毕业设计(论文)基于模糊PID控制的仿真设计.doc
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1、基于模糊PID的控制器的仿真设计学 院: 信息学院专 业: 姓 名: 指导老师: 自动化 学 号: 职 称: 讲师中国珠海二一二年五月北京理工大学珠海学院毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺:我所呈交的毕业设计基于模糊 PID的控制器的仿真设计是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。承诺人签名: 日期: 年 月 基于模糊PID的控制器的仿真设计摘 要PID(比例 积分 微分)控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点,尤其适用于可建立精确数学模型的控制系统。而对于一些多变量、非线性、时滞的系统,传统的PID控制器
2、并不能达到预期的效果。 随着模糊数学的发展,模糊控制的思想逐渐得到控制工程师们的重视,各种模糊控制器也应运而生。而单纯的模糊控制器有其自身的缺陷控制效果很粗糙、控制精度无法达到预期标准。但利用传统的PID控制器和模糊控制器结合形成的模糊自适应的PID控制器可以弥补其缺陷;它将系统对应的误差和误差变化率反馈给模糊控制器进而确定相关参数,保证系统工作在最佳状态,实现优良的控制效果。 论文介绍了参数自适应模糊PID控制器的设计方法和步骤。并利用MATLAB 中的SIMULINK 和模糊逻辑推理系统工具箱进行了控制系统的仿真研究,并简要地分析了对应的仿真数据。 关键词:经典PID控制 模糊控制 自适应
3、模糊PID控制器 参数整定 MATLAB仿真The simulation and design-based fuzzy PID controlABSTRACTPID(Proportion Integration Differentiation) control, with lots of advantages including simple structure, good stability and high reliability, is quite suitable to establish especially the control system which accurate mat
4、hematical model is available and needed. However, taken multivariable, nonlinear and time-lag into consideration, traditional PID controller can not reach the expected effect. Along with the development of Fuzzy Mathematics, control engineers gradually pay much attention to the idea of Fuzzy Control
5、, thus promoting the invention of fuzzy controllers. However, simple fuzzy controller has its own defect, where control effect is quite coarse and the control precision can not reach the expected level. Therefore, the Fuzzy Adaptive PID Controller is created by taking advantage of the superiority of
6、 PID Controller and Fuzzy Controller. Taken this controller in use, the corresponding error and its differential error of the control system can be feed backed to the Fuzzy Logic Controller. Moreover, the three parameters of PID Controller is determined online through fuzzification, fuzzy reasoning
7、and defuzzification of the fuzzy system to maintain better working condition than the traditional PID controller. Meanwhile,the design method and general steps are introduced of the Parameter self-setting Fuzzy PID Controller. Eventually, the Fuzzy Inference SystemsToolbox and SIMULINK toolbox are u
8、sed to simulate Control System. The results of the simulation show that Self-organizing Fuzzy Control System can get a better effect than the Classical PID controlled evidently. Keywords: Classic PID control Fuzzy Control Parameters tuning the Fuzzy Adaptive PID Controller MATLAB simulation目 录摘 要IAB
9、STRACTII1绪论11.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求11.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题21.3研究的主要内容32方案选择及可行性分析42.1方案的选择42.2方案可行性分析53 PID算法及参数介绍63.1 PID算法介绍63.2 PID参数对系统性能的影响84设计原理104.1模糊逻辑与模糊控制的概念104.2模糊控制器的基本结构和工作原理104.3模糊推理方式124.4模糊控制器的结构134.5模糊控制器的隶属函数144.6模糊推理方法205方案设计225.1模糊PID控制器组织结构和算法的确定225.2模糊PID控制器模糊部分设计236模糊PID控制器的MATLA
10、B仿真286.1.模糊控制部分的fuzzy inference system仿真287结论37参考文献38谢 辞39附录401绪论随着越来越多的新型自动控制应用于实践,其控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加到被控系统上,控制系统的被控量,经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统,传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器,电加热控制系统
11、要采用温度传感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器,仪表,已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用。比如,工业生产过程中,对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上,或按一定的规律变化,以满足生产工艺的要求。PID控制器可以根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节,从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。 经典PID控制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,它因结构简单、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,现今也在很多领域有应用。尤其是当被控对象
12、的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型,控制理论的其它技术难以采用,系统控制器的结构和参数又必须依靠经验和现场调试来确定时,应用PID控制技术最为方便。根据统计数据,全世界过程控制领域使用的控制器84%仍是纯PID调节器,若改进型包含在内则超过90%。1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求PID 控制是最早发展起来的控制策略之一。由于其算法简单,鲁棒性好和可靠性高被广泛应用于工业过程控制。在PID 控制中。一个至关重要的问题是PID 参数(比例系数、积分时间、微分时间)的整定。参数整定的优劣不但会影响到控制质量,而且还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。而实际工业生产过程往往具有非线
13、性、时变等不确定性干扰。常规PID 控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳,且对运行工况的适应性较差等情况。针对以上问题,长期以来,人们一直在寻求PID 控制器的自动整定技术,以适应复杂的工况和高指标的控制要求。模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法,不需要被控对象的精确数学模型,因而特别适用于一些大滞后、时变、非线性的复杂系统。将模糊控制和传统PID 控制相结合组成模糊PID 控制器,不但具有PID 控制精度高等优点,又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点,是近年来控制领域十分活跃的一支分支。本设计的技术要求以及优点: 1.模糊控制完全在操作人员经验控制基础上实现对系统的控制,无需建立数学模
14、型,能够解决不确定系统的一种有效途径。 2.模糊控制具有较强的鲁棒性,被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显,可用于非线性、时变、时滞的系统,并能获得优良的控制效果。 3.由离散计算得到控制查询表,提高了控制系统的实时性、快速性。 4.控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑,是人工智能的再现,属于智能控制。1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题国内在模糊控制方面也同样取得了显著成果。1986年,都志杰等人用单片机研制了工业用模糊控制器。随后,何钢、能秋思、刘浪舟等人相继将模糊控制方法成功地应用在碱熔釜反应温度、玻璃窑炉等控制系统中。 在社会生活领域中体现在模糊控制技术在家电
15、中的应用,所谓模糊家电,就是根据人的经验,在电脑或者芯片的控制下实现可模仿人的思维进行操作的家用电器。几种典型的模糊家电产品如下: 模糊电视机 这类电视机可根据室内光线的强弱调整电视机的亮度,根据人与电视机的距离自动调整音量,同时能够自动调节电视机的色度、清晰度和对比度。 模糊空调器模糊空调器可以灵敏地控制室内的温度。日本研制了一种模糊空调器,利用红外线传感器识别房间信息(人数、温度、大小、门开关等),从而快速调整室内温度,提高了舒适感。 模糊微波炉日本夏普公司生产的RE-SEI型微波炉,内部装有12个传感器,这些传感器能对食物的重量、高度、形状和温度进行测量,并利用这些信息自动选择化霜、再热
16、、烧烤和对流4种工作方式,并自动决定烹制时间。 模糊洗衣机以我国生产的小天鹅模糊控制全自动洗衣机为例它能够自动识别洗衣物人重量、质地、污脏性质和程度采用模糊控制技术来选择合适的水位、洗涤时间、水流程序等,其性能已经达到国外同类产品的水平。 模糊电动剃刀日本三洋、松下公司推出了模糊控制电动剃刀通过利用传感器分析胡须的生长情况和面部轮廓自动调整刀片并选择最佳的剃削速度。在工业炉方面、石化方面、煤矿行业、食品加工行业领域模糊控制应用也很广泛。模糊控制主要有以下几个发展方向: (1) Fuzzy-PID复合控制 Fuzzy-PID复合控制是将模糊控制与常规PID控制算法相结合的控制方法,以此达到较高的
17、控制精度。它比单用模糊控制和单用PID控制均具有更好的控制性能。 (2)自适应模糊控制 自适应模糊控制能自动地对模糊控制规则进行修改和完善,以提高控制系统的性能。它具有自适应、自学习的能力,对于那些具有非线性、大时滞、高阶次的复杂系统有着更好的控制效果。 (3)专家模糊控制 专家模糊控制是将专家系统技术与模糊控制相结合的产物。引入专家系统可进一步提高模糊控制的智能水平。专家模糊控制保持了基于规则的方法和模糊集处理带来的灵活性,同时又把专家系统技术的知识表达方法结合进来,能处理更广泛的控制问题。 (4)神经模糊控制 模糊控制规则和隶属函数的获取与确定是模糊控制中的“瓶颈”问题。神经模糊控制是基于
18、神经网络的模糊控制方法。该方法利用神经网络的学习能力,来获取并修正模糊控制规则和隶属函数。 (5)多变量模糊控制 多变量模糊控制有多个输入变量和输出变量,它适用于多变量控制系统。多变量耦合和“维数灾”问题是多变量模糊控制需要解决的关键问题。 1.3研究的主要内容在工业控制中,PID控制是工业控制中最常用的方法。为了使控制器具有较好的自适应性,实现控制器参数的自动调整,可以采用模糊控制理论的方法。模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中,模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色,并目仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。 本毕业设计基于模糊 PID的控制器的仿真设计,要求具
19、有良好的性能。2方案选择及可行性分析2.1方案的选择方案一:经典PID控制系统:P控制:这类控制输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系,输入偏差越大输出越大。单纯的比例控制适用于扰动不大,滞后较小,负荷变化小,要求不高,允许有一定剩余误差存在的场合。在工业生产中,比例控制规律使用较为普遍,它是控制规律中最基本的、应用最普遍的一种,其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生,控制器立即产生控制作用。但是不能最终消除剩余误差的缺点限制了它的单独使用。PI控制:克服剩余误差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制。积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。它的输出不仅与输入偏差的大小有关,而且还
20、与偏差存在的时间有关。只要偏差存在,输出就会不断累积,一直到偏差为零,累积才会停止。所以,积分控制可以消除剩余误差。PD控制:当被控对象受到扰动作用后,被控变量没有立即发生变化,而是有一个时间上的延迟。因此要引入比例、微分作用,即PD控制。它比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象,可以减小偏差的幅度,节省控制时间显著改善控制质量。PID比例积分微分:最为理想的控制当属比例-积分-微分控制,即PID控制。它集三者之长,既有比例作用的及时迅速,又有积分作用的消除剩余误差能力,还有微分作用的超前控制功能。当偏差扰动出现时,微分立即大幅度动作,抑制偏差的这种跃变,比例也同时起消除偏差的作用,使
21、振荡幅度减小。由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律,积分作用可以慢慢把剩余误差克服掉,因此可使系统比较稳定,只要,三个作用的控制参数选择得当,便可充分发挥三种控制规律的优点,得到较为理想的控制效果。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。然而伴随着新的控制系统的不断涌现,PID控制策略在控制非线性、时变、强耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,控制效果不理想。因此,它的应用受到了很大程度上的限制。方案二:模糊PID控制系统利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中,根据现场实际情况,计算机自动调整PID参数,即智
22、能PID控制器。这种控制器把古典的PID控制与先进的专家系统相结合,实现系统的最佳控制。这种控制必须精确地确定对象模型,首先将操作人员(专家)长期实践积累的经验知识用控制规则模型化,然后运用推理便可对PID参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述,控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示,模糊理论是解决这一问题的有效途径,所以人们运用模糊数学的基本理论和方法,把规则的条件、操作用模糊集表示,并把这些模糊控制规则以及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知识库中,然后计算机根据控制系统的实际响应情况(即专家系统的输入条件),运用模糊推理,即可自动实现对PID参数的最佳
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