毕业设计温度系统模糊PID控制与MATLAB仿真.doc

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1、 毕业设计(论文)温度系统模糊PID控制与MATLAB仿真系 别专 业班级学号学生姓名 指导教师温度系统模糊PID控制与MATLAB仿真摘 要温度是工业中极为常见的参数，几乎所有的工业系统中都有对温度比较严格甚至非常严格的要求，因此温度的控制在工业控制过程中占用很重要的地位。本文所选电阻炉模型是工业生产中十分常见的系统，同时也是一个具有非线性滞后性、惯性、不确定性等特点的被控对象。传统PID控制具有结构简单，参数调整方便等优点，所以应用十分广泛，但传统PID控制效果的好坏是基于对象数学模型建立的准确与否，所以对于像电阻炉这种对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统，就存在很大的局限性。因此会直

2、接影响到系统的控制效果，达不到工艺要求。随着智能控制的发展，以模糊控制为基础的模糊PID控制发展日益完善，并且在温度控制中取得了比较好的控制效果。本设计以电阻炉为控制对象，以常规PID控制算法和模糊PID控制算法为理论依据分别对电阻炉进行温度控制。运用MATLAB软件仿真控制过程，通过在控制过程中不断改变普通PID控制器以及模糊PID控制器的三个参数来达到温度控制的目的。我们通过仿真结果可以看出，模糊PID控制无论在响应的快速性、抑制系统超调量，还是在抗干扰方面都具有比常规PID控制更好的优越性。本论文以实际对象进行控制，起到了良好的控制效果，对现实也具有一定的借鉴意义。关键词：电阻炉，模糊P

3、ID控制，常规PID控制，MATLAB The fuzzy-PID control and MATLAB emluator of the temperature system Author：Jin jianying Tutor：Jin wei AbstractThe temperature is an extremely familiar parameter in the industry,in almost all industrial systems all have to the temperature more and strictly even very strict request

4、,so the control of temperature takes up a very important position in the industry the control the process.The electric resistance stove that this text choose model is a very familiar system,in the industry that produce,also in the meantime is 1 to havent after the line,Zhi sex,inertial, indeterminat

5、ion etc.characteristics of is controled object.The traditional PID control has structure in brief,parameter adjust convenience etc.advantage,so application very extensive,but traditional PID control the quality of effect be according to object mathematics model to build up of accurate or not,so for

6、be like the electric resistance stove this kind of object model complications and hard certain the control system of accurate model,exist to very greatly limit sex.The control effect therefore directly influence system could not reach a craft to request.Along with intelligence control of development

7、,take misty control as a basal misty PID control to develop perfect day by day,and obtained better control effect in the temperature the control.This design takes electric resistance stove as to control object,with the normal regulations PID control calculate way and misty PID control calculate way

8、for the theories carries on a temperature control to the electric resistance stove according to the difference.Make use of the MATLAB software imitates true control process and pass in the process of control in continuously change three parameters of common PID controller and misty PID controller to

9、 attain the purpose of temperature control.We pass to imitate a true result and can see,the misty PID controls regardless at the fast for respond to and represses system super adjust quantity,or all have to control better and superior than the normal regulations PID in the anti-interferences.This th

10、esis carries on a control by actual object,rose good control effect and also have to certainly draw lessons from meaning to the reality.Keywords: Resistance furnace,common PID conreol,Fuzzy-PID control,MATLAB目 录1 绪论11.1 系统研究的来源11.2 电阻炉温度系统设计背景及意义21.3 温度控制的发展概况31.4 本文工作及意义32 控制理论概述及算法实现52.1 经典控制理论52.

11、1.1 常规PID控制理论概述52.1.2 常规PID控制算法52.2 模糊控制理论72.2.1 模糊控制理论概述72.2.2 模糊控制系统的组成82.2.3 模糊控制系统的基本原理92.2.4 模糊PID控制器的设计133 数字PID控制器设计173.1 软件介绍173.2 PID初始参数的整定193.2.1 采样周期T的确定193.2.2 仿真曲线拟合法203.2.3 两种工业常用的参数整定方法213.3 控制系统框图设计233.3.1 常规PID数字控制器设计233.3.2 模糊PID数字控制器设计234 系统调试314.1 PID参数对系统的影响314.2 PID参数的调试步骤324.

12、3 常规PID控制器参数调整及仿真324.4 模糊PID仿真334.5 系统仿真结果分析344.5.1 常规PID仿真结果分析344.5.2 模糊PID仿真结果分析344.6 两种控制器性能的比较：355 模糊控制发展前景36结束语37致谢38参考文献39附录A：英文文献40附录B：中文翻译46附录C：M语言源程序511 绪论1.1 系统研究的来源早期的控制系统被称为模拟控制系统，按照不同的功能和使用要求划分为传感器、变送器、调节器、执行器和记录设备等若干单元，由于各单元之间采用统一标准信号联络，所以只需进行简单的搭配连接，就可根据过程要求构成各种复杂程度不同的自动检测控制系统，因此就简化了系

13、统的设计、安装、操作和维护，这是模拟控制系统的优势所在。但是，这同时也使模拟控制系统的使用受到了限制，因为当控制对象改变时，系统就需要进行新的搭配连接以及硬件设备，尤其当控制对象复杂时，系统会出现连线混乱，设备数量增多，成本提高的问题，为了解决这一问题，新的控制系统应运而生，即数字控制系统。数字控制器解决了模拟控制器的上述问题，当被控对象改变时，计算机及其相应的过程通道硬件只需作少量的变化，甚至不作任何变化，而只需面向新对象重新设计一套新的控制软件即可，即使对象复杂，也可完全由软件编程控制而不需要对硬件作改变，从而降低了系统成本，减小了设备体积，同时，计算机所具有的数据存储、状态数据显示、管理

14、功能都使计算机控制系统明显优于模拟控制系统，从而使得计算机控制系统被广泛使用，数字控制器的研究也在不断地发展更新。随着计算机控制系统的广泛使用，技术越来越成熟，我们可以针对不同的控制对象，首先建立相适应的数学模型，然后按照系统的控制要求编制不同的控制算法，实现控制目标。但是当被控对象是不精确的、时变的、非线性的或者操作条件和运行环境是不确定的时候，采用常规的常规的控制方法就难以达到控制指标，为了解决这一问题，新的控制策略随之产生，即采用鲁棒控制、预测控制、模糊控制等不太依赖于对象模型的新型控制策略，使人们对控制效果更加满意。根据以上信息，我选择了数字控制器的设计，通过对研究对象的数据采集建立数

15、学模型，分别对其采用数字PID与直接设计数字控制器D（z）俩套方案进行控制,并将两种控制结果进行对比，比较各自优缺点。最后试着采用模糊控制规则对被控对象进行新的控制，得出这种新型控制策略优于原始数字控制器的长处，从而更深刻把握各种控制策略的适用范围。1.2 电阻炉温度系统设计背景及意义 从20世纪20年代开始，电阻炉就在工业上得到使用。随着科学技术的发展，电阻炉被广泛的应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。因此各个领域对电阻炉温度控制的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高1。电阻炉是由

16、电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，当电阻炉温度超调时无法靠控制手段降温，因而电阻炉温度控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。目前国内成熟的电阻炉温度测控系统以PID控制器为主，PID控制对于小型实验用电阻炉控制效果良好，但对于大型工业电阻炉就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，整体上，我国的电阻炉控制系统比国外发达国家要落后四五十年，占主导地位的是模拟仪表控制，这种

17、系统的控制参数由人工选择，控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都缩减了企业的效益。我国目前拥有工业电阻炉近12万台，装机总容量在200亿KW左右。控制方法的优劣，运行效果的好坏，直接影响到产品的质量、能源的消耗、设备的生产效率。随着生产不断向前发展，人们对控制系统的稳态精度及各项动态指标等都提出了更高的要求2。鉴于以上所谈到的电阻炉温度控制系统研究的来源以及该系统的设计背景和意义，为了使自己对温度系统以及其在实际生产中的应用有更加详细的了解，本文主要从常规

18、PID控制和模糊PID控制两方面进行探讨，并且掌握这两种工业常用的控制策略在电阻炉温度控制系统中的应用。1.3 温度控制的发展概况随着控制理论和控制技术的发展，电加热炉温度研究与应用也经历了几个阶段：1、模拟PID控制阶段采用这种方案，每个电阻炉要用PID仪表构成闭环控制，如果炉子比较多，所需PID仪表的数量也成倍数的增长，其特点是调节不方便，升温过程缓慢，且难以保证温度控制精度，目前国内的电加热炉控制有些仍沿用此方法。2、数字PID控制阶段使用PID算法，具有算法简单、参数调整方便，并有一定的控制精度的特点，是当前最为普遍采用的控制算法。这种方法也有其局限性：PID算法只有在系统模型参数为非

19、时变的情况下才能获得理想的效果，当一个调好参数的PID控制器被应用到模型参数时变的系统时，系统的性能会变差。针对这些不足，有人提出了直接数字化控制，非线性PID控制算法，在实际应用中取得了一定的成果。3、最优控制和自适应阶段电加热炉本身具有非线性特性，因此建模时人们常假设它在工作点附近为线性来逼近实际系统，最优化控制和自适应控制就是以此为基础来设计控制器的，而对此类系统进行非线性控制，我国还停留在仿真研究阶段。4、智能控制阶段以模糊控制、专家系统控制、神经网络控制等为代表的智能控制技术被广泛应用于工业控制领域，并取得了良好的效果。它的技术特点是把人工智能的方法引进控制系统，利用人的实践经验、逻

20、辑推理和自学习能力，从定性和定量相结合的方法入手，对那些因结构复杂、参数时变而难以用精确数学模型来描述的被控对象给出灵活的控制策略。正是因为智能控制具备这些优点，人们想到了用它来解决电加热炉的控制问题。但智能控技术较为复杂，我国在这方面起步较晚，很多研究成果还停留在理论上，真正在实际上应用并取得成功的还很少。1.4 本文工作及意义由于电阻炉本身是一个较复杂的被控对象，具有大惯性、纯滞后、参数时变等特性，它的对象特性不像一般的控制对象那样，能够求得其传递函数，得到一个比较精确的数学模型，所以炉温控制仍是控制领域中一个比较难以控制的问题。本设计以工业中的电加热炉为原型，以实验室中的管式电阻炉为实际

21、的被控对象，采用常规PID控制和智能控制中的模糊PID控制对电阻炉的温度分别进行控制，对这两种算法的性能进行比较，研究这两种控制算法的控制效果，对实际的控制方案选取提供一个借鉴。 本文的主要内容如下：首先简要概述了温度控制技术发展的几个阶段，并提出由于本设计的被控对象（电阻炉）的大惯性、纯滞后、参数时变等特性，以至于常规的控制方法难以实现准确控制，进而提出一种使用智能控制模糊PID控制的方案。其次介绍了本设计中用到的控制理论常规PID控制理论和模糊控制理论，让我们对本设计的控制原理有一个大体的了解。在介绍了控制原理的基础上又介绍了常规PID控制算法和模糊PID控制算法，这是本设计算法的核心内容

22、。再次介绍了电阻炉温度控制的硬件和软件的设计，通过将硬件的输入输出接线，组成一个整体和实现软件的组态编程达到炉温控制的目的，获得对炉温控制的良好的控制效果。最后说明PID初始参数的确定、参数整定的方法和两种控制方法的比较，得出对于像电阻炉这样的大惯性、纯滞后、参数时变等特性的被控对象，模糊PID控制具有比常规PID控制更好的控制效果。这对于以后我们控制方案的选择具有一定的借鉴和比较意义。在本次炉温系统控制设计中，我们采用了常规PID控制和模糊PID控制来实现对电阻炉的温度控制，由于我们采用两种控制算法分别控制，在控制时发现模糊PID算法对温度控制的效果更好，这促使我们在工业温度控制时努力采用控

23、制效果更好的算法，实现对温度的最优控制。2 控制理论概述及算法实现2.1 经典控制理论2.1.1 常规PID控制理论概述PID控制是在连续生产过程控制中，将偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）通过线形组合构成控制量，对控制对象进行控制。在常规PID的应用中，P、I、D三个参数往往根据现场设备情况或调试经验人工设定的，通过调试实验改变参数以改变控制性能。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、易于实现和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。2.1.2 常规PID控制算法1 模拟P

24、ID控制器模拟PID控制系统原理框图如图1所示：比例环节r(t)微分环节积分环节被控对象e(t)+-y(t) 图2.1 常规模拟PID控制系统的原理框图该系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据给定值r(t)和输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合成为控制量u(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可以描述为： （2.1）或者写成常见的传递函数形式： (2.2)式(2.1)中u(t)为控制器输出，e(t)控制器的输入，即偏差信号，e(t)=r(t)-y(t),为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。2 数字PID控制器数字P

25、ID控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法，自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活3。数字PID控制算法通常分为位置型和增量型两种，在温度控制系统中我们采用位置型算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此连续PID控制算法不能直接使用，需要进行离散化处理。因此，必须把式(2-1)变换成差分方程，以一系列的采样时刻点灯代替连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换： （2.3） （2.4）式中T为采样周期，必须使T

26、足够小，才能保证系统有一定的精度；e(k)为第k次采样时的偏差值，e(k)为第k-1次采样时的偏差值；k为采样序号。由式(2.1)、(2.3)和(2.4)可得数字PID位置型控制算式为： = （2.5）数字PID位置型控制器算法的流程图如下： 开始N计算控制参数Kp,Ki,Kd 设初值e(k-1)=0， 设定值r(k)采样输入y(k)计算偏差e(k)=r(k)-y(k) 计算输出值u(k): e(k-1)=e(k)采样时刻准备好了吗？Y 图2.2 位置型PID控制器算法流程图2.2 模糊控制理论2.2.1 模糊控制理论概述自20世纪60年代以来,现代控制理论已经在工业生产过程中取得了成功的应用

27、但是它们都有一个基本要求，需要建立被控对象的精确数学模型。随着科学技术的迅猛发展规律，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而，由于一系列原因诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数项的前列偶合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量不完善等，难以建立被控对象的精确模型。因此利用常规的PID控制很难解决这些复杂的问题，模糊控制的产生解决了此问题。1965年美国著名控制论学者L.A.Zaded教授首先提出一种不同于传统数学与控制理论的模糊集合理论，其核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，使自

28、然语言能直接转化为计算机所能接受的算法语言。由于人的手动控制策略是通过操作者长期的实践经验积累而成的，它可通过人的自然语言加以描述，将它们总结成一系列条件语句，及控制规则。这种控制属于语言规则，运用计算机来实现这些控制，计算机就起到控制器的作用。然而，人的自然语言又具有模糊性，而传统自动控制恰恰无法处理这种模糊性，故这种语言控制也称为模糊语言控制，或简称模糊控制5。模糊控制具有以下特点：一、控制系统的设计依据经验和操作数据，不需要精确的数学模型，易于对不确定系统进行控制。二、具有较强的鲁棒性，适用于解决传统控制难以解决的非线性、时变及时滞系统。三、应用语言变量而不是数学变量，是一种语言控制器，

29、是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器。2.2.2 模糊控制系统的组成模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，它的组成类似于一般的数字控制系统，其框图如图3所示：A/D传感器yr模糊控制器 D/A执行机构被控对象+-fe图2.3 模糊控制系统的组成模糊控制系统由以下几个部分组成：（1）模糊控制器：它是模糊控制系统的核心，是采用给予模糊控制知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，也是模糊控制系统区别于其他控制系统的主要标志。模糊控制器存放的是由规则导出的模糊控制算法，一般由计算机程序或硬件实现。（2）A/D、D/A转换：模糊控制器将根据给定值与被控量的反馈值的差作为输入，经模糊控制算法合成后

30、，得到相应的控制量。由于该控制量是数字量，而执行机构所接收的是模拟量，所以在模糊控制器与执行机构之间需要D/A转换。（3）执行机构：包括各种电机，调节阀，继电器等等。（4）被控对象：被控对象的模型可以是确定的或模糊的，单变量或多变量，有滞后或无滞后，也可以是线性的或非线性的，定常的或时变的，等等多种情况。对于那些难以建立精确数学模型的复杂控制对象，更适宜采用模糊控制。（5）传感器：传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精确度往往直接影响整个系统的精度，因此在选择传感器应注意选择精度高而且性能稳定的传感器。2.2.3 模糊控制系统的基本原理模糊控制系统的基本原理如图2.4，它的核心部分是

31、模糊控制器。它主要包括输入量的模糊化、模糊推理和去模糊化（或模糊判决）三部分。模糊控制器的实现可由模糊控制通过芯片实现或计算机的程序来实现，本设计中我们用PLC编程实现。控制规则 y一r模糊化d/dt模糊推理去模糊化eec E ECU 被控对象 图2.4 模糊控制系统的基本原理 1、模糊化模糊化的基本思想是定义一个模糊语言映射作为从数值域至语言域（符号域）的模糊关系，从而在数值测量的基础上，将数值域中的数值信号映射到语言域上，为实现模糊推理奠定基础。模糊化的具体过程如下：（1）、确定输入输出的基本论域及论域控制器的输入信号（误差e、误差变化率ec）、输出信号（控制量u）的实际范围称为这些变量的

32、基本论域。设定误差e、误差变化率ec、控制量u的基本论域分别为-,+、-，+、-，+。语言误差变量e的论域为：E=-n,-n+1,，0，n-1，n语言误差变量ec的论域为： EC=-m,-m+1,，0，m-1，m语言误差变量u的论域为：U=-l,-l+1,，0，l-1，l（2）、量化因子与比例因子在模糊控制中，模糊控制器的输入前有量化因子，输出去模糊化后有比例因子，对其定义介绍如下：误差、误差变化率的量化因子分别用下面两个式子确定： （2.6） （2.7） 经模糊控制器运算后得到的控制量，为控制语言量的论域中的值，不能直接去控制执行机构，必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中去。控制量的比

33、例因子由下式确定： （2.8） （3）、选取合适的语言变量值及语言变量论域上的模糊子集考虑到误差、误差变化率及控制量的正负性，我们将语言变量的值分为七个：“正大”（PB）、“正中”（PM）、“正小”（PS）、“零”（O）、“负小”（NS）、“负中”（NM）、“负大”（NB）。可写作PB、PM、PS、O、NS、NM、NB七个档次。（4）、选取模糊子集的隶属度函数隶属度函数可通过总结操作者的经验或采用模糊统计的方法来确定6。常用的隶属度函数有以下几种：1）、高斯型它用两个参数来描述，一般可表述为： （2.9）其分布曲线见图2.5：图2.5 高斯分布2）、三角形它的分布函数由三个参数表示，一般描述为

34、： （2.10）分布曲线见图2.6：图2.6 三角形分布3）、梯形它的分布函数由四个参数表示，一般描述为： （2.11）分布曲线见图2.7：图2.7 梯形分布2、模糊推理模糊推理是指根据专家经验等已经制定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则，并根据该规则进行模糊逻辑推理，所得到的一个模糊输出集合称为模糊隶属函数。这一步称为模糊规则的形成和推理，其目的是用模糊输入值适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度，并且通过加权计算合成那些规则的输出。本设计采用二维模糊控制器，它的输入量除了误差外还增加了误差变化率，系统的动态控制性能比较好。其中输入偏差e、偏差变化率ec及输出u的模糊控制规则为：“

35、若且则”，可写成“IF AND THEN ”；模糊关系为： 。 （2.12）式中为偏差e的第i个模糊状态，为偏差变化率ec的第j个模糊状态，为控制规则中对应第i个偏差模糊状态和第j个偏差变化模糊状态时输出量的模糊状态。求得模糊推理关系R后，运用模糊集合的合成运算，可以推得相对于输入模糊信号的输出模糊信号。二输入单输出控制器的合成运算为： （2.13）3、去模糊化把模糊量转换为精确量的过程成为清晰化，又称为去模糊化。常用的精确化方法有以下三种：（1）、最大隶属度法最大隶属度法就是选择模糊控制集中隶属度最大的那个元素作为精确控制量的方法。如果论域上多个元素同时出现最大隶属度值，则取它们的平均值作为

36、模糊判决结果。如果在输出的模糊子集中，具有最大录属度的那些元素是连续的，则取其中点所对应的论域元素作为判决输出。最大隶属度法简单易行，算法实时性好，突出了隶属度最大元素的控制作用，对于隶属程度较小元素的控制作用没有考虑，利用的信息量少。（2）、中位数法中位数法是先求出将模糊子集的隶属度函数曲线和横坐标所围面积平分的分界点，然后将分界点对应的横坐标作为反模糊化的精确量。（3）、加权平均值法加权平均值法是指输出模糊集合中各元素进行加权平均后的输出值作为输出控制量。通常选取隶属度函数作为加权系数，其判决结果可表述为： （2.14）4、模糊控制算法的实现形式模糊控制的执行是计算机通过一定的算法实现从输

37、入的连续精确量中经模糊推理求出相应的精确控制值的过程。模糊控制算法有多种实现形式，基于Mamdani推理的控制算法有三种：关系矩阵法、查询表法和解析法7。（1）、关系矩阵法关系矩阵法的基本思想：模糊控制器在每个采样周期内实时求控制量输出时，首先要将输入量的精确值转化为模糊量，然后对模糊关系矩阵进行合成运算，得到一个以模糊行向量形式表示的推理结果，再将模糊量精确化得到一个精确量，之后乘以控制量的比例因子加给被控对象。（2）、查询表法查询表法就是把所有可能的输入量都量化到语言变量论域的元素上，并以输入量论域的元素作为输入量进行组合。求出输入量论域元素和输出量论域元素之间关系的表格，这个表格中元素的

38、关系是按控制规则给出的，称之为控制表。在实际控制中，只要执行对输入量量化和查表这两个步骤，就可以得到控制值，可见查表法有很好的实时性，并且简单易行。（3）、解析公式法对于不同控制表容易求出相应的解析式。采用解析式进行控制量求取，无需存放控制表，在计算机内可以节省存储空间。2.2.4 模糊PID控制器的设计1、设计简介传统的PID控制方法具有原理简单、使用方便、稳定性和鲁棒性较好等特点，是控制中应用最广泛的一种控制方法。但对于非线性、时变和推理复杂的过程存在难以控制的问题，以及参数在线调整困难等问题；普通的模糊控制器虽然能对复杂的和难以处理的过程进行简单而有效的控制，但是由于不具有积分环节，因而

39、很难消除静态误差。所以为了改善模糊控制器的稳态性能，就提出了模糊控制与PID控制结合的技术，即模糊PID控制器。它既具有模糊控制灵活且适应性强的优点又具有PID控制精度高的特点。模糊PID控制器的框图如图2.8所示：r(t)y(t)ec(t)）)d/dt 模糊推理PID控制器电阻炉e(t)Kp Ki Kd图2.8 模糊PID控制器框图模糊PID控制器设计的核心是建立合适的模糊控制表，得到调整PID三个参数、的调整值、的模糊控制表。模糊PID控制流程图如图2.9所示： 开始 参数初始化 设置采样时间 输出结果求取e(k)、ec(k) 送入PID计算查表得、计算当前、将e(k)、ec(k) 模糊化

40、 结束 图2.9 模糊PID控制流程图 2、制定模糊控制规则在PID控制器中，3个参数、的作用是不同的：当较大，为加快响应速度并防止开始时偏差e瞬间变大，取较大的和较小的，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，应去掉积分作用，即=0.当和为中等大小，为使系统响应的超调减少，、和都不能太大，应取较小的值，和的值大小要适中，以保证系统的响应速度。当较小，接近系统设定值时，为使系统具有良好的稳态性能，应增大和的值，同时为避免系统在设定值附近震荡，并考虑系统的抗干扰性，适当选取值，通常为中等大小8。本次课题是根据操作经验指定的、模糊控制规则表实现控制的。3、模糊查询表的生成根据已知的模糊集

41、合E、EC,通过模糊矩阵运算，可以求得每个模糊关系R。在本系统PID控制器的三个参数各有49个模糊关系。例如对于的每一条模糊规则，对应的模糊关系为： 通过49个模糊关系（i=1，2，349）的求“并”运算，可获得调整参数控制规则总的模糊关系： （2.15）根据式（2.15），计算出模糊关系后，利用推理合成规则即 （2.16）通过E和EC中的所有元素在所对应的论域上的某独立点模糊集和，便可求得输出语言变量的模糊子集合，应用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判决，可得到的模糊控制查询表。得到、在连续论域中的值后，按照以下各式计算出PID的各个参数： （2.16） （2.17） （2.18）其中，、为

42、PID参数的初始值，它们可以通过常规PID控制得到。进行实际控制时，系统根据某时刻的采样值，经过模糊化后查询模糊控制查询表直接得出输出控制量的量化值，此时的输出值还不能直接对控制对象进行控制，需要乘上系统的比例因子，才能输出对被控对象进行动作。至此，常规PID控制和模糊PID控制的理论和算法已经介绍完毕。3 数字PID控制器设计3.1 软件介绍1、MATLAB的概况MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。当前流行的MATLAB /Simulink包括拥有