基于模糊控制理論的PID控制器設(shè)計(jì)

蘇興華

[摘? ? 要] 常規(guī)PID控制在穩(wěn)定環(huán)境下已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的控制要求，但是在負(fù)載較重、干擾因素復(fù)雜、極限速度的條件下，系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象，需對(duì)PID的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)調(diào)整。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，這些參數(shù)的變化不能建立有效的數(shù)學(xué)模型，因此需要選用智能控制器來調(diào)節(jié)，而模糊控制符合工具實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體要求，可以使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。

[關(guān)鍵詞] PID參數(shù);模糊控制;規(guī)則;仿真

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 03. 055

[中圖分類號(hào)] TP273+.4? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2019）03- 0136- 04

0? ? ? 前? ? 言

在實(shí)際工程閉環(huán)控制中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為PID控制。雖然常規(guī)的PID控制在穩(wěn)定環(huán)境下已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的控制要求，但是在負(fù)載工作的條件下，由于干擾因素復(fù)雜，負(fù)荷可能產(chǎn)生變化，而且在極限速度下，系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這就需要對(duì)PID的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行不斷的在線調(diào)整。但經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，這些參數(shù)的變化沒有確定不變的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可以遵循，因此，需要選用智能控制器來調(diào)節(jié)，而模糊控制器有著魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常便于計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，符合鉆井工具實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體要求，以充分發(fā)揮PID控制器的優(yōu)良控制作用，力求使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。

1? ? ? 結(jié)構(gòu)及工作原理

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡單，便于應(yīng)用。由工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異;但一個(gè)系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。

基于模糊自適應(yīng) PID 控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中二維模糊控制器采用了雙輸入三輸出的模式，它以偏差e，ec為模糊控制器的輸入，以 PID 控制器的三個(gè)參數(shù)比例系數(shù) Kp，微分系數(shù) Kd，積分系數(shù) Ki為輸出，以滿足系統(tǒng)對(duì)PID 參數(shù)整定的要求。從而使被控對(duì)象有更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)響應(yīng)。

3? ? ? 模糊控制表的制定

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，它相當(dāng)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的校正裝置或補(bǔ)償器（如 PID 控制器），是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容。模糊控制規(guī)則的生成方法大體上有兩種：一種是根據(jù)操作人員或?qū)＜覍?duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，歸納總結(jié)得出的;另一種是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試試驗(yàn)，從分析系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)中，歸納總結(jié)出來的。

模糊規(guī)則是由一系列的模糊條件語句組成的，即由許多模糊蘊(yùn)含關(guān)系構(gòu)成。這些條件語句是大量實(shí)驗(yàn)觀測和操作經(jīng)驗(yàn)的歸納總結(jié)，在近似推理中認(rèn)為它們是可靠的依據(jù)，是推理的出發(fā)點(diǎn)和得到的正確結(jié)論的根據(jù)和基礎(chǔ)。每條模糊條件語句都給出模糊蘊(yùn)含關(guān)系，即一條控制規(guī)則。若有 n 條規(guī)則，就把它們表達(dá)的 n個(gè)模糊蘊(yùn)含關(guān)系（i=1，2，…，n）做并運(yùn)算，構(gòu)成系統(tǒng)總的模糊蘊(yùn)含關(guān)系 R：

利用MATLAB的SIMULINK 仿真工具，對(duì)三階對(duì)象進(jìn)行了仿真，如圖4、圖5所示，表明普通PID 難以做到很好的控制效果，同時(shí)三個(gè)參數(shù)也不易確定，但是采用模糊理論基礎(chǔ)的PID 控制就能達(dá)到很好的控制效果。從系統(tǒng)的仿真性能來看，這種控制器有著良好的快速性與穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)性能好，魯棒性強(qiáng)，是一種較為理想的控制方案。

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