参数自整定模糊PID控制器设计论文

实用的模糊PID算法

参数自整定模糊PID控制器设计

【摘要】在借鉴传统PID控制应用工业现场基础上，引进模糊规则的调用方式。根据偏差绝对值和偏差变化率绝对值的改变，在线调节PID参数，最后进行MATLAB仿真，经过比较传统PID控制与模糊PID动态性能的差异，验证模糊PID动态性能得到明显的改善。

【关键词】模糊PID、控制器

传统PID (比例、积分和微分)控制原理简单，使用方便，适应性强，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。但是PID控制器也存在参数调节需要一定过程，最优参数选取比较麻烦的缺点，对一些系统参数会变化的过程，PID控制就无法有效地对系统进行在线控制。不能满足在系统参数发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求，严重的影响了控制效果。本篇文章介绍了对模糊PID控制性能改善，它不需要被控对象的数学模型，能够在线实时修正参数，使控制器适应被控对象参数的任何变化。并对其进行仿真验证，结果表明模糊PID控制使系统的性能得到了明显的改善。

1、传统PID与模糊PID的比较

PID控制

PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握、得不到精确的数学模型时，采用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心。它是根据被控过程的特性来确定PID控制器的参数大小。PID控制原理简单、易于实现、适用面广，但PID控制器的参数整定是一件比较困难的事。合理的PID参数通常由经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。为此，需要引入一套模糊PID控制算法。

模糊PID控制

所谓模糊PID控制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果。模糊PID

实用的模糊PID算法

控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差E以及当前的偏差变化EC，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。

2、模糊PID原理

工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量采用的仍然是PID算法，PID参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为基础。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数，这样就出现了智能PID控制器。这种控制器把古典的PID控制与先进的专家系统相结合，实现系统的最佳控制。这种控制必须精确地确定时象模型，首先将操作人员长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理便可对PID参数实现最佳调整。

模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况(即专家系统的输入条件)，运用模糊推理，即可自动实现时PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应PID控制。模糊自适应PID控制器目前有多种结构形式，但其工作原理基本一致。

3、模糊控制PID控制的应用：

1、将模糊PID控制应用于变风量空调系统中，任务是将送风温度和空调房间内的温度(回风温度)控制在各自的设定目标值附近。分别设计了变风量空调系统

实用的模糊PID算法

的送风温度模糊PID控制系统和室内温度(视为回风温度)模糊PID控制系统，通过调节冷冻水阀门的开度来控制送风温度，通过调节变频风机的转速来控制室内温度。应用所设计的模糊PID控制器对送风温度和空调房间的温度(即回风温度)进行了实时在线控制，控制结果表明模糊PID控制器设计合理，采用模糊控制器能够取得比PID控制更好的控制效果。

2、锅炉及热力系统的氧腐蚀是锅炉安全运行的一大隐患，目前常用的减缓或消除锅炉中氧腐蚀的方法是热力除氧。影响热力除氧器除氧效果的因素有温度、压力和水位，这三者之问具有非线性、时变性和耦合性等特点，因此，除氧器的精确控制成为国内外很多学者关注的问题。对于热力除氧器系统大滞后、大惯性、非线性以及难以建立精确的动态数学模型等特点，采用模糊控制算法与传统的PID控制算法相结合，设计了热力除氧器温度控制系统。检测所设计温度控制系统的性能，采用仿真软件MATLAB的模糊工具箱结合Simulink动态仿真分别对模糊PID控制算法和PID控制算法仿真试验。试验结果表明，模糊PID控制系统能较好地满足除氧工艺要求，提高了热力除氧器温度控制系统的精度和工作效率。

3、电加热炉是一个非线性、时变的复杂对象，常规的PID控制难以达到控制要求。为此提出了Fuzzy—pid复合控制方案，对电加热炉的炉温进行控。电加热炉是一个非线性、时变的复杂系统，用准确的数学解析式表示其特性十分困难，采用模糊--PID复合控制器，可以消除稳态误差，提高稳态精度。这种复合策略是在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成PID控制。

实用的模糊PID算法

将两者合理结合，既具有传统PID控制精度高的优点，又具有模糊控制器快速、适应性强的特点，并可以迅速消除系统误差，保证了系统具有良好的动、静态特性，能达到较好理想的控制效果。

4、模糊控制PID控制的优点：

对于难以建立精确的数学模型的非线性系统的控制，传统的控制理论和控制方法具有很大的局限性，作为智能控制的重要组成部分，模糊控制可以解决具有非线性、不确定性、难以建立精确的数学模型的复杂系统的控制问题，因而在非线性系统控制中得到了越来越广泛的应用。

针对控制对象的大惯性、大时延特点，采用了串级控制策略；针对对象的非线性、不确定性，主控器采用了模糊自整定PID参数的方式，经仿真验证具有良好的动、静态特性，特别是在鲁棒性方面大大优于常规的PID控制器。

5、总结：

常规PID控制时通过调节PID 3个参数，就可以得到系统比较理想的响应图，控制效果的优良与参数的调整有很大的关系，也能提高快速性。但3个参数的调整非常繁琐。而且，如果系统环境不断变化，则参数又必须进行重新调整，往往达不到最优。而单独模糊控制，系统动态性能好，但稳态性能较差，且很难使两种性能指标都达到理想，所以采用模糊PID控制，通过模糊控制器对PID进行非线性的参数整定，可使系统无论是快速性方面还是稳定性方面都达到比较好的效果。

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