模糊PID控制仿真研究

张天吉，石晶，刘武通，张宁

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

模糊PID控制仿真研究

张天吉，石晶，刘武通，张宁

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.030

模糊控制对一些非线性、时变性的控制系统具有较强的适应性，但它的稳定控制精度相对较差一些。常规的PID控制具有算法简单，稳定性好的特点。模糊PID控制使二者优点相结合，响应速度更快，稳定性更高，可靠性更强。

模糊控制；模糊PID控制；PID控制

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-93-03

引言

常规PID控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高的特点，加之设计容易、适应面宽，是过程控制中应用最广泛的一类基本控制器。但是工业生产过程中被控对象的负荷多变、干扰因素复杂，要获得满意的控制效果，就要对PID的参数不断的进行在线调整。有时由于这些参数的变化无常，往往没有确定不变的数学模型和规律可循，利用模糊控制器调节它们不失为一种实用、简便、可行的选择[1]。本文将模糊控制技术与PID控制技术相结合，建立了模糊自适应PID控制系统，运用模糊推理实现对PID参数的实时调整，文章通过SIMULINK模块对其进行了仿真，与常规PID控制相比，控制效果明显提高。

1、模糊自适应PID控制系统

1.1 常规PID控制器

常规PID控制系统是生产过程中一种最普遍采用的控制方法，将误差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被空对象进行控制[2]，控制原理图如图1所示。

图1 PID控制系统原理框图

PID控制器算法的表达式如下：

式中：kp为比例系数；Ti为时间积分常数；Td为微分时间常数。

PID控制器各个校正环节的作用如下[3]：

比例环节：成比例的反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

微分环节：反应偏差信号的变化趋势（变化速率），调节误差的微分输出，误差突变时，能及时控制，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

1.2 模糊自适应PID控制器参数整定原理

模糊自适应PID控制就是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，运用模糊推理，既可自动实现对PID参数的最佳调整。模糊自适应PID控制器的结构图如图2表示。

图2 模糊自适应PID控制器结构图

由上图可知，将误差e及误差变化率ec输入到模糊控制器中，经过模糊化、推理和解模糊，把修正的参数△kp、△ki、△kd分别输入到PID控制器中，根据系统的状态对三个参数进行实时调节。计算公式如下[4]：式中、为PID初始参数，其值为=8，=0.2，=0.15。△kp、△ki、△kd为系统完成每次对PID参数调节量的求和。

2、MATLAB仿真

在MATLAB中，SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和多位分析的交互工具，SIMULINK为用户提供了方框图进行建模的图形接口，使得仿真更直观、方便灵活。

2.1 隶属函数的确定

利用MATLAB软件模糊逻辑工具箱建立各变量的隶属函数。本文系统所采用的是双输入三输出的模糊控制器，如图3所示。

图3 输入、输出模糊控制器

输入为误差e和误差变化率ec，输出为△kp、△ki、△kd。输入与输出的论域均为{-3 3}，模糊集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。输入e、ec服从高斯隶属函数分布，如图4所示。输出△kp、△ki、△kd服从三角函数隶属分布，如图5所示。

图4 e、ec隶属函数分布图

图5 △kp、△ki、△kd隶属函数分布图

2.2 模糊控制规则

根据专家的实际操作经验和知识总结模糊控制规则表，如表1所示。

表1 △kp模糊控制规则表

表2 △ki模糊控制规则表

表3 △kd模糊控制规则表

2.3 系统仿真

Study Of Fuzzy PID Control

Zhang Tianji, Shi Jing, Liu Wutong, Zhang Ning
( Liaoning university of technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

The fuzzy control has strong adaptability for some nonlinear and time-varying control system, but it’s stable control accuracy is relatively less.The normal PID control algorithm with simple and good stability characteristics.Fuzzy PID control combine both advantages of faster response,higher stability and reliability.

Fuzzy control; Fuzzy PID control; PID control

U462.1

A

1671-7988(2017)02-93-03

张天吉，男，学术型硕士研究生，（1989.9-）就读于辽宁工业大学汽车与交通工程学院，专业：车辆工程。