河海大学智能控制练习题答案剖析.docx

试题一1.1 pid控制根据题目要求设计pid控制器，经过反复调整，得到pid控制器参数kp=1，ki=0.1，kd=0.1，得到simulink的仿真框图为：对控制器进行仿真，假设输入信号为阶跃信号，幅值为10，得到的系统响应为：由图可知，系统在10秒左右就已经达到了稳态，稳态误差为零。假如系统的参数和结构发生变化时，假如系统的增益增大了50%，变为30，滞后时间增长了40%，变为0.7秒，得到的系统的响应为：由图可知，虽然pid对原系统的跟踪效果较好，当系统参数和结构发生变化时，pid控制趋于不稳定，输出呈现了震荡的结果。1.2 模糊控制器针对本问题设计单变量二维模糊控制器，输入为误差e，和误差的变化ec，输出的控制量为u。输入和输出的模糊集均为：[NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB]，其论域均为[-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3]。输入的隶属函数为：输出的隶属函数为：模糊规则表为：反模糊化采取面积重心法，得到的输出示意图为：将模糊控制器应用到系统中，得到的输出为：假如系统的参数和结构发生变化时，假如系统的增益增大了50%，变为30，滞后时间增长了40%，变为0.70秒，得到的系统的响应为：对比两幅图看出，模糊控制器对被控对象的变化不敏感，在控制的初始阶段均可以很快将误差减小，但最终消除不了稳态误差。1.3模糊自适应PID控制自适应模糊PID控制器以误差和误差变化作为输入，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，其结构如图所示：Kp的模糊整定规则表为：Ki的模糊整定规则表为：Kd的模糊整定规则表为：Kp，Ki，Kd的模糊控制规则表建立好后，将系统误差e和误差变化率ec，输出变化范围定义为模糊集上的论域，e，ec=[-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3]。其模糊子集为e,ec=[NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB],Kp，Ki，Kd的论域和模糊子集与输入相同，可将它们的模糊输出乘以相应的增益，得到具体的输出。输入的隶属函数为：三个系数输出的隶属函数为：反模糊化采取面积重心法，得到的输出示意图为：Pid参数采取Kp=1，Ki=0.1，Kd=1，模糊输出的参数变化量分别再乘以0.1,0.01,0.1，整个的自适应pid控制的结构为应用自适应pid控制，系统的输出为：假如系统的参数和结构发生变化时，假如系统的增益增大了50%，变为30，滞后时间增长了20%，变为0.7秒，得到的系统的响应为：对比两幅图可知，自适应pid原理是对原有pid控制的小范围内修正，当被控对象变化剧烈时，其仍暴露了与pid同样的缺点，产生了震荡，趋于不稳定。1.4 fuzzy-pid复合控制将以上的pid控制和模糊控制想结合，构成fuzzy-pid复合控制。复合控制的切换条件为，当误差的绝对值超过3时，采用模糊控制，当误差的绝对值小于3时，采用pid控制。复合控制的结构图为：采用复合控制的系统响应为：假如系统的参数和结构发生变化时，假如系统的增益增大了50%，变为30，滞后时间增长了20%，变为0.7秒，得到的系统的响应为：将4种控制方法的结果做对比，四者对原系统的控制结果为：当系统的参数和结构发生变化时，假如系统的增益增大了50%，变为30，滞后时间增长了40%，变为0.70秒，得到的系统的响应为：经对比分析可知，pid控制和模糊pid控制的稳态特性较好，无论是原系统还是经过变化的系统，其稳态误差都为零，但是当系统发生变化时，其动态特性变差，震荡此时过多。模糊控制的动态特性较好，但有稳态误差。四种方法中，fuzzy-pid复合控制结合了模糊控制和pid控制各自的优点，在系统的结构和增益发生变化时，也取得了良好的效果，在四种控制方法中效果最好。2根据以上的仿真结果可知，典型的二维模糊控制器实际上等价于一个PD控制，其有良好的动态性能，在误差很大的时候可以快速消除误差，但存在着稳态误差，静态性能不足。而PID控制静态特性良好，动态特性不足，在系统的增益发生改变时，有可能会发散。故根据fuzzy-pid复合控制可知，在大误差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，在小范围内采用PID控制进行细节调整，这样的优点是它既有模糊控制器的快速性和稳定性，又保留了PID控制高精度特性，即可同时改变动态性能和静态性能。试题二