控制系統(tǒng)仿真研究[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(2):66-69.

[2] 曹賓，王振宏.汽車線控四輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的仿真與分析[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(7):43-45.

[3] 李世勇.模糊控制·神經(jīng)網(wǎng)絡和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.

[4] 劉增良.模糊控制技術(shù)與應用選編[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[5] 劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

* 河南省教育技術(shù)裝備和實踐教育研究重點課題(GZS013) 河南省重點科技攻關項目(142102210042) 河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目(13B413968)

責任編輯 鄭練

Design and Research based on Fuzzy PID-parameters Self-tuning Controller with MATLAB

WANG Xiaokan, WANG Liang

(Henan Mechanical and Electrical Vocational College, Zhengzhou 451191, China)

Design a parameter self-tuning PID-controller based on fuzzy control, which can adjust PID-parameters according to error and change-in-error. A simulation study of the system shows that the controller both includes the precise character of PID controller and the flexible advantage of fuzzy controller. It can eliminate the steady error of the system promptly.

fuzzy control, parameter self-tuning, fuzzy PID, MATLAB

TP 29

A

王曉侃(1980-)，男，副教授，碩士，主要從事智能控制系統(tǒng)的研究與應用等方面的工作。

2016-07-14