基于模糊PID控制器的控制方法研究.docx

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1、DOI:10.13433/ki.l 003-8728.2011.01.0352011年1月机械科学与技术January2011第 30 卷第 1 期Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering Vol . 30 No . 1基于模糊PID控制器的控制方法研究王述彦，师宇，冯忠绪(长安大学工程机械学院教育部道路施工技术与装备重点实验室，西安710061)王述彦摘要:为解决工程机械多功能试验台二次调节加载系统的控制问题,笔者简介了 PID控制和模糊控制的原理及特点，提出了模糊PID控制器的模糊PID自整定控制方法。在模糊PI

2、D控制器的设计中，分析了模糊PID控制器的控制原理;确定了模糊语言变量和隶属函数;制定了模糊规则以及模糊推理和解模糊的方法。最后，分别采用PID控制和模糊PID控制对试验台二次调节加载系统进行了仿真。研究表明模糊PID自整定控制具有良好的校正性能，改善了二次调节加载系统的动态响应，提高了控制效果。关键词：PID控制;模糊控制；模糊P工D控制器;二次调节；试验台；仿真中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1003-8728( 2011) 01-0166-07A Method for Controlling a Loading SystemBased on a Fuzzy PID Cont

3、rollerWang Shuyan , Shi Yu , Feng Zhongxu(Ministry of Education Key Laboratory for Technology And Equipment of Highway Construction ,College of Construction Machinery , Changan University , Xi*an 710064)Abstract: To control the loading system for secondary regulation of the multi-functionalexperimen

4、tal bench of construction machinery , we introdue the theory and characteristics of PIDcontrol and fuzzy control . We put forward a control method of fuzzy auto-tuning PID for a fuzzy(C) 1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, PID controller . During the pr

5、ocess of designing the controller, we analyze the control theory ofthe fuzzy PID controller, determine variables of fuzzy statements and sub-ordinative functionsand stipulates the methods of fuzzy rules , fuzzy reasoning and creates solutions of thefuzziness . Finally , we make simulation of the loa

6、ding system of secondary regulation of thebench in the method of PID control and fuzzy PID control . The result shows that the fuzzy auto-tuning PID control is a good control method with correcting ability and it improves the dynamicresponse of the loading system .Key words： PID control; fuzzy contr

7、ol; fuzzy PID controller; secondary regulation; experimental(01994-2019 China Academic Journal Electronic Publishingbench;simulation长安大学最新研制的工程机械多功能试验台可悬挂多种工程机械工作装置，用于研究工程机械牵引及加载性能，该试验台牵弓1(加载)液压系统采用了二次调节加载系统。基于二次调节原理的二次调节加载系统具有非线性和时变特性。在这种条件收稿日期：2009 -06 - 16基金项目：教育部留学基金项目(0004-1005)资助作者简介:王述彦(1963

8、-),副教授，博士研究生，研究方向为工程机械理论及设计，wangshuyan63 163 . com下，要得到系统精确的数学模型比较困难。传统的控制方法满足不了控制精度的要求，而且抗干扰的能力较差。模糊控制可以克服以上问题。另一方面，采用常规PID控制器虽然简单易行，但一组固定不变的PID参数无法适应参数变化，干扰众多的控制系统，显然难以获得满意的控制效果。甚至当参数变化范围太大时，系统性能会明显变差。基于模糊控制和PID控制各自的优势和局限性，把PID控制和模糊控制结合起来，构成模糊PID控制，能够实现较好的控制效果。1PID控制原理PID控制的特点是只需对控制器参数，即比例系数小、积分系数

9、监和微分系数Kd进行调整,就可获得满意的结果。PID控制系统由PID控制器和被控对象组成，PID控制器是一种线，性控制器。根据设定目标值r( t)与实际输出值y( t)构成的控制偏差e( t),将此偏差的比例，积分和微分通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。控制器控制方程为e( t) = r(t) - y( t)( 1)控制器时域输出u( t)方程为u( t) = KPe( t) + K1Je( t) dt + KD( 2) dtPID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。整定的目的就是设法使控制器的特性和被控对象配合好，以便得到最佳控制效果。典型的PID只能利用一组固定参数进行控制

10、，这些参数不能兼顾系统的动态性能和静态性能之间、设定值和抑制扰动之间的矛盾。为此控制系统需引入智能控制体系，在PID初值基础上通过增加修正参数进行整定改善系统动、静态性能。由式(2)可知，各项系数的调整只影响式中对应一项的系数变化。这一线性叠加原理给控制带来168机械科学与技术第30卷极大的方便。如图1所示。当被控对象参数变化时,可通过调整控制器相应参数进行校正，使系统获得满意的效果。这样，算法简单、计算量小，且控制准确S图1可变参数PID控制原理图不过，PID控制器都要求精确的数学模型，在数学模型不精确的情况下，将降低控制性能。针对这种情况，笔者提出了结合模糊控制的模糊PID解决方法。2模糊

11、控制原理随着自动控制系统被控对象的复杂化，表现为控制系统具有多输入、多输出的强耦合特性、参数时变性和非线性特性，更突出的问题是从系统对象获得的信息量相对减少，相反对控制性能的要求却日益高度化。很多时候被控对象精确的数学模型很难或无法建立。若将人们的手动控制经验用语言加以描述，构成一系列条件语句，即控制规则，再利用模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理，将模糊的控制规则上升为数值运算，让计算机运用程序来实现这些控制规则，这样就可利用计算机模拟人进行自动控制被控对象。这正是模糊控制的基本思想。模糊控制系统由模糊数据和规则库、模糊器、模糊推理机和解模糊器组成。模糊控制系统用作控制器时称为模糊控制器12

12、1。模糊控制系统与传统的闭环控制系统不同之处在于用模糊控制器代替了模拟式控制器。模糊控制器结构如图2所示。模糊控制器图2模糊控制器结构图模糊控制过程分为模糊化、模糊逻辑推理和解模糊判断3个步骤。其分别由模糊控制器的模糊器、模糊推理机和解模糊器完成。模糊系统的性能优劣主要取决于模糊控制器的结构、模糊规则、推理算法以及模糊决策的方法等因素13(C) 1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. (C) 1994-2019 China Academic Journal Electr

13、onic Publishing zD3模糊PID控制器设计3. 1模糊PID控制器原理模糊自整定PID控制器以误差e和误差变化率e作为输入，PID参数Kp、Kk Kd作为输出。以误差e和误差变化率e作为输入，可以满足不同时刻的e和e对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了模糊自整定PID控制器4,5,其结构如图3所示。由图3可知:该系统由一个标准PID控制器和一个模糊参数调节器组成。控制目标为使被控对象输出y( t)达到指定值R , PID控制器根据闭环误差e( t) = Ry( t)产生控制信号u( t),模糊参数调节器调节PID控制器的参数。图3模糊自整

14、定PID结构原理图为了进一步提高系统的响应或执行速度，采用改进的模糊控制器。控制器原先控制的是心、KkKd这3个参数,而现在控制的是Kp、Ki、Kd的增量，即AKp、AKk AKDo这3个增量的变化比较小，需要的计算量较心、Ku Kd明显减少。在模糊控制器之后有一保留器，保留的是上一次心、KkKd的值Kp、Kk Kd ,然后加上模糊控制器的输出值，再作用于控制对象。保留器的初始值可以根据经验来设定。即KP= Kp + AKP( 3) Ki= Ki +Ki( 4)Kd= Kd+AKd(5)此时模糊控制器变为以误差e和误差的变化率e为输入量，AKp、AKU AKd为输出量。3. 2模糊语言变量的确

15、定将系统偏差e和偏差变化率e作为模糊控制器的输入语言变量，心、Ku Kd为输出语言变量。它们的变化范围定义为模糊集上的基本论域：e , e , %, Kd = ( - 4 ,- 3 , - 2 , 1 , 0 ,1 , 2 , 3,4)其模糊子集为 e , e = NB , NS ,ZE , PS , PB,子集中元素分别代表负大，负小，零，正小，正大。这种划分适合控制品质要求一般的场合。将基本论域范围内连续变化的量分级离散化，然后进行模糊处理。设二次元件速度偏差e和e的变化范围为-4,4,如果不在此区间，可以170机械科学与技术第30卷通过线性变换公式(6)将取值在a , b 之间的连续量转换到-4,4之间。y =8( x - a + b)( 6) b - a23. 3隶属函数的确定各模糊状态的隶属函数一般选择对称三角形、对称梯形、正