梁觀坡　鄒澤華　葉盛杰　朱忠雄　劉林瀟　張勁楓

摘要：將自調(diào)整模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，可克服常規(guī)的PID控制器存在的劣勢與短板，使PID控制器具有參數(shù)自調(diào)整的相應(yīng)能力。利用自調(diào)整模糊控制發(fā)揮PID 控制器參數(shù)自調(diào)整功能， 進一步穩(wěn)定了PID 控制器的相關(guān)性能， 增強了系統(tǒng)的控制精度能力。分析比較傳統(tǒng)控制和模糊自調(diào)整控制，結(jié)合各自的優(yōu)劣點，在MATLAB中對仿真實驗進行模擬驗證，使得系統(tǒng)的精確度進一步提高。利用系統(tǒng)的不穩(wěn)定性的特點，并在其內(nèi)加入監(jiān)督控制的功能，達到了抑制控制過程中的不穩(wěn)定性、不確定性以及時滯性等多項干擾因素的目的，從而很好地改善了系統(tǒng)的控制性能。在MATLAB模糊PID的基礎(chǔ)上，將PID的參數(shù)引入到系統(tǒng)中，最后根據(jù)操作經(jīng)驗制定模糊控制原則。

把MATLAB 中的Fuzzy Toolbox和Simulink結(jié)合起來， 就能充分展現(xiàn)了該自調(diào)整模糊PID控制系統(tǒng)的仿真。

關(guān)鍵詞：自調(diào)整模糊控制；PID控制器；MATLAB；Simulink ；自調(diào)整模糊PID控制系統(tǒng)的仿真

PID控制技術(shù)是目前最普遍的控制方法，實際運行的相關(guān)事例和理論分析數(shù)據(jù)均表明，將這種控制規(guī)律用于大多數(shù)工業(yè)對象會有較理想的結(jié)果[1]。PID控制在工業(yè)的運用最為廣泛。作為最早興起的發(fā)展戰(zhàn)略，這種控制戰(zhàn)略不需要預(yù)備太多的專業(yè)知識，因為PID幾乎是擁有了復(fù)雜系統(tǒng)。PID控制作為一種經(jīng)典控制，面對精確數(shù)學化模型時，PID控制能取得較完美的效果。然而在實際應(yīng)用中，當被控對象數(shù)學模型處于變動時，PID參數(shù)調(diào)整存在很大難度，且大量被控過程機理盤根錯節(jié)，被控對象數(shù)學模型建立棘手，其控制效果并不理想[2]。本文對傳統(tǒng)控制與模糊自調(diào)整控制進行比較分析后得出模糊控制具備的優(yōu)良特點，并將模糊控制與PID控制相結(jié)合，結(jié)合兩種控制方法的特點，設(shè)計了一種自整定模糊PID統(tǒng)。以模糊邏輯工具箱和MATLAB中的Simulink為基礎(chǔ)， 對PID進行模糊，并將PID的參數(shù)引入到系統(tǒng)中，再根據(jù)操作經(jīng)驗制定模糊控制規(guī)則，對控制系統(tǒng)進行了仿真。

1 PID控制器相關(guān)架構(gòu)

PID控制器的控制信號架構(gòu)為：

u（t）=kpe（t）+ki∫t0e（τ）dτ+kdde（t）dt

其中u（t）為控制信號，e（t）是一個誤差偏差信號，r（t）是一個輸入?yún)⒖夹盘枺瑈（t）是被控對象的輸出信號，其中e（t）=r（t） Y（t）。（架構(gòu)如圖1）：u（t）=kt∫t0e（τ）dτ

比例控制信號：u（t）=kpe（t）

微分控制信號：u（t）=ki∫t0e（τ）dτ

積分控制信號：u（t）=kdde（t）[]dt

2 自調(diào)整模糊PID控制器構(gòu)架

模糊控制原理：誤差信號e，ec（e的一次微分量）為電子商務(wù)的具體金額（即微量元素），然后e和ec模糊化為模糊和模糊量可以在相應(yīng)的模糊語言表達，再由e，ec的模糊量根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊的變動量kp′、ki′、kd′，此時再進行解模糊，得到kp′、ki′、kd′的精確量，由此可以得到：

kp=kp0+kp′，ki=ki0+ki′，kd=kd0+kd′。

從而實現(xiàn)kp′、ki′、kd′的自調(diào)整。其中自調(diào)整模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2：

3 模糊 PID控制器的設(shè)計

3.1 輸入、輸出變量的確定

根據(jù)要求，將PID參數(shù)模糊控制器使用三輸出與雙輸入形式?？刂破魇褂谜`差e和誤差率EC作為輸入，PID控制器使用P、I、D三個參數(shù)作為輸出。

3.2 輸入、輸出變量的模糊語言描述

誤差e和誤差變化EC和模糊子集是{ NM，NB，NS，PS，ZO，PB，PM }，代表負、負、負、正、零、正、正。域的E和EC是[3]，和量化水平{3、2、1，0，1，2，3}。建立后，隸屬函數(shù)是模糊邏輯工具箱中的隸屬函數(shù)編輯器中選擇，以及電子商務(wù)的隸屬函數(shù)是Gauss type（Gaussmf）。而隸屬函數(shù)為三角形（trimf），分別得到e、ec 、kp′、ki′、kd′的隸屬函數(shù)圖。

根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響作用，推算出系統(tǒng)在控制過程中的自調(diào)整原理，針對不同的偏差分別計算了KP、KI和KD。

（1）當偏差數(shù)值較大時，為了做到增加系統(tǒng)響應(yīng)的速度，防止由于起動偏差的瞬時增大從而導(dǎo)致的過飽和現(xiàn)象，使控制功能超過了允許的范圍。故應(yīng)采取更小的KD和更大的KP。同時，為了預(yù)防積分飽和，系統(tǒng)響應(yīng)過大，一般使得KI取值為0。

（2）當偏差數(shù)值和變化率為中小時，為了做到降低系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量，并且保證一定的響應(yīng)速度，KP應(yīng)變較小。在這種前提下，KD的值對系統(tǒng)具有很大的影響，所以它應(yīng)該更小，而KI的取值應(yīng)該適當。

（3）當偏差數(shù)值較小時，為了做到提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，我們有必要對其進行改進措施。并且，為了減少并避免系統(tǒng)在設(shè)定點周圍的輸出響應(yīng)振蕩，同時考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)選擇適當?shù)腒D。選擇KD的原則是當偏差變化率較小時，KD應(yīng)較大。當偏差變化率較大時，KD應(yīng)該取一個較小的值，通常是中等大小[3]。該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高，穩(wěn)態(tài)性能好。無高次諧波振蕩。

3.3 PID控制器的確立

根據(jù)上述自整定原則，則可開始建立e、ec與kp′、ki′、kd′模糊關(guān)系規(guī)則表，采取if.....then......格式輸入規(guī)則，總共49條規(guī)則。得到如下圖4模糊關(guān)系規(guī)則編輯器所示的結(jié)果。

在設(shè)定好了模糊邏輯控制模塊，于是開始通過simulink進行自調(diào)整模糊PID控制器的構(gòu)建。

4 Simulink的仿真對自調(diào)整模糊PID控制系統(tǒng)

輸出=[e（n）e（n1）]e（n）為第 n 個采樣時刻控制器輸入（偏差信號） ， T為采樣周期， = ，=。根據(jù)以上數(shù)學模型，在Simu 面不難建立起PID控制器模型[4]。

得出自調(diào)整模糊pid控制器構(gòu)架如下圖5所示：

設(shè)定初始值：kp0=3；ki0=2，kd0=2.5，假設(shè)被控對象模型為20[]4s2+2s+1，于是仿真出響應(yīng)結(jié)果如圖6。其中黃色虛線為自調(diào)整模糊pid控制器響應(yīng)，玫紅色線為傳統(tǒng)PID控制器響應(yīng)。

通過上述圖片進行分析可以了解到模糊自調(diào)整PID能夠做到迅速的調(diào)整系統(tǒng)造成的波動，超調(diào)量和振蕩小，相對于傳統(tǒng)PID有了很好地改善，并提高了性能。由于量化因子對系統(tǒng)的影響較大需在Simulink的仿真中進一步的調(diào)整，圖片反映了仿真結(jié)果。假設(shè)需要加入實際系統(tǒng)，經(jīng)由OPC傳送來的數(shù)據(jù)人為的加載在Simulink中并對其進行模糊控制，我們可以利用OPC工具箱對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的讀寫與控制。

5 結(jié)論

相比之下，加入了模糊控制的PID控制器的響應(yīng)具有更小的反應(yīng)時間，且相對的起調(diào)量也小于傳統(tǒng)PID，模糊自調(diào)整PID能夠做到迅速的調(diào)整系統(tǒng)造成的波動，超調(diào)量和振蕩小，相對于傳統(tǒng)PID有了很好地改善，進一步穩(wěn)定了PID 控制器的相關(guān)性能， 增強了系統(tǒng)的控制精度能力，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高，穩(wěn)態(tài)性能好，無高次諧波振蕩，且自調(diào)整使得其具有更良好的魯棒性。

參考文獻：

[1]王偉，張晶濤，柴天佑.自動化學報[J].2000，26 （3）：347355.

[2]石辛民，郝整清.模糊控制及其Matlab仿真[M].4版.北京：清華大學出版社，2008.

[3]何衍慶，俞金壽，蔣慰孫.工業(yè)生產(chǎn)過程控制[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004，8084.

[4]王一帆.自適應(yīng)模糊PID控制器及其MATLAB仿真[A].《冶金自動化》雜志社.冶金企業(yè)自動化、信息化與創(chuàng)新——全國冶金自動化信息網(wǎng)建網(wǎng)30周年論文集[C].冶金自動化雜志社，2007：4.

作者簡介：梁觀坡，男，福建寧德霞浦人，高中畢業(yè)，就讀于福州大學，研究方向：海洋工程裝備設(shè)計制造。