模糊PID控制器的设计

李珍珍，朱浩铭

（1.广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004；2.南宁学院 机电与质量技术工程学院，广西 南宁 530200）

1 PID控制器的结构与原理

PID控制算法中P（Proportional）指的是比例环节，其作用是将控制系统中产生的偏差信号成比例地反映出来，以达到当偏差一旦产生就可进行控制；I（Integral）指的是积分环节，其作用是消除系统静差并提高系统的无差度；D（Differential）指的是微分环节，其作用是加快系统的动作速度，减少调节时间[1]。

PID控制器作为一个常见且应用广泛的线性控制器[2]，其结构如图1所示。

2 模糊控制的原理与模型

模糊控制是一种智能控制，其结构上的组成类别和计算机控制系统有一定的相似性，类同于常见的离散控制系统[3]，其模糊控制系统的结构如图2所示。

图1 PID控制器的结构图

基于模糊控制的系统组成主要有4部分。

图2 模糊控制系统的结构图

（1）输入/输出的接口装置，常用的是模/数（A/D）、数/模（D/A）转换。对于输入装置中使用A/D转换，目的在于使控制器可以通过接口获取离散信号；对于输出装置中使用D/A转换，目的是将离散信号转换为连续信号，便于送达于下位机，并控制被控对象。除了常见的A/D、D/A转换外，还会使用电平转换装置等。

（2）模糊控制器是实现模糊控制技术的关键核心部分。

（3）广义上的被控对象包括被控对象和下位机执行机构。

（4）传感器的作用是将不易检测的物理信号转化为容易检测的电信号，并传输回上位机，形成一个闭环回路，构成闭环系统。

模糊控制器的内部结构[4]如图3所示。

图3 模糊控制器的结构图

模糊控制器可简单区分为一维控制器、二维控制器、三维控制器以及多输入的多维控制器等，一到三维的模糊控制器的结构以及输入与输出之间的关系如图4所示。

图4 一到三维的控制器结构

3 模糊PID控制器的设计

模糊PID控制器的系统结构如图5所示[5]。模糊控制器把误差e与将其求导后得到的误差变化ec作为双输入端，把比例系数KP、积分系数Ki、微分系数Kd作为三输出端；其工作原理为将e与ec输入进模糊控制器进行模糊推理运算，在得出KP、Ki、Kd后，将结果传到PID控制器中运算。误差e也作为输入端进入PID控制器运算，最终通过综合运算得出输出量C[6]。

4 模糊PID下的仿真实验与数据

在MATLAB的命令行窗口中输入“fuzzy”一词，即可打开MATLAB中的模糊逻辑工具箱。根据实际要求更改输入和输出的个数，由于模糊控制器由误差e与误差变化量ec作为模糊控制器的输入变量，而KP、Ki、Kd作为模糊控制器的输出变量，故选用双输入三输出的结构，如图6所示。

图5 模糊PID控制器的结构图

图6 模糊逻辑工具箱界面

将设置好的模糊控制器应用在Simulink中，选择好模块后即可以获得模糊PID的仿真模型结构[7]，如图7所示。

图7 模糊PID系统Simulink仿真结构图

PID控制器选用的参数整定方法是Chien-Hrones-Reswick整定法。给予该系统一个阶跃函数[8]，得到的仿真结果如图8所示。

由图8可知，模糊PID控制系统与系统自身的传递函数、普通的PID控制器控制结果相比，其超调量明显更小、调节时间更短，从而更快进入稳态，且得到的仿真波形在调节时间内的波动更少等[9]。

5 结 论

本文设计复合型的模糊PID控制器，多端变量输入，经实验仿真论证了本设计拥有实际使用的可行性、调节时间更短及波形波动更少等特点。

图8 模糊PID控制器的仿真结果