摘要：本文把MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIMULINK結(jié)合起來，討論了模糊邏輯控制器的設(shè)計與仿真問題，以實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自調(diào)整，提高系統(tǒng)控制的精度。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制器明顯改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)控制達到了滿意的效果，對系統(tǒng)控制和系統(tǒng)的調(diào)整具有一定理論價值。
關(guān)鍵詞：模糊PID控制器；SIMULINK；參數(shù)調(diào)整；仿真
0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象隨著負荷變化或干擾因素的影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而且現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程往往都是時變、非線性、大時滯的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的精確數(shù)學模型往往難以獲得，經(jīng)典的PID控制方法遇到了難以克服的困難，而且在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于常規(guī)PID參數(shù)整定方法繁雜，其參數(shù)整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應性差。
人們一直在尋求PID參數(shù)調(diào)整的自適應技術(shù)，以適應復雜的工況和高指標的控制要求。隨著控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作經(jīng)驗作為知識存入計算機中，根據(jù)現(xiàn)場實際控制情況，計算機能根據(jù)工況和控制要求自動調(diào)整PID參數(shù)，實現(xiàn)PID的智能控制。本文將模糊控制與PID控制結(jié)合起來，構(gòu)造自適應模糊PID控制器，實現(xiàn)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以增強系統(tǒng)對不確定因素的適應性。
1 自適應模糊PID控制器的設(shè)計
以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理理論，將被控制量的偏差e和偏差變化率ec作為二維模糊控制器的輸入變量，通過模糊控制器的輸出變量，利用模糊控制規(guī)則在線調(diào)整PID各參數(shù)，便構(gòu)成了自適應模糊PID控制系統(tǒng)。自適應模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，PID控制器的三個控制參數(shù)kp，ki，kd作為輸出。設(shè)定輸入變量偏差e和偏差變化率ec語言值的模糊子集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，并簡記為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。輸入輸出變量的隸屬度曲線如圖2～圖4所示。偏差e和偏差變化率ec的論域定為[-3，3]，輸出參數(shù)kp的論域定為[-0．3，0．3]，ki的論域定為[-0．08，0．08]，kd的論域定為[-3，3]，隸屬度函數(shù)NB、PB選為高斯函數(shù)，其余選為在論域范圍內(nèi)均勻分布、等距離的三角函數(shù)。
2 模糊PID控制器的控制規(guī)則設(shè)計
通常，PID控制器的控制算式為：
針對不同的偏差e和偏差變化率ec，被控過程對參數(shù)kp,ki,kd的自整定要求滿足以下規(guī)律：
(1)當偏差|e|較大時，應取較大的kp和較小的kd，以加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的靈敏度；
(2)當偏差|e|中等時，應取較小的kp以及適當?shù)膋i和kd，以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量，獲取系統(tǒng)良好的相對穩(wěn)定性：
(3)當偏差|e|較小時，應取較大的kp和ki以及適當?shù)膋d，以避免在平衡點附近出現(xiàn)震蕩，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。
模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到針對參數(shù)kp,ki,kd分別整定的模糊控制表，如表1所示。
3 SIMULINK仿真
打開MATLAB文件編輯器，編寫M文件。在M文件中創(chuàng)建模糊控制系統(tǒng)接口，增加模糊語言變量(二個輸入、三個輸出)，并設(shè)定各變量的論域及模糊推理規(guī)則，給定輸入，根據(jù)模糊推理得到輸出。編寫出模糊控制規(guī)則fuzzypid．fis。運行所編寫的模糊控制規(guī)則，并將控制規(guī)則導入工作空間。在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下，建立仿真模型，并將Fuzzy Logic Controller模塊的參數(shù)設(shè)定為fuzzypid．fis，就建立了系統(tǒng)的模糊PID參數(shù)自調(diào)整系統(tǒng)。
設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為
建立系統(tǒng)的SIMULINK模型如圖5所示。
設(shè)定PID參數(shù)的初始值分別為kp=0．35，ki=0．0，kd=1，并在第0．32s時加上數(shù)值為1的強干擾，采用模糊自適應PID控制的階躍響應如圖6所示。
從仿真結(jié)果可以看出，模糊自適應PID控制器系統(tǒng)具有良好的快速性和穩(wěn)態(tài)控制精度，并且抗干擾能力強。在常規(guī)PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，應用模糊控制推理系統(tǒng)，查詢模糊矩陣表對系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)整，在動態(tài)過程中改變PID的參數(shù)，較好地發(fā)揮了兩種控制方式的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。同時，在系統(tǒng)仿真實驗過程中，可以看出應用SIMULINK仿真軟件的方便之處，仿真簡單、速度快，而且模糊控制規(guī)則以及系統(tǒng)的論域、隸屬度函數(shù)調(diào)整方便，容易實現(xiàn)。
4 結(jié)語
采用模糊自適應PID控制算法，系統(tǒng)的響應速度加快，控制精度提高，穩(wěn)態(tài)性能變好，而且?guī)缀鯖]有超調(diào)和震蕩，魯棒性好。這是單純的PID控制難以實現(xiàn)的，而且采用模糊PID控制的顯著特點是在同樣精度要求下，系統(tǒng)的過渡過程時間變短，靈敏度提高，這些具有重要的實際應用價值。
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