PDF《控制系统匝匣甄亟萤匣亘殖亟垂亘酉圈》

控制系统匝匣甄亟萤匣亘殖亟垂亘酉圈 基亏MATLAB的模糊自整定PI D参数控制器 的设计与仿真 Design and simulation research of PID fuzzy controller based MATLAB 摘要:针对在复杂系统中实现自整定参数的PID控制问题, 介绍了一种基于模糊控制原理的PID参数自整定控翩器的 设计.

并把MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIMULINK有机鲒 合起来.方便的实现了该模糊自整定PID参数控制系统的 计算机仿真. 关键词:模糊控制;

P1D控制;

MATLAB;

SIMULINK;

计算机仿 真 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1帅S-0570(2005)12-1-0061―03 Abstract:Aiming at the problem of realizing PID control with self-organizing parameters in cornplex system,a design scheme of PID parameter self――organizing eontraller based On fuzzy COIl- tral principle is put forward.The organic combination of Fuzzy Tb01box and SIMULINK realized the computer simulation of this P1D fuzzy control system. Keywords: Fuzzy Logic control;

PID control;

MATLAB;

S蹦ULINK;

Computer sinlulation 1引言 控制系统计算机仿真是对控制系统进行科学研 究的十分重要的手段.通过计算机仿真来对比各种控 制策略和方案,优化并确定相关参数、以获得最佳控 制效果.是多年来控制系统设计尤其是新型控制策略 与算法研究中必不可少的技术.模糊自整定PID参数 控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延 迟和干扰等因素进行检测分析,采用模糊推理的方法 实现PID参数K.、K.和K.的在线自整定,不仅保持了 常规PID控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强 等优点.而且具有更大的灵活性、适应性、控制精度更 好,是目前较为先进的一种控制系统. 采用MATLAB对模糊自整定PID参数控制系统 进行计算机仿真可快速方便地实现多种规则和参数 的准确仿真效果,极大地提高模糊自整定PID参数控 制系统设计的效率和准确性. 2模糊自整定PID参数控制策略与 整定原则 杨咏梅:硕士研究生 国家自然科学基金资助项目(G0501080160302001) (成都电子科技大学)杨咏梅陈宁 Yang,Yongmei Chen,Ning 2.1模糊自整定PID参数控制策略 以常规P1D控制为基础,采用模糊推理思想根据 不同的E和Ec对PID参数进行在线自整定.按这种 思想构成的控制系统由两部分组成,即常规PID控制 部分和模糊推理的参数校正部分,如图1所示. 一图1模糊自整定PID参数控制系统框图 PID控制作用可用以下位置式算式来描述:u(k)= K-+E(k)+K一4苫E(i)+KD4EC(k).其中:E(k),∑E(i),EC (k汾别为系统偏差,偏差和与偏差变化率.K,、K.、K. 分别为比例系数、积分作用系数、微分作用系数,分别 影响系统的响应速度、稳态精度和动态特性.应用模 糊集合理论建立参数K,、K.、K.与系统误差绝对值吲 和误差变化率绝对值IEcl之间的二元连续函数关系,并 用模糊控制器根据不同的吲和IEcl在线自整定PID参数.是该控制系统设计的核心. 由于PID控制的鲁棒性以及模糊控制器的灵活 性使得PID参数的调整对各自初值的精度要求并不 高.因此可以先由常规PID对系统进行控制,不要求 系统性能指标均满足要求,只要保证系统稳定即可, 就可以把这组PID参数值作为初始值,然后再由模糊 推理得出的校正量对PID参数进行细调以使系统性 能指标达到要求. 2.2 PID参数整定原则 有关的专业文献归纳了系统在被控制过程中对 于不同的lEl和IEcl,参数KP、K.、KD的整定原则: a.当吲较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,应 取较大的KP与较小的K.,同时为避免系统响应出现 较大的超调.应对积分作用加以限制,通常取KI=0. b.当JE|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.在这种情况下,K.的取值对系 统响应的影响较大、K的取值要适当. C,当吲较小时,为使系统具有较好的稳定性能, KP与K.均应取得大些.

电话:010-62132436.62192616(T/F) l'

嵌入式系统应用精选200例)l ,¨、 中国自控网:http://www.autocontr01.on t譬蜀自控网邮局订阅号:82.946 360元/年一61― 万方数据 同时为避免系统在设计定值附近出现振荡,K.值 的选择根据IEcl来确定:当IEcl值较小时,K.取大一些. 当IEc[值较大时,K.取较小值,通常K.为中等大小. 3模糊肿控制器的设计 3.1模糊控制器的算法设计 在本设计方案中.PID参数自整定的思想就是先 找出PID控制器的三个参数KP、K.、KD与误差绝对值1 EI和误差变化率绝对值IEcl之间的模糊关系,在运行中 通过不断检测吲和IEcl,在根据模糊控制规则来对三 个参量进行在线修改,以满足不同吲和IEcl对控制器 参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动,静 态性能. (1)输入输出变量的确立 基于对系统的上述分析,我们将误差E和误差变 化率Ec作为模糊控制器的输入.PID控制器的三个参 数KP、K、K.作为输出. (2)输入、输出变量的模糊语言描述 设定输入变量吲和IEcl语青值的模糊子集为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大1,并简记为{NB, NM,NS,ZO,PS,PM,PB},将误差E和误差变化率Ec量 化到(一3,3)的区域内.同样,设计输出量KP、K

1、K. 的模糊子集为{ZO,PS,PM,PBl,并将其量化到区域(0, 3)内.输入输出变量的隶属函数曲线分别如图2中(1)、(2)所示. (1)输入E、Ec的隶属函数曲线

0 0.5 I.0

1 5

20 2

5 3

0 (2)输出KP、KI、KD的隶属函数曲线 图2隶属函数曲线图 (3)模糊控制规则表 根据上述的PID参数整定原则及专家经验,可以 列出输出变量KP、KI、KD的控制规则如表1-3所示. 3.2模糊控制器的编辑 表1 Kp控制规则表 表2 K一控制规则表 lecl丁乎Lirf . F乎L丽―丁 ―丁―i1―百丁―f―可弋ri―r S B B M B S B M Z Z M B B M B M B B S Z 曼坚坚!!旦望墅!;

表3 K.控制规则表 kl F乎L矿矿 Z Z S M B S Z S M B M Z S M B 曼圣兰坚!在MATLAB命令窗口运行Fuzzy函数进入模糊 逻辑编辑器,并建立一个新的FIS文件,选择控制器类 型Mamdani型,根据上面的分析分别输入E、Ec、KP、 KI、KD的隶属函数和量化区间,以I￡….then的形式输 入模糊控制规则.取与(and)的方法为min,或(00的方 法为max.推(implication)方法为rain,合成(aggre― gatin)方法为max,非模糊化(defuzzification)方法为重 心平均(centroid),这样就建立了一个FIS系统文件,取 名为f.fis.在MATLAB的M文件编辑器里建立一个名 为fpid.m的文件,其内容为:matrix=readifs(7 f.fis'

);

这 样就完成了模糊工具箱同SIMULINK的链接,为整个 控制系统的建立打下了基础. 3.3 PID控制器的确立 本系统中的PID控制器有5个输入量:E、Ec、KP、 K和K.,而输出即为控制量u(n),它的控制算法为U (n)=Kr{E(n)+T/Ti∑iE(i)+Td/T[E(n)-E(n-1)]l=K出(n)+ KI∑E(i)+KD[E(n)一E(n一1)]}o其中,u(n)、E(n)分别为第 n个采样时刻控制器输出(控制量)和输入量(误差信 号),KP为比例增益,Ti、Td分别为积分、微分时间常 数,T为采样周期,KI=KP(TtqTi),KD=KP(T,Vr).根据以 上数学模型.在SIMULINK里面很容易建立起PID控 制器模型. 4模糊自整定PID参数控制系统仿真 在SIMULINK环境对图1所示的模糊自整定PID 参数控制系统编辑,得到如图3所示的系统仿真框 图.在系统仿真时,我们选择被控对象的传递函数为: G(s)=l/(2Sz+3s+1).然后按SIMUL]NK仿真的正确步骤 选择计算步长、模拟示波器X/Y轴参数等进行仿真运 算. 系统运行后.可以利用示波器观察输出的情况. 得到如图4和图5所示的曲线.图4所示的曲线时常 规PID控制系统响应曲线.图5所示的曲线是模糊自 整定PID参数控制系统响应曲线. 5结论 a.模糊自整定PID参数控制系统中的参数K,、K. 中国自控网:http://www autocontrol com.crl 62―360元1年邮局订阅号:82_946

电话:010-621―32―436,62192616(T/F) 111堕塑!!塑旦垫!型! 万方数据 控制系统医亟面霾要匿画匿墓至亚蓟 和K.对系统影响极大.应适当选择这3个参数的论 学院研究生导师,高级工程师,主要研究方向是计算 域以获得最佳的PID控制特性,应避免因K,、K.和KD 机测量与控制. 论域值选择不当而出现系统振荡的现象.(610054成都电子科技大学机械电子工程学院)杨咏梅 图3模糊自整定lid参数控告I系统仿真框图 b模糊控制器的控制规则对模糊自整定PID参数 控制系统中的参数影响较大.这将直接影响系统的调 节效果.应对模糊控制器的FIS规则语句的权值和控 制规则表作适当的修改和调整. 图4 PID控制系统响应曲线 图5模糊自整定PID参数控制系统响应曲线 c.采用Fuzzy和PID复合控制的算法,系统的响 应速度加快、调节精度提高、稳态性能变好,而且没有 超调和振荡.具有较强的鲁棒性.这是单纯的PID控 制难以实现的,它的一个显著特点就是在同样精度要 求下,系统的过渡时间变短,这在实际的过程控制中 将有重大的意义. 实践证明,Fuzzy Logic Toolbox可以方便地通过编 辑FIS文件来设计模糊控制器,可以灵活地设定和修 改控制器参量,从而找到最优方案.而SIMULINK可 以非常直观的构造控制系统并观察其结果.实验结果 表明.MATLAB中的工具箱和SIMULINK是进行计算 机仿真的有力工具. 参考文献: 【1]楼顺天,胡昌华,张伟基于MATLAB的系统分析与设计――模糊系 统[M】.西安:西安电子科技大学出版社,2001.5 [2】刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M]北京:电子T业出版 社.2003.1 作者简介:杨咏梅,女,1976年,汉族,四川自贡人,电 子科技大学机械电子工程学院测量与控制专业硕士 研究生.e mail:y__y m@sina.corn;

陈宁,女,1951年, 汉族.山东威海人.成都电子科技大学机械电子工程 陈宁 通讯地址:(610054成都电子科技大学机械电子工程 学院2003级硕士研究生班)杨咏梅 (投稿日期:2005

5 27)(修稿日期:20056.2) (接第144页) case 的选择条件,以此得到解调后的二 进制序列.图5为弗停变换电路的框图程序.

4 DQPSK虚拟调制解调的实现效果 DQPSK虚拟调制解调电路的前面板效果图如图 6所示.输人二进制序列码长为8,DQPSK信号调制后 共产生5个周期的波形.其中第一个周期为参考波 形.输入的二进制序列按双比特码元分为lo、

00、1

1、 01.其对应的相位变换应为∞d

2、

0、w、3,n/2,与产生的 波形相比.可知结果是正确的. 5结束语 LabVIEW作为目前国际上唯一的编译型图形化 编程语言.有很强的工程实用性和商业性,广泛应用 于工业控制、测控、仿真等领域.用LabVIEW软件来 虚拟DQPSK硬件调制解调电路.既完........