【正文】 且傳統(tǒng) PID 控制算法 對(duì) 線性定常系統(tǒng) 有很好的控制效果，但是 不能滿足非線性系統(tǒng)的性能要求，因此需要 一種控制系統(tǒng) 不斷地測量系統(tǒng)的狀態(tài)、性能或參數(shù)，從而認(rèn)識(shí)”或者“掌握”系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行指標(biāo)并與期望的指標(biāo)相比較，進(jìn)而作出決策以改變控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或者根據(jù)自適應(yīng)律來改變控制作用，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在某種意義下的最優(yōu)或者次最優(yōu)狀態(tài) ，這就是 下一章將要介紹的 模糊自 適應(yīng) 控制 算法 。其中 S 為信號(hào)選擇變量， S=1 時(shí)為階躍跟蹤 PID 階躍跟蹤結(jié)果如圖22所示。 3)根據(jù)所記錄的 K? 和 KT ，按表 21 給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的 ? 、 1T 及 DT 參數(shù)。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測試過程的動(dòng)態(tài)特性，其方法簡單、使用方便， 因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。傳統(tǒng) PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，可歸納為兩類：一是理論計(jì)算整定法。但增量式控制也有其不足之處 :積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。 （ 2）手動(dòng) /自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。再者，由于計(jì)算機(jī)輸出控制量 u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際偏差位置，如果位置傳感器 出現(xiàn)故障， u(k)可能會(huì)大幅變化，這就會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，而這種情況在生產(chǎn)實(shí)踐中不允許出現(xiàn)，否則在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，由此我們改進(jìn)了位置式 PID 控制算法，產(chǎn)生了增量式 PID控制算法。 位置式 PID 控制算法 由于計(jì)算機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采 樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式（ 22)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣 數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。 實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活采用不同的控制組合 ，構(gòu)成 比例 (P)控制器 )()( teKtu p? （ 24） 比例＋積分 (PI)控制器 ?????? ?? ?tIp deTteKtu 0 )(1)()( ?? （ 25） 比例＋積分＋微分 （ PID） 控制器 ?????? ??? ? dt tdeTdeTteKtudtIp)()(1)()(0?? （ 26） 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。數(shù)字 PID 控制比連續(xù) PID 控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù) PID 控制中存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字 PID 算法。 第四章 總結(jié) 論文主要的工作在于：本文總結(jié)多種 PID 控制參數(shù)方法，結(jié)合實(shí)際要應(yīng)用的控制系統(tǒng)狀態(tài)之間的規(guī)律和關(guān)系，提出了一種模糊 PID 參數(shù)自整定的規(guī)律，將其與 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 法 以及常規(guī) PID 控制進(jìn)行比較，找出適用于 非線性 被控對(duì)象的最佳控制方案。 如圖 11所示： 圖 11 模糊 自適應(yīng)控制系統(tǒng) 模糊控制是在無過程模型作為中介的情況下 ,直接根據(jù)對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)性能的觀測來調(diào)整控制規(guī)則庫 。調(diào)整隸屬函數(shù)對(duì)于提高模糊控制適應(yīng)過程和環(huán)境變化能力的作用]11[ 。為了克服這種局限性 ,就必須使模糊控制器具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的能力。但是，在工業(yè)生產(chǎn)中，卻有相當(dāng)數(shù)量的復(fù)雜過程難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，如那些非線性、大時(shí)延、強(qiáng)耦合、時(shí)變參數(shù)等復(fù)雜工業(yè)對(duì)象，以及那些難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)等等，它們?nèi)匀灰匀斯げ僮骱腿斯た刂茷橹鳌Ｗ詮?1965 年美國控制論專家 創(chuàng)立了模糊集理華僑大學(xué)碩士學(xué)位論文論，就為描述、研究和處理模糊性現(xiàn)象提供了有力的數(shù)學(xué)工具。 2)綜合出一種控制策略或控制規(guī)律，以便可以確保被控系統(tǒng)達(dá)到期望的性能指標(biāo)； 3)自動(dòng)修正控制器的參數(shù)以保證所綜合出來的控制策略在被控對(duì)象上得到實(shí)現(xiàn)。這樣例子很多，如過程控制中：在一個(gè)連續(xù)的化工設(shè)備中，它的一些參數(shù)隨著環(huán)境和輸入輸出流量而改變，大型鍋爐機(jī)組的過熱蒸汽溫度動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著負(fù)荷的變化而變化，而且各種各樣的隨機(jī)擾動(dòng)和環(huán)境對(duì)系統(tǒng)也有一定的影響，再者，再生產(chǎn) 過程中還會(huì)有相當(dāng)大的純滯后等等。s design and carried out the system simulation experiment. 韓曉露： 基于模糊自適應(yīng) PID的非線性系統(tǒng)控制研究 IV Keywords: nonlinear control, adaptive PID, fuzzy control 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 目錄 第一章 緒論 ............................................ 1 傳統(tǒng)控制所面臨的問題及挑戰(zhàn) ....................... 1 模糊自適應(yīng)控制研究發(fā)展的基本情況 ................. 2 本課題的組織結(jié)構(gòu) ................................. 4 第二章 PID 控制基礎(chǔ)和 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 ................ 6 連續(xù) PID 控制系統(tǒng) ................................. 6 數(shù)字 PID 控制算法 ................................. 7 位置式 PID 控制算法 ........................... 8 增量式 PID 控制算法 ........................... 9 傳統(tǒng) PID 控制器參數(shù)整定概述 ...................... 10 傳統(tǒng) PID 控制仿真實(shí)例 ............................ 11 位置式 PID 控制算法仿真 ...................... 11 增量式 PID 控制算法仿真 ...................... 12 參數(shù)整定 PID 算法仿真 ........................ 14 本章小結(jié) ........................................ 15 第三章 模糊自適應(yīng) PID 控制器的設(shè)計(jì) ..................... 16 模糊控制基礎(chǔ) .................................... 16 模糊集合、模糊邏輯及其運(yùn)算 .................. 16 模糊邏輯推理 ................................ 18 模糊判決方法 ................................ 20 模糊控制控制基本原理 ........................ 21 模糊自適應(yīng) PID 控制器的設(shè)計(jì) ...................... 22 自適應(yīng)模糊 PID 控制器 ........................ 22 韓曉露： 基于模糊自適應(yīng) PID的非線性系統(tǒng)控制研究 VI 參數(shù)自整定的原則 ............................ 23 模糊自適應(yīng) PID 控制器設(shè)計(jì)步驟 ................ 24 模糊合成推理算法及調(diào)整決策矩陣 .............. 25 模糊自適應(yīng)控制算法的仿真實(shí)例 .................... 31 本章小結(jié) ........................................ 37 第四章 總結(jié) ........................................... 39 致謝 .................................................. 40 參考文獻(xiàn) .............................................. 41 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 一 章 緒論 傳統(tǒng)控制所面臨的問題及挑戰(zhàn) 長期以來，自動(dòng)控制科學(xué)已經(jīng)對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的理論和實(shí)踐作出重要的貢獻(xiàn)，然而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和重大進(jìn)步，已經(jīng)對(duì)控制和系統(tǒng)科學(xué)提出新的要求，自動(dòng)控制理論和工程正面臨新的發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻的考驗(yàn)。 然后 運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本原理和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，把這些模糊控制規(guī)則 以及相關(guān)的信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫中，計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)運(yùn)用模糊推理，提出了模糊自 適應(yīng) PID 控制的控制規(guī)律。模糊控制具有快速性的特點(diǎn)，而且同時(shí)還可以保持較小的超調(diào)量。但是，模糊控制的理論并不是很完善，而對(duì)它可能獲得的控制性能也無法把握，其控制過程還會(huì)存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。韓曉露： 基于模糊自適應(yīng) PID的非線性系統(tǒng)控制研究 II 最 后，對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。傳統(tǒng)控制理論，包括經(jīng)典反饋控制、近代控制和大系統(tǒng)理論等等在應(yīng)用中遇到了很多的難題。這些情況的發(fā)生，常規(guī)的控制器就可能得不到好的控制品質(zhì)，因此就需要設(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng)，是系統(tǒng)本身能夠自動(dòng)補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化，其實(shí)這就是自適應(yīng)控制的任務(wù)。 然而，如果按照這些要求設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)比常規(guī)控制器要復(fù)雜得多，同時(shí)大多數(shù)的自適應(yīng)規(guī)律是建立在對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行在線辨識(shí)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的基礎(chǔ)上，而這算種辨識(shí)只是單純的數(shù)學(xué)解析結(jié)構(gòu)分析，很難將所要處理的有關(guān)對(duì)象一些不確定信息表達(dá)好，而人類專家的經(jīng)驗(yàn)也不能很好的被利用，況且這種算法的 計(jì)算量大、算法復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差，使得在過程控制中實(shí)時(shí)控制的要求無法實(shí)現(xiàn)，從而應(yīng)用范圍受到了一定的限制。 1974 年，英國的西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 把模糊語言邏輯用于工業(yè)過程控制并獲成功，標(biāo)志著模糊控制的誕生。近年來的實(shí)踐表明，上述難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的復(fù)雜的生產(chǎn)過程，如果采用模糊控制理論與計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 ，效果較好；若能采用基于過程狀態(tài)模式識(shí)別的自校正（或自組織）控制策略或采用基于模糊模型辨識(shí)的自校正控制方法，效果更佳。早在1979 年 ,M am dan i 和他的學(xué)生 就注意到這一問題 ,他們把自組織的功能引入模糊控制器的結(jié)構(gòu) ,在較高的起點(diǎn)上研究了一類語義自組織模糊控制器如何較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)控制好一大類過程?；诒豢貙?duì)象的規(guī)則模型華僑大學(xué)碩士學(xué)位論文自動(dòng)生成控制器的規(guī)則模型 ]12[ 以及模糊模型的辨識(shí)和自學(xué)習(xí)等問題 [13]。另 一方面 ,間接自適應(yīng)模糊控制則借助用觀測數(shù)據(jù)辨識(shí)所得到的過程模型在線實(shí)現(xiàn)控制器的調(diào)整 . 本課題的組織結(jié)構(gòu) 自適應(yīng)機(jī)構(gòu) （監(jiān)控規(guī)則集） 性能指標(biāo) 計(jì)算 控制規(guī)則集 推理機(jī)構(gòu) 模糊化 模糊判決 被控對(duì)象 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 本文主要研究的是模糊自適應(yīng) PID控制器中的模糊自 適應(yīng) PID控制，將模糊自 適應(yīng) PID 控制算法應(yīng)用在 非線性系統(tǒng)中 ， 仿真 結(jié)果證明本文中的方法是可行的、有效的。 韓曉露： 基于模糊自適應(yīng) PID的非線性系統(tǒng)控制研究 6 第二章 PID 控制基礎(chǔ)和 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一 [15]。 連續(xù) PID 控制系統(tǒng) 連續(xù)時(shí)間 PID 控制系統(tǒng) 如圖 21 所示 。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。進(jìn)入計(jì) 算機(jī)的連續(xù) 時(shí)間信號(hào) ,必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。按模擬 PID 控制算法的算式 ()，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 : ???????????????????? ? ?? ?TkekeTTkekTedttdejetjTeTdttekkTtt kjkj)1()())1(()()()()()(),2,1,0(0 0 0? （ 27） 式中 T 為采樣周期。 增量式 PID 控制算法 增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△ u(k)。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生 故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故仍然能保持原值。 傳統(tǒng) PID 控制器參數(shù)整定概述 PID 控制器的參數(shù)整定與優(yōu)化已成為一個(gè)重要的研究課題。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控 制器參數(shù)。這三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。具體整定步驟如下：利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： 1)先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 IT 置于最大 (IT =? ),微分時(shí)間 DT 置零 ( DT =0)，比例度 ? 置為較大的數(shù)值，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11