【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 少優(yōu)點(diǎn) ]53[? : (1)增量式 PID 控制算法不需要做累加，控制量增量的確定僅于最近幾次誤徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 9 差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度問(wèn)題，對(duì)控制量的影響較小。 (2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中， 只輸出閥門開度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以保持原值，而且比較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。 (3)采用增量式算法，便于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。但增量式 PID 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。因此，選擇時(shí)不可一概而論。 PID 控制器的優(yōu)缺點(diǎn) 傳統(tǒng)的 PID 之所以有很強(qiáng)的生命力，其主要原因在于： PID控制對(duì)于大多數(shù)過(guò)程都具有良好的控制效果和魯棒性； PID 算法原理簡(jiǎn)明，參數(shù)物理意義明確 ，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富；過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性大都具有高階、非線性、大延遲及時(shí)變等特性，給以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用帶來(lái)了困難。 但傳統(tǒng)的 PID控制也存在許多不足，最突出的一點(diǎn)就是有關(guān) PID參數(shù)的問(wèn)題。首先，傳統(tǒng)的 PID 無(wú)自適應(yīng)能力。這主要表現(xiàn)在： PID控制器參數(shù)只能為滿足生產(chǎn)過(guò)程控制目標(biāo)某一個(gè)方面的要求。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過(guò)程中人們主要關(guān)心的問(wèn)題是 PID 控制器，只能通過(guò)整定一組“設(shè)定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”。而傳統(tǒng)的 PID 參數(shù)來(lái)滿足一個(gè)方面的要求。因此常常采 用折中的辦法整定控制器參數(shù)， 這樣得到的控制效果顯然 是最佳的。 模糊控制 由于傳統(tǒng)控制理論面臨著新的控制要求的挑戰(zhàn)，促使人們考慮在處理不確定對(duì)象時(shí)，希望建立一個(gè)模擬不確定對(duì)象的模型來(lái)解決實(shí)際控制問(wèn)題。模糊控制理論是美國(guó)國(guó)柏克萊加州大學(xué)的 教授最早提出的， 1965 年他首先提出模糊集的概念，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容，開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用的新紀(jì)元。 1974 年，英國(guó)的 首次用模糊邏輯和模糊推理實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的蒸汽機(jī)控制，并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù) 字控制算法更好的效果。它的成功標(biāo)志著人們采用模糊邏輯進(jìn)行工業(yè)控制的開始，從而宣告了模糊控制的誕生。在此以后，模糊邏輯應(yīng)用最有效、徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 10 最廣泛的領(lǐng)域就是模糊控制，并且在各種領(lǐng)域解決了傳統(tǒng)控制理論無(wú)法解決的問(wèn)題，取得了一些令人信服的成效。其根源是模糊邏輯本身提供了由專家構(gòu)造語(yǔ)言信息并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法，對(duì)于模型難以建立的不確定系統(tǒng)或復(fù)雜系統(tǒng)的控制，提供了簡(jiǎn)便模式，是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中不精確或不確定性的一種有效的方法。從廣義上講，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì) 象實(shí)施的一種控制，它是模糊數(shù)學(xué)與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)也構(gòu)成了智能控制的重要組成部分。 模糊控制的特點(diǎn)如下 ： (1)不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，它只需以對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 (2)是一種反映人類智慧思維的智能控制， 模糊控制采用人類思維作控制量，控制量由模糊推理導(dǎo)出，這都是人類通常智能活動(dòng)的體現(xiàn) 。 (3)易被人們接受 ， 模糊控制規(guī)則是用人類語(yǔ)言表示的，易被一般人接受和理解 。 (4)構(gòu)造容易， 模糊控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無(wú)異，模糊控制算法可完全用軟件實(shí)現(xiàn) 。 (5)魯棒性 好 ， 無(wú)論被控對(duì)象是線形的還是非線形的模糊控制系統(tǒng)都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。 模糊控制作為智能控制的一種，是自動(dòng)化控制技術(shù)中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，存在多種不確定性及難以確切描述的非線性。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)控制過(guò)程不僅要求控制的精確性，還要求控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)性，而傳統(tǒng)控制存在的局限性使之不能從根本上解決這些問(wèn)題。模糊控制具有不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型、易于實(shí)現(xiàn)、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。 模糊控制系統(tǒng)組成 模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖 所示。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 11 圖 模糊控制系統(tǒng)框圖 模糊控制系統(tǒng)一般可分為 5 個(gè)組成部分 : (1)模糊控制器 :模糊控制系統(tǒng)的核心部分，采用模糊數(shù)學(xué)知識(shí)表示和進(jìn)行規(guī)則推理的語(yǔ)言型控制器，實(shí)際上是一臺(tái) PC 機(jī)或單片機(jī)及其相應(yīng)軟件。 (2)輸入 /輸出接口 :模糊控制器通過(guò)輸入接口從被控對(duì)象獲得數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號(hào)經(jīng)輸出接口轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)去控制被控對(duì)象。 (3)執(zhí)行機(jī)構(gòu) :主要包括電動(dòng)和 氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，如伺服電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。 (4)被控對(duì)象 :它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的、自然的、社會(huì)的、生物的或其它各種狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程。這些被控對(duì)象可以是確定的或模糊的、單變量或多變量、有滯后或無(wú)滯后、也可以是線性或非線性、定?；驎r(shí)變，以及具有干擾和耦合等多種情況。對(duì)于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。 (5)變送器 :由傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，傳感器是將被控對(duì)象或過(guò)程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，其精度直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度。 模糊控 制的工作原理 模糊控制是以模糊集合論作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的控制方式，主要應(yīng)用于被控對(duì)象復(fù)雜、可變難以建立數(shù)學(xué)模型或具有極強(qiáng)的非線性系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)控制器依賴于系統(tǒng)行為參數(shù)的控制設(shè)計(jì)方法不同的是模糊控制器依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)。在傳統(tǒng)控制器中，參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是根據(jù)數(shù)學(xué)模型所描述的被控過(guò)程的狀態(tài)分析得來(lái)的，而模糊控制器的參數(shù)和控制輸出的調(diào)整是從過(guò)程函數(shù)的邏輯模型產(chǎn)生的，通常是通過(guò)優(yōu)化模糊控制規(guī)則來(lái)改善模糊控制性能。模糊控制的基本思想，是把對(duì)特定的被控對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列以 if(條件 )和 then(作用 )的形式 表示的控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理得到控制作用集，作用于被控對(duì)象或過(guò)程?？刂谱饔眉鶠橐唤M被量化了的模糊語(yǔ)言集，如“正大”、“負(fù)大”、“低”、“高”、徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 12 “正?！钡?。理論上，模糊控制器由 N維關(guān)系 R表示，關(guān)系 R為受約于 [0， 1]區(qū)間的 n 個(gè)變量的函數(shù)。 R 是 n 個(gè) N 維關(guān)系 R1 的組合，每個(gè) R1代表一條規(guī)則，即 R1:ifthen。控制器的輸入 X 被模糊化為一關(guān)系 x，模糊輸出 Y可應(yīng)用合成推理規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，對(duì)模糊輸出 Y 進(jìn)行模糊判決 (解模糊 )得到精確的數(shù)值輸出 y，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。 模糊控制的核心部分模糊控制器主要由模糊化、模糊推理 、反模糊化、知識(shí)庫(kù)組成。 (1)模糊化 所謂模糊化就是先將某個(gè)輸入量的測(cè)量值作標(biāo)準(zhǔn)化處理，把該輸入量的變化范圍映射到相應(yīng)論域中，再將論域中的各輸入數(shù)據(jù)以相應(yīng)的模糊語(yǔ)言值的形式表示，并構(gòu)成模糊集合。這樣就把輸入的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊語(yǔ)言變量。 (2)模糊推理 根據(jù)事先己定制好的一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊規(guī)則庫(kù)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理計(jì)算，從而根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)輸入的一系列條件進(jìn)行綜合評(píng)估，以得到一個(gè)定性的用語(yǔ)言表示的量，即模糊輸出量。完成這部分功能的過(guò)程就是模糊邏輯推理過(guò)程。 (3)反模糊化 反模糊化 (Defuzzification)有時(shí)又叫模糊判決。就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為能夠直接控制執(zhí)行部件的精確輸出量的過(guò)程。 (4)知識(shí)庫(kù) 由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放所有輸入 /輸出變量的全部模糊子集和隸屬函數(shù)。規(guī)則庫(kù)用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則。 模糊控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)是 :(l)模糊控制器是易于控制、易于掌握的非線性控制器，是一種語(yǔ)言控制器 。(2)模糊糊控制器不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，可以用于控制那些系統(tǒng)模型無(wú)法確定的系統(tǒng) 。(3)控制器抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快 ，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。缺點(diǎn)是模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差和模糊規(guī)則不易確定 。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 13 模糊 PID控制 常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認(rèn)為這種控制器具有 Fuzzy 比例和微分控制作用，而缺少 Fuzzy 積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。故把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成 FuzzyPI(或 PID)復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到 很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。模糊控制和 PID 控制結(jié)合的形式有多種 ]6[ : (1)模糊 PID 復(fù)合控制 控制策略是 :在大偏差范圍內(nèi)，即偏差 e在某個(gè)閉值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能 :在小偏差范圍內(nèi)，即 e落到闡值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成 PID(或 PI)控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉(zhuǎn)換闡值由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。常用的是模糊控制和 PI控制兩種控制模式相結(jié)合的控制方法稱之為 FuzzyPI 雙模控制。 (2)比例 模糊 PI 控制 當(dāng)偏 差 e 大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過(guò)程；當(dāng)偏差 e 減小到閉值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過(guò)程中的超調(diào)。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個(gè)論域的一部分，這就相當(dāng)于模糊控制論域被壓縮，等效于語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點(diǎn)時(shí)切換成 PI控制，一般都選在偏差語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為零時(shí)， (這時(shí)絕對(duì)誤差實(shí)際上并不一定為零 )切換至 PI 控制。 (3)模糊 積 分混合控制 是將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。 (4)自適應(yīng)模糊 PID 控制 PID 控制的關(guān)鍵是確定 PID 參數(shù)，該方法是用模糊控制來(lái)確定 PID 參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差 e 和偏差變化率 ec，用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出 PID 各個(gè)參數(shù)與偏差 e 和偏差變化率 ec之間的模糊徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 14 關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè) e 和 ec，在根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同 e 和 ec 對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能 ]7[ 。其原理框圖 如圖所示 圖 自適應(yīng)模 糊 PID控制的原理圖 較常用的是模糊 PID 復(fù)合控制和自適應(yīng)模糊 PID 控制兩種方法。 自適應(yīng)模糊 PID控制基本特性 模糊控制引入了邏輯推理，有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，對(duì)非線性、大延遲等復(fù)雜系有良好的控制效果。由此可見(jiàn)，將模糊控制與 PID 控制相結(jié)合，可以很好地克服傳 PID 控制的不足，實(shí)現(xiàn)精確控制 ]8[ 。并且使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，可以更效地實(shí)現(xiàn)人的控制策略和經(jīng)驗(yàn)。 自適應(yīng) 模糊 PID 控制的目的就是根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)整比例、積分微分系數(shù)，以達(dá)到控制作用在任何時(shí)候均為最優(yōu)。自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程是模仿人的思維過(guò)推理實(shí)現(xiàn)的，由于人固有的特性，這一過(guò)程又一定是模糊的，如“如果當(dāng)前偏差很大而偏差變化的速度仍很慢，則加大調(diào)節(jié)作用，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度”，“如果前偏差已很小而偏差變化的速度仍很大，則減小調(diào)節(jié)作用，以便減小系統(tǒng)超調(diào)”等為簡(jiǎn)化運(yùn)算，使問(wèn)題求解難度降低，以滿足實(shí)時(shí)性的要求，在不降低其它性能標(biāo)的前提下，本文將模糊推理器設(shè)計(jì)成二輸入三輸出的推理器，即輸入是偏差 e和差變化率 ec，輸出是△ Kp，△ Ki，△ Kd，用來(lái)分別調(diào)節(jié) PK ， IK ， DK 的值。控制器參數(shù) (比例系數(shù)、積分系和微分系數(shù) )的初值，由用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入，這樣以使用戶仍可對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行宏的調(diào)節(jié)。并在很大程度上彌補(bǔ)了模糊推理中對(duì)變量進(jìn)行模糊化所造成的誤差，提高控制器主動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)或環(huán)境的能力?？刂破鲄?shù)的每一次調(diào)節(jié)都是在具體情況下的時(shí)修正，因而可達(dá)到調(diào)節(jié)作用的時(shí)間最優(yōu)。 模糊化 模糊 推理 常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器 被控 對(duì)象 d/dt 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 15 自適應(yīng)模糊 PID控制工作流程 自適應(yīng)模 糊 PID 是在 PID 算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差 e和誤差變化 ec，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè) PID 修正參數(shù)的模糊矩