【正文】 ..2 控制器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) ...........................................4 控制器的算法 .................................................4 參數(shù)的整定 ...................................................6 第三章模糊 PID控制器設(shè)計(jì) .......................................7 模糊邏輯控制過(guò)程 ...............................................7 輸入變量和輸出變量的確定 ........................................9 論域的確定 ......................................................10 解模糊方法 .................................................. ...11 模糊控制規(guī)則 ................................................ ...11 模糊邏輯推理 ................................................ ..12 量化因子及比例因子的選擇 ....................................... 18 第四章系統(tǒng)的仿真 .........................................19 仿真工具 .......................................................19 模糊控制系統(tǒng)的仿真與分析 ...................................... 20 結(jié)束語(yǔ) ...................................................26 參考文獻(xiàn) ...............................................,27 附錄 .....................................................28 2021 自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 問(wèn)題的提出 20 世紀(jì)中葉以來(lái)，在科學(xué)技術(shù)與工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，自動(dòng)控制理論與技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用，并取得了巨大的成就，是現(xiàn)代高新技術(shù)的重要手段之一。傳統(tǒng)控制要求被控 對(duì)象具有確定的、線(xiàn)性化得數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際被控對(duì)象都不同程度的存在非線(xiàn)性、建模困難的特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)控制理論和技術(shù)難以甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，控制研究領(lǐng)域面臨新的控制要求的挑戰(zhàn)。上述情況迫使人們?cè)诳刂葡到y(tǒng)的精確性與有意義之間可以某種平衡和折中，以使問(wèn)題的描述具有意義。人的經(jīng)驗(yàn)參與控制過(guò) 程的成功，激發(fā)了人們對(duì)控制原理的深入研究。這樣的控制系統(tǒng)即能避免了那種精確、復(fù)雜的模型創(chuàng)造過(guò)程，又避免了需要精確估計(jì)模型方程中各種參數(shù)的過(guò)程，能讓人們采用簡(jiǎn)單靈活的控制方式控制多變量、非線(xiàn)性、時(shí)變的系統(tǒng)。 模糊控制的 發(fā)展 模糊控制理論由扎德在 20 世紀(jì) 60 年代提出，他認(rèn)為經(jīng)典控制理論過(guò)于強(qiáng)調(diào)精確性而無(wú)法應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)，“在處理生物系統(tǒng)時(shí)，需要一種車(chē)不同的數(shù)學(xué) 關(guān)于模糊量的數(shù)學(xué)，該數(shù)學(xué)不能用概率分布來(lái)闡述”。這一時(shí)期一個(gè)重大成果是誕生了處理實(shí)際系統(tǒng)的模糊控制器。 1978年，霍爾布賴(lài)德和奧斯特加德開(kāi)發(fā)的第一個(gè)工業(yè)模糊控制器 模糊水泥窯控制器。1987 年日本各種家電的模糊控制產(chǎn)品相繼研究成功并進(jìn)入市場(chǎng)。出現(xiàn)專(zhuān)業(yè)芯片硬件。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(duì)非線(xiàn)性、時(shí)變系統(tǒng)，或者無(wú)法建立 明確數(shù)學(xué)模型時(shí)難以實(shí)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。 第三章則詳細(xì)的給出了模糊控制的理論基礎(chǔ)介紹，有關(guān)論域、語(yǔ)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(jì)做基礎(chǔ) . 第四章：仿真結(jié)果及分析。 結(jié)束語(yǔ)，參考文獻(xiàn)。另外，在能量和信息的傳遞過(guò)程中，由于管道和傳輸?shù)仍驎?huì)引入一些時(shí)間上的滯后，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。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(lái)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(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 3 R(t) e(t) y(t) + + 圖 21 PID 控制系統(tǒng) PID 控制器又稱(chēng) PID 調(diào)節(jié)器，是工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中常用的有源校正裝置。其控制器的輸出與輸入誤差成比例關(guān)系。比例 +積分控制器可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)誤差。比例加微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能。 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(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢，延長(zhǎng) 調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性變壞。 KI 越大，靜態(tài)誤差消除越快，但 KI 過(guò)大，在響應(yīng)初期會(huì)產(chǎn)生積分過(guò)飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 微分作用系數(shù) KD 是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，主要在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。 綜上所述， PID 三個(gè)參數(shù)取值大小，對(duì)控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)性能影響很大，KP、 KI、 KD 三個(gè)參數(shù)的整定要根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 G(s)的參數(shù)來(lái)確定。 PID 控制算法 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)， 它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。 將上面的式 24和式 25代入式 26 則可以得到離散的 PID 表達(dá)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(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程十分接近。 若在式 27中，令： TKkIpi T? （稱(chēng)為積分系數(shù)） TTKk DPD ? (稱(chēng)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(dá)式。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡(jiǎn)單的遞推算式。1()。則： )2()1()()( 210 ?????? kekekeku aaa 式中 aaa210,同式（ 210）中一樣。由于其控制輸出對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故 (211)式通常被稱(chēng)為 PID 控制的增量式算式[3]。而增量式中只須計(jì)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(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對(duì)控制量的影響較小，且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果； （ 2）由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作影響小，而且必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利 ； （ 3）手動(dòng)與自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小 . PID 參數(shù)的整定 在 PID 控制中，一個(gè)很重要的問(wèn)題是 PID 參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間）的整定。由于現(xiàn)代工業(yè)過(guò)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)。 （ 1）試湊法。 2021 自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì) 7 （ 2)擴(kuò)充臨界比例度法。 b. 用上述采樣周期，僅讓控制器作純比例控制，逐漸增大比例系數(shù) KP 比 直至使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時(shí)的比例系數(shù) rK，再記下此時(shí)的振蕩周期 Q ?????0 20 2 ][ ])([ dte dtteADQ c. 求取采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。 （ 3） 擴(kuò)充響應(yīng)曲線(xiàn)法。 a. 斷開(kāi)控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下工作，人為地改變手動(dòng)信號(hào)，給被 控對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。 b. 在響應(yīng)曲線(xiàn)最大斜率處作切線(xiàn)，求出等效純 滯后時(shí)間，相等效時(shí)間常 數(shù)，并求出它們的比值。 d. 投入運(yùn)行，觀(guān)察控制效果，適當(dāng)修正參數(shù)，直到滿(mǎn)意?，F(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)。由于人的決策過(guò)程本質(zhì)上就具有模糊性，因此，控制動(dòng)作并非穩(wěn)定一致，且有一定的主觀(guān)性。 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由一種模糊規(guī)則構(gòu)成的模糊系統(tǒng)可代表一個(gè)輸入、輸出的映射關(guān)系。要表示從輸入到輸出的函數(shù)關(guān)系，模糊系統(tǒng)除了模糊規(guī)則外，還必須有模糊邏輯推理和解模糊的部分。 X Y ? 模糊邏輯推理 圖 31 模糊控制器的方框圖 模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊邏輯控制器，模糊邏輯器一般 是靠軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 （ 1）通過(guò)傳感器把要監(jiān)測(cè)的物理量變成模擬量，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確地?cái)?shù)字量，精確數(shù)字量輸入經(jīng)過(guò)模糊邏輯控制器，首先把這精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，這一步就是精確量的模糊化。 （ 3）根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為控制量，這一步成為模糊輸出量的解模糊判決；其目的是把分布范圍概括合并成單點(diǎn)的輸出值，加到執(zhí)行器上實(shí)現(xiàn)控制。根據(jù)以上對(duì)模糊邏輯控制過(guò)程以及模糊控制系統(tǒng)的描述可知，設(shè)計(jì)模糊控制器主要包括以下以下幾項(xiàng)內(nèi)容： （ 1） 確定模糊控制器的輸入變量，輸出變量和論域。 （ 3） 確定模糊控制器的控制規(guī)則及模糊推理方法。 （ 5） 編制模糊算法的應(yīng)用程序。 輸 入變量和輸出變量的確定 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。 人在進(jìn)行手動(dòng)控制過(guò)程中，操作者期望實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，一旦偏離目標(biāo)，出現(xiàn)偏差，操作者便根據(jù)偏差大小進(jìn)行調(diào)整。在整個(gè)手動(dòng)控制過(guò)程中，人能獲