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1、文章编号：10071385 （2006） 01007103Fuzzy自整定 PID 控制器设计及其MATLAB 仿真袁凤莲（沈阳理工大学信息学院，辽宁 沈阳 110168 ）摘要： 针对常规 PID 控制器不能在线进行参数自整定的问题，结合模糊控制技术，提出了一种模糊自整定PID 参数的方法， 运用 MATLAB 进行仿真研究表明， 该模糊自整定PID 控制器既具有PID 控制器高精度的优点， 又具有模糊控制器快速、 适应性强的特点， 使被控对象具有良好的动、稳态特性。关键词：PID 控制； 自适应；模糊控制；仿真中图分类号： TP273+.4文献标识码：A在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时
2、变的、 非线性的复杂系统， 其中有的参数未知或缓慢变化； 有的带有延时和随机干扰；有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。对上述这些系统， 如果使用常规的PID 控制器，则较难整定PID参数，因而比较难达到预期效果。模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表， 然后由该表决定控制量的大小。将模糊控制和PID 控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有 PID 控制精度高的特点。1 模糊自适应PID 控制设计由于操作者的经验不易精确描述，控制过程中的各种信号量及评价指标也不易定量表示，所以人们
3、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，运用模糊推理， 即可自动实现对 PID 参数的最佳调整， 这就是模糊自适应PID 控制。自适应模糊PID 控制器以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e 和 ec对 PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID 参数进行调整， 便构成了自适应模糊PID 控收稿日期：20051008作者简介：袁凤莲（1971） ， 女， 辽宁辽中人， 讲师制器，常见结构如图1 所示。图 1 自适应
4、模糊PID 控制器结构模糊自整定PID 参数是找出PID 三个参数与e和 ec之间的模糊关系， 在运行中通过不断检测e和 ec， 根据模糊控制原理来对三个参数在线修改，以满足不同的e和 ec对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。PID 参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用及相互之间的关系。在一般情况下，在不同的 | e| 和 |ec|时， 被控过程对参数kp、 ki和 kd的自整定要求可简单地总结出以下规律：（1） 当误差 |e|较大时，为使系统具有较好的快速跟踪性能， 不论误差的变化趋势如何，都应该取较大的 kp和较小的 kd， 同时为避免系统响应出现较大的超调， 应
5、对积分作用加以限制，取较小的ki值。（2） 当误差 |e|处于中等大小时， 为使系统响应具有较小的超调，kp应取得小些， 同时为保证系统的响应速度， ki和 kd大小要适中。其中kd的取值对系统响应的影响较大。（3） 当误差 |e|较小时，为保证系统具有较好的稳态性能， kp和 ki应取得大些， 同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，当 |ec| 较小时，kd可取大些；当 |ec| 较大时，2006年2月第 23卷第 1期沈阳航空工业学院学报Journal of ShenyangInstitute of Aeronautical EngineeringFeb.2006Vo
6、l. 23 No. 1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - kd应取小些。模糊自整定PID 控制是通过计算当前系统误差 e和误差变化率ec， 考虑 kp、 ki、 kd三者的关联，根据工程设计人员的技术知识和实际操作经验，选择输入语言变量为误差e和误差变化率ec， 语言变量值取 NB， NM， NS， ZO， PS ， PM， PB 七个模糊值；选择输出语言变量为 kp、 kd、 ki， 语言变量值也取 NB， NM，
7、 NS， ZO， PS ， PM， PB 七个模糊值， 得到针对 kp、 ki、 kd三个参数分别整定的模糊规则，如表 13 所示。表 1 kp的模糊规则表eckpeNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表 2 ki的模糊规则表eckieNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPS
8、PMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表 3 kd的模糊规则表eckde NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB根据模糊规则表， 选择适当的模糊化和去模糊化方法，可以对 kp、 ki、 kd进行动态整定， 设 kp 、ki 、 kd 为采用常规整定的预整定值，计算公式如下：kp= kp + kpki= ki + kik
9、d= kd + kd在线运行过程中， 控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、 查表和运算， 完成对 PID 参数的在线自整定。2 系统仿真及结果分析以某工业过程具有大时滞的控制对象为例，其传递函数为G1（S）=1.9s+ 3s2+4s+2. 4e- 3s当运行一段时间后， 由于系统参数发生改变等原因，其传递函数变为G2（ S）=s2+ 2s + 2s3+3s2+ 4s+ 1e- 3s2. 1 采用常规的PID 控制当控制对象为G1（ S） 时， 输入为单位阶跃信号， 通过试凑法整定出了一套合适的PID 参数，kp= 0.2， ki= 0. 16， kd= 0. 15， 我们用MATLAB 的S
10、IMULINK 进行仿真，得到的仿真曲线如图2。可以看出，在此参数下， 系统的动态响应曲线很好，超调较小，上升时间短， 响应速度较快， 且无稳态误差。当系统运行一段时间后，被控对象变为G2，我们仍然用原来整定出来的PID 参数进行仿真，得到的仿真曲线如图3。从图3 可以看出， 当被控对象发生变化后， 系统的动态响应曲线明显变差， 这说明常规PID 控制对固定不变的被控对象效果很好， 但一旦被控对象发生变化，则原有的PID 参数就不能满足系统的动态响应要求，这时我们就必须重新调节PID 参数，而这在实际控制过程中是不现实的。时间 / s图 2 被控对象为G1时的常规 PID 控制仿真曲线2. 2
11、 采用模糊自整定PID 控制运用上述模糊自整定PID 参数的控制方法，将在 MATLAB 命令窗口中键入命令fuzzy后编辑的 FIS 嵌入到 SIMULINK 仿真环境下进行仿真研究。模糊控制器的结构为两输入（ e， ec） 、 三输出（ kp， ki， kd） ， 其模糊子集均为NB， NM， NS，ZO， PS ， PM， PB ， 子集中的元素分别代表负大，负72 沈阳航空工业学院学报第 22 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - -
12、- - - - - - 时间 /s图 3 被控对象为G2时的常规 PID 控制仿真曲线中， 负小，零， 正小，正中，正大。模糊集上论域的量化等级均为 - 6，- 5，- 4， - 3，- 2，- 1， 0， 1，2， 3， 4， 5， 6 。输入和输出变量均采用三角形隶属函数曲线分布。模糊推理方法采用Mamdani推理。解模糊化采用最大隶属度平均法（ mom） ，得到的仿真曲线如图4 所示。时间 /s图 4 被控对象为G2时的常规 PID 控制仿真曲线与模糊PID 控制仿真曲线比较从仿真图可以看出：（1）模糊自整定PID 参数控制较常规PID 控制具有较小的超调量和较短的调节时间，具有较好的动
13、态响应特性和稳态特性。（2）由于模糊自整定PID 参数控制器能根据工况变化过程中偏差和偏差变化率自动进行PID参数调整，因而具有较好的自适应能力。3 结束语模糊自整定PID 控制是在常规PID 控制算法的基础上，通过计算当前系统误差e 和误差变化率 ec利用模糊推理系统 （ FIS） ， 查询模糊矩阵表对 PID 三个参数 （kp、 ki、 kd） 进行在线调整， 该方法实现简单，方便易用，对实际控制有重要的指导意义。同时，利用模糊逻辑工具箱设计的模糊控制器，能方便地修改输入输出的论域、模糊子集、隶属度函数及模糊控制规则等。用模糊推理的方法在线动态调整PID 参数，能够发挥PID 和模糊控制两
14、者的优点， 对被控系统的适应性强，鲁棒性好， 特别是在系统参数发生变化时同样可以获得令人满意的控制效果，能很好地适应实际生产过程中的控制要求。参考文献：1 诸静 . 模糊控制原理与应用 M .北京：机械工业出版社，19952 储岳中，陶永华 . 基于 MATLAB的自适应模糊PID 控制系统计算机仿真 J.安徽工业大学学报，2004， 21 （1） ： 49 - 523 刘金琨 . 先进 PID 控制及其MATLAB 仿真 M .北京：电子工业出版社， 20044 黄忠霖 . 控制系统MATLAB 计算及仿真 M . 北京：国防工业出版社，2004 5 楼顺天，胡昌华，张伟 . 基于 MATL
15、AB 的系统分析与设计 模糊系统 J . 西安：西安电子科技大学出版社，20016 飞思科技产品研发中心.MATLAB7辅助控制系统设计与仿真 M. 北京：电子工业出版社， 20057 薛定宇 . 控制系统仿真与计算机辅助设计 M . 北京：机械工业出版社， 20058 苏明等 . 模糊 PID 控制及其MATLAB 仿真 J . 计算机应用，2004.（ 4） ： 51 - 55Design and MATLABsimulation of PID - controllerwith fuzzy self - adjusting parameterYUAN Feng- lian（ College
16、 of Information Engineering， ShenyangUniversity of Science and Technology， Liaoning Shenyang110168）Abstract ： Aiming at the problem that conventional PID controller can not adjust paremetersitself on line，amethod of PID parametercontroller with fuzzyself - adjusting function is proposedbasedon fuzzy
17、control tech-nique. The result of simulation in fuzzy logic toolbox of Matlab provesthat the controller possessboth the pre-cise character of PID controller and the flexible advantageof fuzzy controller， and can guaranteethat regulationsystemhas gooddynamic and static quality.Keywords ： PID control； self - adaptive； fuzzycontrol； simulation第 1 期袁凤莲：Fuzzy自整定 PID 控制器设计及其MATLAB 仿真73 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -