模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

李珍珍，朱浩銘

（1.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧學(xué)院 機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院，廣西 南寧 530200）

1 PID控制器的結(jié)構(gòu)與原理

PID控制算法中P（Proportional）指的是比例環(huán)節(jié)，其作用是將控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的偏差信號成比例地反映出來，以達(dá)到當(dāng)偏差一旦產(chǎn)生就可進(jìn)行控制；I（Integral）指的是積分環(huán)節(jié)，其作用是消除系統(tǒng)靜差并提高系統(tǒng)的無差度；D（Differential）指的是微分環(huán)節(jié)，其作用是加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間[1]。

PID控制器作為一個(gè)常見且應(yīng)用廣泛的線性控制器[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 模糊控制的原理與模型

模糊控制是一種智能控制，其結(jié)構(gòu)上的組成類別和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一定的相似性，類同于常見的離散控制系統(tǒng)[3]，其模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 PID控制器的結(jié)構(gòu)圖

基于模糊控制的系統(tǒng)組成主要有4部分。

圖2 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

（1）輸入/輸出的接口裝置，常用的是模/數(shù)（A/D）、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。對于輸入裝置中使用A/D轉(zhuǎn)換，目的在于使控制器可以通過接口獲取離散信號；對于輸出裝置中使用D/A轉(zhuǎn)換，目的是將離散信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號，便于送達(dá)于下位機(jī)，并控制被控對象。除了常見的A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還會使用電平轉(zhuǎn)換裝置等。

（2）模糊控制器是實(shí)現(xiàn)模糊控制技術(shù)的關(guān)鍵核心部分。

（3）廣義上的被控對象包括被控對象和下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（4）傳感器的作用是將不易檢測的物理信號轉(zhuǎn)化為容易檢測的電信號，并傳輸回上位機(jī)，形成一個(gè)閉環(huán)回路，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

模糊控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[4]如圖3所示。

圖3 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器可簡單區(qū)分為一維控制器、二維控制器、三維控制器以及多輸入的多維控制器等，一到三維的模糊控制器的結(jié)構(gòu)以及輸入與輸出之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 一到三維的控制器結(jié)構(gòu)

3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示[5]。模糊控制器把誤差e與將其求導(dǎo)后得到的誤差變化ec作為雙輸入端，把比例系數(shù)KP、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd作為三輸出端；其工作原理為將e與ec輸入進(jìn)模糊控制器進(jìn)行模糊推理運(yùn)算，在得出KP、Ki、Kd后，將結(jié)果傳到PID控制器中運(yùn)算。誤差e也作為輸入端進(jìn)入PID控制器運(yùn)算，最終通過綜合運(yùn)算得出輸出量C[6]。

4 模糊PID下的仿真實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)

在MATLAB的命令行窗口中輸入“fuzzy”一詞，即可打開MATLAB中的模糊邏輯工具箱。根據(jù)實(shí)際要求更改輸入和輸出的個(gè)數(shù)，由于模糊控制器由誤差e與誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入變量，而KP、Ki、Kd作為模糊控制器的輸出變量，故選用雙輸入三輸出的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)圖

圖6 模糊邏輯工具箱界面

將設(shè)置好的模糊控制器應(yīng)用在Simulink中，選擇好模塊后即可以獲得模糊PID的仿真模型結(jié)構(gòu)[7]，如圖7所示。

圖7 模糊PID系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖

PID控制器選用的參數(shù)整定方法是Chien-Hrones-Reswick整定法。給予該系統(tǒng)一個(gè)階躍函數(shù)[8]，得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，模糊PID控制系統(tǒng)與系統(tǒng)自身的傳遞函數(shù)、普通的PID控制器控制結(jié)果相比，其超調(diào)量明顯更小、調(diào)節(jié)時(shí)間更短，從而更快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，且得到的仿真波形在調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)更少等[9]。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)復(fù)合型的模糊PID控制器，多端變量輸入，經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真論證了本設(shè)計(jì)擁有實(shí)際使用的可行性、調(diào)節(jié)時(shí)間更短及波形波動(dòng)更少等特點(diǎn)。

圖8 模糊PID控制器的仿真結(jié)果