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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中英文資料信電系工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)03級1班課題名稱:基于單片機(jī)的模糊PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時(shí)間:2006年2月15日6月8日(共17周)學(xué)生姓名:學(xué)號:20指導(dǎo)教師:報(bào)告日期:2006年6月8日信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)(中英文資料)1常規(guī)PID和模糊PID算法的分析比較摘要:模糊PID控制器實(shí)際上跟傳統(tǒng)的PID控制器有很大聯(lián)系。區(qū)別在于傳統(tǒng)的控制器的控制前提必須是熟悉控制對象的模型結(jié)構(gòu),而模糊控制器因?yàn)樗姆蔷€性特性,所以控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。對于時(shí)變系統(tǒng),如果能夠很好地采用模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié),其控制結(jié)果的穩(wěn)定性和活力性都會(huì)有改善。但是,如果調(diào)節(jié)效果不好,執(zhí)行器會(huì)因?yàn)橹芷谡袷幱绊懯褂脡勖?,特別是調(diào)節(jié)器是閥門的場合,就必須考慮這個(gè)問題。為了解決這個(gè)問題,出現(xiàn)了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一個(gè)固定的初始域,這樣相當(dāng)程度上簡化了模糊控制的設(shè)定問題以及實(shí)現(xiàn)。文中分析了振蕩的原因并分析如何抑制這種振蕩的各種方法,最后,還給出一種方案,通過減少隸屬函數(shù)的數(shù)量以及改善解模糊化的方法縮短控制信號計(jì)算時(shí)間,有效的改善了控制的實(shí)時(shí)性。1引言模糊控制器的一個(gè)主要缺陷就是調(diào)整的參數(shù)太多。特別是參數(shù)設(shè)定的時(shí)候,因?yàn)闆]有相關(guān)的書參考,所以它的給定非常困難。眾所周知,優(yōu)化方法的收斂性跟它的初始化設(shè)定有很大關(guān)聯(lián),如果模糊控制器的初始域是固定的,那么它的控制就明顯的簡化了。而且我們要控制的參數(shù)大多有其實(shí)際的物理意義,所以模糊控制器完全可以利用PID算法的控制規(guī)律進(jìn)行近似的調(diào)整。也就是說最簡單的模糊PID控制器就是同時(shí)采用幾種基本模糊控制算法(P+I+D或者PI+D),控制過程中它會(huì)根據(jù)控制要求,做出適當(dāng)?shù)倪x擇,保證在處理跟蹤以抗階躍干擾問題上,其控制性能接近于任何一種PID控制。假設(shè)模糊集的初始域是對稱的,兩個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)采用Ziegler-Nichols方法。為了改善上述設(shè)計(jì)的模糊控制器,我們有必要考模糊控制器的參數(shù)問題,有兩種方法可以采納,一種采用手動(dòng)的方法改變,另一種就是采用一些相關(guān)的優(yōu)化算法。其中遺傳算法就是一種??刂破鞑捎玫膮?shù)不同,其收斂的優(yōu)化值也會(huì)不一樣。這些參數(shù)包括模糊集的分布,模糊集的個(gè)數(shù),映射規(guī)則,基本模糊控制器的參數(shù)和不同的算法組合等。要注意的是在優(yōu)化前必須選定模糊推理及解模糊的方法。很明顯,優(yōu)化過程很耗時(shí),更有甚者,有些優(yōu)化方法要已知系統(tǒng)的精確模型,但是實(shí)際過程中難以得到系統(tǒng)的精確模型,所以在大多數(shù)情況下,這些優(yōu)化算法不能直接應(yīng)用在實(shí)際過程。也就是說模型不精確直接影響優(yōu)化成敗。模糊控制的主要思想就是針對那些傳遞函數(shù)未知的或者結(jié)構(gòu)難以辨識的系統(tǒng)進(jìn)行控制,這也是模糊控制的性能為什么優(yōu)于傳統(tǒng)方法的原因。同時(shí),把模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制算法結(jié)合起來,更能體現(xiàn)這種算法的優(yōu)點(diǎn),因?yàn)樗蟠蠛喕瘜?shí)際過程的調(diào)整。圖1隸屬函數(shù)圖圖2映射規(guī)則圖信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)(中英文資料)2參數(shù)集的啟發(fā)式優(yōu)化法也適用于模糊PI控制器,它采用固定的定義域,其參數(shù)的選取和傳統(tǒng)的PI控制器都一樣。我們采用的控制方法是結(jié)合模糊PI算法和PD算法并利用啟發(fā)式優(yōu)化法處理參數(shù)集,特別要注意這里的調(diào)節(jié)器出現(xiàn)了兩個(gè)比例環(huán)節(jié),所以它的控制可能不同于傳統(tǒng)的PID算法。但是我們調(diào)整的參數(shù)它們本身具有實(shí)際的物理意義,值得一提的是前面所提到的控制可以通過改變采樣時(shí)間而不改變定義域的范圍實(shí)現(xiàn)調(diào)整。2模糊PI控制器設(shè)計(jì)控制信號由模糊控制器得到(參考文獻(xiàn)2):模糊PI控制器的一種實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示:圖3模糊PI控制器結(jié)構(gòu)(區(qū)域單位化)現(xiàn)在我們假設(shè)控制對象的傳遞函數(shù)如下描述,然后通過仿真圖比較模糊PI控制器和傳統(tǒng)PI控制器的控制性能:采用6中所用的調(diào)節(jié)方法,我們可得參數(shù),其響應(yīng)如圖4和圖5所示。干擾作用于系統(tǒng)的輸入,模糊控制器如圖3所示,映射規(guī)則如圖2所示,隸屬函數(shù)如圖1所示。圖4傳統(tǒng)PI控制圖圖5模糊PI控制圖信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)(中英文資料)3同理取相同的參數(shù)集合,但是采用不用的模糊推理和解模糊化方法進(jìn)行優(yōu)化,我們把最大值設(shè)為10,即,采用周期,則,輸出響應(yīng)如圖5所示,下面的集合已經(jīng)在3中測試過了,模糊推理方法采用Min-Max和Prod-Max,解模糊部分采用COG方法,隸屬函數(shù)采用三角形分布或單值分布,把定義域單位化,然后從七個(gè)模糊集中任取三個(gè),進(jìn)行仿真,如果隸屬函數(shù)是單值分布,也一樣。把傳統(tǒng)的PI控制算法和模糊PI控制算法的結(jié)果進(jìn)行比較并討論。我們發(fā)現(xiàn)采用模糊控制的系統(tǒng)輸出超調(diào)量雖然很小,但是抗干擾能力并不比傳統(tǒng)的PI控制器好。圖6有7個(gè)隸屬函數(shù)的模糊控制圖7有3個(gè)隸屬函數(shù)的模糊PI控制器采用最小-最大模糊推理參考文獻(xiàn)6,看圖5,發(fā)現(xiàn)給系統(tǒng)的輸入端加上幅度為0.05的階躍干擾,系統(tǒng)輸出響應(yīng)趨向振蕩地很厲害。假設(shè)這里所有響應(yīng)采用的集合都是一樣的,我們看圖6,它的響應(yīng)曲線沒有明顯的振蕩。但是,我們還不能分析6所提供導(dǎo)致振蕩的可能原因,因?yàn)檫@里沒有文6提供的模糊控制的所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。我們發(fā)現(xiàn),即使采用遺傳優(yōu)化算法,其控制結(jié)果也沒有遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過模糊PI控制的近似
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