模糊PID控制的研究 及应用.doc

目 录 第1章 概述 1 1.1 引言 1 1.2 PID控制概述 1 1.3 模糊技术概述 3 1.4 模糊技术整定PID参数 4 第2章 传统PID控制 5 2.1 引言 5 2.2 传统PID控制器 5 2.3 传统PID控制系统的组成 6 2.4 PID控制的仿真及分析 9 第3章 模糊自适应PID控制 12 3.1 引言 12 3.2 模糊自适应PID控制 12 3.3仿真程序及其分析 21 结论 28 参考文献 29 致 谢 30 附录1 31 附录2 33 附录3 39 第1章 概述 1.1 引言 在现代工业控制领域中，很多情况下，都采用PID控制，PID控制算法的实现不仅可以用软件实现，而且可以用计算机的逻辑功能实现，所以在工业过程中得到广泛应用。但在有些方面从在许多不足，在控制过程中容易受到外界干扰而使控制系统不稳定，这就需要对控制参数进行整定，本文就是用模糊技术对PID参数进行整定，以使系统达到稳定，来达到我们所需要的效果。 1.2 PID控制概述 PID控制是当今在工业过程控制中使用最基本的一种控制方法，他由于控制简单，容易操作所以的到广泛的应用。PID控制发展到今天，已经开发出很多类型的PID控制器，如具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与Control Net相连，如Rockwell的PLC-5等。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入与输出的关系为 (1-1) 式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。PID控制属予计算机数字控制系统的一种形式，其组成类同于一般的数字控制系统，其方框图如图1-1所示。 1.3 模糊技术概述 早在20世纪20年代，著名的哲学家和数学家B.Russell就写出了有关含糊性的论文。他认为所有的自然语言均是模糊的，比如“红的”和“老的”等概念没有明确的内涵和外延，因而是不明确的和模糊的。可是，在特定的环境中，人们用这些概念来描述某个具体对象时却又能心领神会，很少引起误解和歧义。 美国加州大学的L.A. Zadeh教授在1965年发表了著名的Fuzzy Set论文。文中首次提出表达事物模