模糊PID控制仿真研究

張天吉，石晶，劉武通，張寧

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

模糊PID控制仿真研究

張天吉，石晶，劉武通，張寧

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.030

模糊控制對一些非線性、時變性的控制系統具有較強的適應性，但它的穩定控制精度相對較差一些。常規的PID控制具有算法簡單，穩定性好的特點。模糊PID控制使二者優點相結合，響應速度更快，穩定性更高，可靠性更強。

模糊控制；模糊PID控制；PID控制

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-93-03

引言

常規PID控制器具有算法簡單、穩定性好、可靠性高的特點，加之設計容易、適應面寬，是過程控制中應用最廣泛的一類基本控制器。但是工業生產過程中被控對象的負荷多變、干擾因素復雜，要獲得滿意的控制效果，就要對PID的參數不斷的進行在線調整。有時由于這些參數的變化無常，往往沒有確定不變的數學模型和規律可循，利用模糊控制器調節它們不失為一種實用、簡便、可行的選擇[1]。本文將模糊控制技術與PID控制技術相結合，建立了模糊自適應PID控制系統，運用模糊推理實現對PID參數的實時調整，文章通過SIMULINK模塊對其進行了仿真，與常規PID控制相比，控制效果明顯提高。

1、模糊自適應PID控制系統

1.1 常規PID控制器

常規PID控制系統是生產過程中一種最普遍采用的控制方法，將誤差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對被空對象進行控制[2]，控制原理圖如圖1所示。

圖1 PID控制系統原理框圖

PID控制器算法的表達式如下：

式中：kp為比例系數；Ti為時間積分常數；Td為微分時間常數。

PID控制器各個校正環節的作用如下[3]：

比例環節：成比例的反應控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。

積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分環節：反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），調節誤差的微分輸出，誤差突變時，能及時控制，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

1.2 模糊自適應PID控制器參數整定原理

模糊自適應PID控制就是運用模糊數學的基本理論和方法，把規則的條件、操作用模糊集表示，運用模糊推理，既可自動實現對PID參數的最佳調整。模糊自適應PID控制器的結構圖如圖2表示。

圖2 模糊自適應PID控制器結構圖

由上圖可知，將誤差e及誤差變化率ec輸入到模糊控制器中，經過模糊化、推理和解模糊，把修正的參數△kp、△ki、△kd分別輸入到PID控制器中，根據系統的狀態對三個參數進行實時調節。計算公式如下[4]：式中、為PID初始參數，其值為=8，=0.2，=0.15。△kp、△ki、△kd為系統完成每次對PID參數調節量的求和。

2、MATLAB仿真

在MATLAB中，SIMULINK是一個用來對動態系統進行建模、仿真和多位分析的交互工具，SIMULINK為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，使得仿真更直觀、方便靈活。

2.1 隸屬函數的確定

利用MATLAB軟件模糊邏輯工具箱建立各變量的隸屬函數。本文系統所采用的是雙輸入三輸出的模糊控制器，如圖3所示。

圖3 輸入、輸出模糊控制器

輸入為誤差e和誤差變化率ec，輸出為△kp、△ki、△kd。輸入與輸出的論域均為{-3 3}，模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。輸入e、ec服從高斯隸屬函數分布，如圖4所示。輸出△kp、△ki、△kd服從三角函數隸屬分布，如圖5所示。

圖4 e、ec隸屬函數分布圖

圖5 △kp、△ki、△kd隸屬函數分布圖

2.2 模糊控制規則

根據專家的實際操作經驗和知識總結模糊控制規則表，如表1所示。

表1 △kp模糊控制規則表

表2 △ki模糊控制規則表

表3 △kd模糊控制規則表

2.3 系統仿真

Study Of Fuzzy PID Control

Zhang Tianji, Shi Jing, Liu Wutong, Zhang Ning
( Liaoning university of technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

The fuzzy control has strong adaptability for some nonlinear and time-varying control system, but it’s stable control accuracy is relatively less.The normal PID control algorithm with simple and good stability characteristics.Fuzzy PID control combine both advantages of faster response,higher stability and reliability.

Fuzzy control; Fuzzy PID control; PID control

U462.1

A

1671-7988(2017)02-93-03

張天吉，男，學術型碩士研究生，（1989.9-）就讀于遼寧工業大學汽車與交通工程學院，專業：車輛工程。