【正文】 規(guī)則量化人類知識。這一時期一個重大成果是誕生了處理實際系統(tǒng)的模糊控制器。馬丹尼和阿西利安于 1975 年創(chuàng)立的模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)，并將其2021 自動控制原理設(shè)計 2 應(yīng)用于蒸汽機的控制，發(fā)表了文章《帶有模糊邏輯控制器的語言合成實驗》。 1978年，霍爾布賴德和奧斯特加德開發(fā)的第一個工業(yè)模糊控制器 模糊水泥窯控制器。 1980 年，日本工程師關(guān)野采用模糊控制應(yīng)用于富士電子水凈化廠。1987 年日本各種家電的模糊控制產(chǎn)品相繼研究成功并進入市場。目前，模糊控制理論應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、人類與社會系統(tǒng)、自然系統(tǒng)。出現(xiàn)專業(yè)芯片硬件。 報告的內(nèi)容 第一章：緒論。本章介紹了 PID 控制在工業(yè)控制的主導(dǎo)地位，但 PID 控制在面對非線性、時變系統(tǒng)，或者無法建立 明確數(shù)學(xué)模型時難以實現(xiàn)控制，引出了模糊控制理論，并介紹模糊控制理論的提出與發(fā)展。 第二章介紹了傳統(tǒng) PID控制，簡述了 PID 控制原理，通過分析 PID 的優(yōu)缺點，PID 中 Kp、 KI 、 Kd 參數(shù)的整定。 第三章則詳細的給出了模糊控制的理論基礎(chǔ)介紹，有關(guān)論域、語言算子、隸屬函數(shù)、模糊化與解模糊化等，為 PID 模糊控制設(shè)計做基礎(chǔ) . 第四章：仿真結(jié)果及分析。是在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以階躍函數(shù)作為輸入，對系統(tǒng)進行 PID 控制仿真，模糊控制仿真，和 PID模糊控制仿真，比較和分析動態(tài)性能。 結(jié)束語，參考文獻。 第二章 PID 控制基本原理 PID 控制簡介 在實際工業(yè)控制中，大多數(shù)被控對象都有儲能元件存在，這就造成系統(tǒng)對輸入作用的響應(yīng)有一定的慣性。另外，在能量和信息的傳遞過程中，由于管道和傳輸?shù)仍驎胍恍r間上的滯后，往往會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。因此，為了改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常在引入偏差的比例調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的快速性。引入偏差的積分調(diào)節(jié)以提高控制精度，引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)的慣性影響，這就形成了按偏差 PID 調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖 21 2021 自動控制原理設(shè)計 3 R(t) e(t) y(t) + + 圖 21 PID 控制系統(tǒng) PID 控制器又稱 PID 調(diào)節(jié)器，是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中常用的有源校正裝置。 PID控制器包含一個比例環(huán)節(jié)、一個積分環(huán)節(jié)和一個和一個微分環(huán)節(jié) e(t)= r(t)y(t) 式（ 21） Gc(s)=K1+ K2S +K3S 式（ 22） dt tdedtteTtetutDp Tk)()(1)([)(0???? ] 式（ 23） 其中 KP=K1， KPTI=K2 , KPτ =K3. 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號成正比關(guān)系。比例 +積分控制器可以使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后無誤差。 微 分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。比例加微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)性能。 Kp Kp/(Ti S) KpTdS Go(s) 2021 自動控制原理設(shè)計 4 PID 控制的優(yōu)缺點 比例控制的特點是：誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù) KP，比例系數(shù) KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 KP 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定； KP 取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)動作緩慢，延長 調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜、動態(tài)特性變壞。 積分作用系數(shù) KI 能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但它的不足之處在于積分作用具有滯后特性。 KI 越大，靜態(tài)誤差消除越快，但 KI 過大，在響應(yīng)初期會產(chǎn)生積分過飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。若 KI 太小，系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 微分作用系數(shù) KD 是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，主要在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。但 KD 過大，會引起較大的超調(diào)，使被調(diào)量激烈振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定，延長調(diào)節(jié)時間，降低系統(tǒng)的抗干擾性能；若 KD 太小，微分作用 太弱，調(diào)節(jié)質(zhì)量改善不大。 綜上所述， PID 三個參數(shù)取值大小，對控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)性能影響很大，KP、 KI、 KD 三個參數(shù)的整定要根據(jù)控制對象的數(shù)學(xué)模型 G(s)的參數(shù)來確定。對于非線性負載和時延、時變負載，以及難以用 G(s)描述的負載，這三個參數(shù)的整定就很困難，因此我們在基于其它方法 (例如 SPAM 法等 )整定出來的 KP、 KI、KD 初值的基礎(chǔ)上，采用模糊自調(diào)整機構(gòu)在線調(diào)整 PID 參數(shù)，從而達到抑制大范圍的擾動，改進系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能的目的。 PID 控制算法 由于計算機控制是一種采樣控制系統(tǒng)， 它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，式 23中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理現(xiàn)令T為采樣周期，以一系列的采樣時刻點 KT 代表連續(xù)時間 t，以累加求和近似代替積分以一階后向差分近似代替微分做如下的近似變換： t=KT 式（ 24） ? ? ?? ???t KJKJ jeTjTeTte0 0 0 )()()( 式（ 25） 2021 自動控制原理設(shè)計 5 de(t)/dt? e(kT)e[(k1)T]/T=[e(k)e(k1)]/T 式（ 26） 其中， T為采樣周期， e(k)為系統(tǒng)第 k次采樣時刻的偏差值， e(kl)為系統(tǒng)第 (kl)次采樣時刻的偏差值， k為采樣序號， k=0， 1， 2，?。 將上面的式 24和式 25代入式 26 則可以得到離散的 PID 表達式 )]}1()([)()({)(0 ????? ?? kekeTjeTiTkeKpku KjDT 式（ 27） 如果采樣周期了足夠小，該算式可以很好的逼近模擬 PID 算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把式 27 稱為 PID 的位置式控制算法。 若在式 27中，令： TKkIpi T? （稱為積分系數(shù)） TTKk DPD ? (稱為微分 系數(shù)） 則 )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekejekeku Kj DII KKK 式（ 28） (28)式即為離散化的位置式 PID 控制算法的編程表達式?？梢钥闯?，每次輸出與過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計算 u(k)，不僅涉及 e(k)和 e(kl)，且須將歷次 e(j)相加，計算復(fù)雜，浪費內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計算較為簡單的遞推算式。為此，對 (28)式作如下的變動： 考慮到第（ k1）次采樣時有： )]}2()1([)()1({)1( 10 ???????? ??? kekeTjeTkeku KjDIPTTk 式 29 使（ 28 ） 兩 邊 對 應(yīng) 減 去 （ 29 ）式得)]}2()1(2)([)()1()({)1()( ??????????? kekekeTkeTkekekuku TTK DIp 整理后得 )2()1()()1()( 210 ??????? kekekekuku aaa 2021 自動控制原理設(shè)計 6 其中： TTTT TKaKaTTka DpTPDIp D ?????? 2210 )。1()。1( 式 210 式（ 210）就是 PID 位置式的遞推形式 如果令△ u(k)=u(k)u(k1)。則： )2()1()()( 210 ?????? kekekeku aaa 式中 aaa210,同式（ 210）中一樣。 因為在計算機控制中式中 aaa210,都可以事先求出，所以，實際控制時只須獲得 e(k)、 e(k1)、 e(k2)三個有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的位置的增量，故 (211)式通常被稱為 PID 控制的增量式算式[3]。 增量式 PID控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點： （ 1）位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏差的累加值 ? )(je ，容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式中只須計算增量，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果； （ 2）由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利 ； （ 3）手動與自動切換時沖擊比較小 . PID 參數(shù)的整定 在 PID 控制中，一個很重要的問題是 PID 參數(shù)（比例系數(shù)、積分時間、微分時間）的整定。典型的 PID 參數(shù)整定方法是在獲取對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來確定 PID 參數(shù)。由于現(xiàn)代工業(yè)過程的復(fù)雜性、多樣性、多變性與不確定性，可能造成模型參數(shù)變化和模型結(jié)構(gòu)的改變，使系統(tǒng)不能在原所整定的工況下工作，偏離控制性能指標(biāo)。 在計算機控制中有以下幾種方法來對 PID參數(shù)進行整定。 （ 1）試湊法。它是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運行情況、 觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線， 然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)試湊參數(shù)，以達到滿意的響應(yīng)，從而確定 PID 控制器中的 3 個調(diào)節(jié)參數(shù)。 2021 自動控制原理設(shè)計 7 （ 2)擴充臨界比例度法。它是模擬控制器使用的臨界比例度法的