【正文】 5000010203040506070 圖 55 ChienHrones參數(shù)整定帶有 Smith預(yù)估器的 PID控制響應(yīng)曲線圖 由圖 55可見， ChienHrones參數(shù)整定 帶有 Smith預(yù)估器的 PID 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間 tss=784秒，超調(diào)量δ %=0%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 可見加延遲信號(hào)干擾時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間略微增加了，其他的指標(biāo)的基本無差異?？梢姵Ｒ?guī) PID 控制抗干擾能力有限。 當(dāng)原系統(tǒng)加入幅值為 20的階躍擾動(dòng)時(shí) ,在模型運(yùn)行 1000s后延遲時(shí)間變?yōu)?50s仿真曲線變化情況如圖 5圖 54所示 : 0 500 1000 1500 2022 2500 3000 3500 4000 4500 5000 2 0 1 0010203040506070 圖 53 加 階躍 干擾信號(hào) 的 ChienHrones參數(shù) 純 PID控制響應(yīng)曲線圖 由圖 53 可見 , 加干擾信號(hào) 的 ChienHrones 參數(shù) 純 PID 控制 系 統(tǒng)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間 tss=991 秒，超調(diào)量δ %=%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 6 電鍋爐溫度控制器的仿真 常規(guī) PID控制的 仿真 PID控制器的三個(gè)參數(shù) Kp、 Ki、 Kd前面已經(jīng)算出， kp= 、 ki= 、 kd= 因此就用 matlab 中的 simulink 仿真，仿真的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如圖 51所示： 給定值為 60℃時(shí)，在該參數(shù)下的仿真響應(yīng)曲線圖如圖 51所示： 25 圖 51 仿真參數(shù)的設(shè)置0 500 1000 1500 2022 2500 3000 3500 4000 4500 5000010203040506070 圖 52 ChienHrones參數(shù)整定純 PID控制響應(yīng)曲線圖 26 由圖 52 可見， ChienHrones 參數(shù)整定純 PID 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間 tss=963秒，超調(diào)量δ %=%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 以上的階躍干擾信號(hào)都是加在傳遞函數(shù)之后，幅值為 20，而延遲時(shí)間則是 22 在 1000s時(shí)由 122s 變?yōu)?150s。 21 圖 47 模糊 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 Subsystem的結(jié)構(gòu)圖如圖 48所示： 圖 48 Subsystem 仿真結(jié)構(gòu)圖 干擾信號(hào)下電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的建模 電鍋爐溫度控制系統(tǒng) 在系統(tǒng)未穩(wěn)定之前存在兩種干擾信號(hào) ,一種是階躍信號(hào)的干擾 ,還有傳遞函數(shù)的延遲時(shí)間可能會(huì)發(fā)生變化 ,在穩(wěn)定過程中可能會(huì)發(fā)生變化。 控制規(guī)則的輸入是在 Rule Editor 窗口輸入的，以 ifthen 的形式表達(dá)。 input:[1x2 struct] output:[1x1 struct] rule:[1x49 struct] 圖 4 45是模糊控制器的各個(gè)變量的隸屬函數(shù)圖： 圖 44 輸入變量 E、 EC的隸屬函數(shù)曲線 圖 45 輸出變量 KP、 KI、 KD的隸屬函數(shù)曲線 可見輸入變量 E 、 EC 和 KP 、 KI 、 KD 的模糊子集均為{NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB},E 和 EC 的論域?yàn)閧6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6}， U的論域?yàn)?{3,2,1,0,1,2,3}。 aggMethod:39。 impMethod:39。 defuzzMethod:39。 orMethod:39。 andMethod:39。 type:39。模糊控制器在Matlab環(huán)境下的系統(tǒng)參數(shù)如下： name:39。 系統(tǒng) 模型的建立 及其功能 常規(guī) PID 控制 在 Simulink中創(chuàng)建用 PID算法控制電鍋爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖 41所示： 圖 41 電鍋爐 PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 加 smith 預(yù)估器 PID 控制 在 Simulink中建立的帶 Smith預(yù)估器的 PID結(jié)構(gòu)圖如圖 42所示： 與常規(guī) PID相比 它在 PID控制器上并聯(lián)了一個(gè)傳遞函數(shù)。 模糊邏輯工具箱必須在 MATLAB環(huán)境下運(yùn)行，它所創(chuàng)建的模糊控制器可以為其它工具箱所用，也可以用 Simulink 環(huán)境對(duì)它進(jìn)行仿真。在設(shè)好這樣一個(gè)模糊控制器之后，可以利用 MATLAB 本身的 Simulink仿真平臺(tái)來構(gòu)建整個(gè)模糊控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真 了解 。 模糊控制工具箱是數(shù)字計(jì)算機(jī)環(huán)境下的函數(shù)集成體，是一個(gè)不針對(duì)具體硬件平臺(tái)的控制設(shè)計(jì)工具，它可以用完全圖形界面的工作方式設(shè)計(jì)整個(gè)模糊控制器。 仿真是控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué) 了解 的重要方法，通過仿真來分析各種控制策略和方案對(duì)控制系統(tǒng)的性能，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳控制效果。它除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續(xù)模塊、離散模塊、函數(shù)和表模塊、數(shù)學(xué)模塊、非線性模塊、信號(hào)模塊以及子系統(tǒng)模塊外，還包括各個(gè)工具箱特有的模塊，如模糊邏輯工具箱的模糊邏輯控制器模塊。 MATLAB 版在繼承和發(fā)展其原有數(shù)值計(jì)算和圖形處理能力的同時(shí)，還推出了符號(hào)計(jì)算工具包、 Notebook 和一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境 Simulink。除原有的數(shù)值計(jì)算能力外，還增加了圖形處理功能。它是集命令翻譯、科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。 由此我們還可以比較 自整定模糊 PID控制和基本 PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)及其實(shí)用場(chǎng)合。 3號(hào)方案是以先驗(yàn)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)為控制規(guī)則的智能控制技術(shù)，可以模擬人的推理和決策過程，因此無須知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，且響應(yīng)時(shí)間短，可以保持較小的超調(diào)量 [9]。 對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求 ，而且采用 PID的單回路系統(tǒng)仍占到總控制回路數(shù)的 80%～ 90%。 圖 22模型參考自適應(yīng) 控制系統(tǒng)框圖 3號(hào)方案： 自整定 模糊控制是以先驗(yàn)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)為控制規(guī)則的智能控制技術(shù)，可以模擬人的推理和決策過程，因此無須知道被控對(duì)象 的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，且響應(yīng)時(shí)間短，可以保持較小的超調(diào)量 [9]。 被控對(duì)象傳遞函數(shù)如下： )( s122?? ?SG （ 21） 設(shè)計(jì)方案 1號(hào)方案 ： PID 控制是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，并且可以消除 穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型?！板仭笔侵甘⒎艧峤橘|(zhì) (一般是水 )的容器，而“爐”這里指加熱水的電熱轉(zhuǎn)換元件。 4 被控對(duì)象電鍋爐溫度控制器的設(shè)計(jì) 被控對(duì)象的介紹 電鍋爐是將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。 Mamdani 型是在純模糊邏輯系統(tǒng)的輸入和輸出部分添加了模糊產(chǎn)生器和模糊消除器，得到的模糊邏輯系統(tǒng)的輸 入和輸出均為精確量，因而可以直接在實(shí)際工程中加以應(yīng)用，且應(yīng)用廣泛。 模糊推理方法常見的模糊推理系統(tǒng)有三類：純模糊推理系統(tǒng)、高木 關(guān)野 d dt EC 二 維 FLC E U 14 (TakagiSugemo)型和具有模糊產(chǎn)生器和模糊消除器的模糊邏輯系統(tǒng) (Mamdani)型。在確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)輸入變量和輸出變量的個(gè)數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng) [12]。 若輸出是離散模糊集，則模糊控制器的輸出量為 ?????niiCniiiCcuccukC11)().()( （ 313） 式中 n—— 輸出的量化級(jí)數(shù)； ic —— 論域中的元素； )(iCcu —— 論域元素的隸屬度。最大隸屬度函數(shù)法不考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀 ，只關(guān)心其最大隸屬度值處的輸出值，因此，難免會(huì)丟失許多信息，但它的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，所以在一些控制要求不高的場(chǎng)合，采用最大隸屬度函數(shù)法是非常方便的。并且有 )()( jCiC cucu ? z?ic （ 310） 其中， Z是控制量 u 的論域， u是精確控制量。目前常用的方法有最大隸屬度函數(shù)法、重心法、加權(quán)平均法。 ，它的輸入是模糊集合，輸出是 一個(gè)數(shù)值。 MATLAB提供三種合成方法：最大值法 max、概率法 probor、求和法 sum。 ，即根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，包括對(duì)多個(gè)輸入用模糊算子進(jìn)行處理的過程。模糊化設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容，一個(gè)是模糊劃分設(shè)計(jì)，解決的是語言變量論域中取模糊量個(gè)數(shù)的問題。 12 圖 32 查表法 模糊控制器 具體設(shè)計(jì) 在 MATLAB中設(shè)計(jì)模糊控制器需確定以下內(nèi)容 [12]： ，即根據(jù)具體的系統(tǒng)確定其輸入、輸出變量。這一過程可以用圖 32表示。 1. 查表法適用于輸入、輸出論域?yàn)殡x散有限論域的情況。 k3 過小，則系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，使調(diào)節(jié)時(shí)間加長。 k3 增大，相當(dāng)于系統(tǒng)總的放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)相應(yīng)速度加快。但 k2過大，會(huì)使系統(tǒng)輸出上升速率過小，使系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間變長。但 k1 過小，系統(tǒng)上升速率變小，調(diào)節(jié)惰性變大，使穩(wěn)態(tài)精度降低。 一般 k1越大，系統(tǒng)調(diào)節(jié)惰性越小，上升速率越快。 對(duì)于經(jīng)典的單變量二維 FLC，由式 (39)可以看出比例因子 k k2分別相當(dāng)于模糊控制的比例作用和微分作用的系數(shù)，量化因子 k3則相當(dāng)于總的放大倍數(shù)。 參數(shù)自整定模糊控制 ),( 213 eckekfku ? （ 39） f為非線性函數(shù) ,顯然 FLC的控制作用 u與比例因子 k k2和量化因子 k3有關(guān)系，它們的變化引起了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的變化。它不需用精確的公式來表示傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，而是利用具有模糊性的語言控制 規(guī)則來描述控制過程。 3 模糊 控制器設(shè)計(jì) 模糊控制的基本思想 模糊控制是模糊集合理論中的一個(gè)重要方面，是以模糊集合化、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，從線性控制到非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。因此一