PID控制與模糊控制比較

1、PIDPID 控制與模糊控制的比較控制與模糊控制的比較專業(yè)：專業(yè)：控制理論與控制工程控制理論與控制工程班級：班級： 級級 班班姓名：姓名：X X X X X X學號：學號： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 摘要摘要：介紹了 PID 控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)的工作原理。PID 控制器結構簡單，實現(xiàn)簡單，控制效果良好，已經得到了廣泛的應用。而模糊控制器相對復雜，但在許多的智能化家用電器中也得到了大量應用。但對于一個簡單的系統(tǒng)來講，哪一種控制方法更好，是不是越智能的控制就能得到越好的效果。關鍵詞關鍵詞：PID 控制，模糊控制，比較控制，模糊控制，比較Abstract: Int

2、roduced the working principle of PID control system and fuzzy control system. PID controller structure is simple, implementation is simple, the control effect is good, has been widely used. And fuzzy controller is relatively complicated, but in a lot of intelligent household appliances also received

3、 a large number of applications. But for a simple system, which kind of control method is better, is weather the intelligent control can obtain the good effect.Key words: PID control, fuzzy control, compare目錄目錄一、問題的提出一、問題的提出.1二、二、PID 控制器的設計控制器的設計.21.PID 控制原理圖：.22.PID 控制器傳遞函數(shù)的一般表達式.2三、模糊控制器的設計三、模糊控制器

4、的設計.31模糊控制原理圖.32模糊控制器傳遞函數(shù)一般表達形式.4四、系統(tǒng)仿真四、系統(tǒng)仿真.4五、總結五、總結.10參考文獻：.11一、問題的提出一、問題的提出當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節(jié)控制系統(tǒng)的響應。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數(shù)（Kp， Ti和 Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID 應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不

5、隨時間變化的系統(tǒng)，這樣 PID 就可控制了。其次，PID 參數(shù)較易整定。也就是，PID 參數(shù) Kp，Ti 和 Td 可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID 參數(shù)就可以重新整定。第三，PID 控制器在實踐中也不斷的得到改進，下面兩個改進的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用 PID 的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產品質量、安全、產量和能源浪費等問題的困擾。PID 參數(shù)自整定就是為了處理 PID 參數(shù)整定這個問題而產生的?，F(xiàn)在，自動整定或自身整定的 PID 控制器已是商業(yè)

6、單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標準。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設計的 PID 控制器控制得很好，但它們仍存在一些問題需要解決：如果自整定要以模型為基礎，為了 PID 參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的 PID 參數(shù)自整定在工業(yè)應用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產生超調，產生一個不必要的自適應轉換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。因此，許多自身整定參數(shù)的 P

7、ID 控制器經常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算 PID 參數(shù)。PID 在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結構不確定的復雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果 PID 控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點，PID 控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器模糊控制是利用模糊數(shù)學的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種

8、方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些控制問題。模糊控制在智能控制領域由于理論研究比較成熟、實現(xiàn)相對比較簡單、適應面寬而得到了廣泛的應用。不論是對復雜的水泥回磚窯的控制，還是在智能化家用電器中的應用，模糊控制都充當著重要的角色。本文針對固定系統(tǒng)，分別利用傳統(tǒng) PID 控制方法和模糊控制方法對其進行仿真控制，并對兩種控制的控制結果進行了比較，通過比較表明了模糊控制相比傳統(tǒng)的 PID 控制改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。二、二、PID 控制器的設計控制

9、器的設計1.PID 控制原理圖：控制原理圖：PID 控制其結構框圖如下圖所示：圖1：PID控制器結構框圖2.PID 控制器傳遞函數(shù)的一般表達式控制器傳遞函數(shù)的一般表達式PID 控制器傳遞函數(shù)的一般表達形式為：skskksGcdip)(其中 kp 為比例增益；ki 為積分增益；kd 為微分增益。調整 PID 參數(shù)，以滿足系統(tǒng)要求，從而使被控對象有更優(yōu)良的動態(tài)響應和靜態(tài)響應。比例環(huán)節(jié)：根據(jù)偏差量成比例的調節(jié)系統(tǒng)控制量，以此產生控制作用，減少偏差。比例系數(shù)的作用是增加系統(tǒng)響應的速度，比例系數(shù)越大，系統(tǒng)響應越快，但系統(tǒng)容易產生超調，比例系數(shù)過小，會影響系統(tǒng)調節(jié)的精度，系統(tǒng)響應時間變長，系統(tǒng)的動態(tài)響應變

10、差。積分環(huán)節(jié)：用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分時間常數(shù)決定著積分環(huán)節(jié)作用的強度，但是積分作用過強的話會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分環(huán)節(jié)：根據(jù)偏差量的變化趨勢來調節(jié)系統(tǒng)控制量，在偏差信號發(fā)生較大變化之前，提早引入一個校正信號，起到加快系統(tǒng)動作速度，減少調節(jié)時間的作用，調節(jié)微分參數(shù)需要注意微分作用太強可能會引起系統(tǒng)振蕩。三、模糊控制器的設計三、模糊控制器的設計1模糊控制原理圖模糊控制原理圖模糊控制器結構框圖如下圖所示：圖2：模糊控制器結構框圖模糊控制器結構如下圖：圖 3：模糊控制器結構框圖2模糊控制器傳遞函數(shù)一般表達形式模糊控制器傳遞函數(shù)一般表達形式一個典型工業(yè)過程通常可以等效為二階系統(tǒng)加上一個非線

11、性環(huán)節(jié)（如純滯后） ，給出如下經典控制對象傳遞函數(shù)的一般形式：) 1)(1()(21sTsTeKsGps其中模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，是設計控制系統(tǒng)的主要內容。一個基本模糊控制器主要有三個功能：（1）模糊化：把精確量（如偏差 e 和偏差變化 ec）轉化為相應的模糊量（E、EC） ；（2）模糊推理：按總結的語言規(guī)則（模糊控制規(guī)劃表）進行模糊推理；（3）模糊判決：把推理結果（U）從模糊量轉化為可以用于實際控制的精確量（u） 。模糊規(guī)則是由一系列的模糊條件語句組成的，即由許多模糊蘊含關系構成。這些條件語句是推理的出發(fā)點和得到的正確結論的根據(jù)和基礎。每條模糊條件語句都給出模糊蘊含關系，即一條控制

12、規(guī)則。若有 n 條規(guī)則，就把它們表達的 n 個模糊蘊含關系(i=l，2，n)做并運算，構成系統(tǒng)總的模糊蘊含關系：211RRRRininnRR1四、系統(tǒng)仿真四、系統(tǒng)仿真本文采用的傳遞函數(shù)為：5sesssG05. 021321)(用 Simulink 工具建立由 PID 控制器組成的系統(tǒng)仿真模型如下圖所示，其中比例增益 Kp 取值 5，積分增益取值 1，微分增益取值 5。選用的輸入是單位階躍信號。圖 4：Simulink 的 PID 控制器仿真圖 設計模糊控制器的主要步驟為：1.選擇偏差 e、偏差變化 ec 和控制量 u 的模糊語言變量為 E、EC 和 U。根據(jù)e、ec 和 u 實際的基本論域，設

13、定 E、EC 和 U 論域都為-3,3，可以確定出量化因子 Ke、Kc 和 K 比例因子 u。2.選取 E、EC 和 U 的各語言變量值：正大為 PB，正中為 PM，正小為 PS，為零為 E，負小為 NS，負中為 NM，負大為 NB，它們各自在論域上的模糊子集隸屬度函數(shù)均為三角形。3.選擇一種模糊判決方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量，這個過程叫做“去模糊化” ，這里采用的是“面積平分法” 。用 Simulink 工具建立由模糊控制器組成的系統(tǒng)仿真模型如下圖所示：圖 5：Simulink 的模糊控制器仿真圖 其中 Ke 取 2，Kc 取值 2，K 取值 2，反饋增益為 0.75語言值的隸屬函數(shù)選

14、擇三角形的隸屬度函數(shù)如下面三幅圖所示：（1）E 的隸屬度函數(shù)：圖 5：E 的隸屬度函數(shù)（2）EC 的隸屬度函數(shù)： 圖 6：EC 的隸屬度函數(shù)（3）U 的隸屬度函數(shù)圖 7：U 的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則選用 Mamdain 控制規(guī)則；該控制系統(tǒng)的控制規(guī)則如表 1 所示：UEECNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSNSZENMNBNMNMNSNSZEPSNSNMNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPMPMPMNSZEPSPSPMPMPBPBZEPSPSPMPMPBPB表 1：控制規(guī)則 將規(guī)則輸入到編輯器中（如圖 8 所示）一共有 77=49 條

15、規(guī)則，輸入后可以在編輯器中的 Rule Viewer（如圖 9 所示）和 Surface Viewe（如圖 10 所示）r 中查看對具體輸入的模糊推理及輸出情況,輸入各種不同的數(shù)據(jù),查看模糊推理情況及輸出數(shù)據(jù)。也可以用于檢查，看自己輸入的規(guī)則和有沒有錯誤。圖 8：規(guī)則編輯器重的控制規(guī)則圖 9：編輯器中 Rule Viewer圖 10：編輯器中的 Surface Viewer實驗得到的結果圖形如下所示：圖 11：PID 控制法與模糊控制法仿真結果波形 其中，綠色為輸入信號，紫紅色為 PID 控制法的輸出信號，黃色的為模糊控制法的輸出信號。五、總結五、總結利用 MATLAB 的 SIMULINK

16、仿真工具，分別用 PID 控制法和模糊控制法對對象進行了仿真，通過對兩者圖像的比較，我得出了一些結論。 調節(jié)過程中，由于對象選擇的是比較簡單，PID 控制法所選用的各個環(huán)節(jié)的參數(shù)比較容易調得，波形相對穩(wěn)定，出現(xiàn)的抖動小，但是波形峰值相對較大，超調量較大，調節(jié)時間稍長。 模糊控制法所選用的各個環(huán)節(jié)的參數(shù)比較難以調得，波形相對不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)抖動，不容易達到預計值，在此次試驗中通過改變反饋的增益來調節(jié)最終波形達到穩(wěn)定的值。但是模糊控制法易去掉超調，波形峰值較小，調節(jié)時間較短。經過反復調試也可以出現(xiàn)比較穩(wěn)定、波動比 PID 控制法要小、無超調、調節(jié)時間較為短的輸出波形。對于我所選取的這一對象，最終我調出的波形，PID 控制的結果有超調，調節(jié)時間長，而模糊控制的結果沒有超調，時間比 PID 調節(jié)略微短些。綜上所述，PID 的參數(shù)雖然相較容易調得，但控制結果還是模糊控制的好。參考文獻：參考文獻：1李秀娟,吳于力.基于 MATLAB 墓庫控制器設計和仿真J.電子測量技術,2004.,4:22-232苗敬利,李華德.模糊控制