第 36卷 第 1期 2O09年 3月 文 章 编 号 ：10OO一9833(20O9)Ol一[)()85 O4 Vo1．36，No．1 M ar．，20O9 基 于 MATLAB的模 糊 参 数 自整 定 PID控 制 器 的仿 真研 究 韩 宝江 ，张 伟 ，康 尔 良 (哈尔 滨 理 工 大 学 电气 与 电 子 工 程 学 院 ，哈尔 滨 15【)O4O) ～ 黑 H 龙 n 江 摘 要 ：介 绍 了 用 模 糊 推 理 的 原 则 进 行 PID参 数 的整 定 方 法 ，并 利 用 M ATIA B语 言 编程 与 SIMuI INK 仿 真 相 结 合 的 方 法 ，实 现 了模 糊 自整 定 PID 控 制 器 与 常 规 PID控 制 器 的仿 真 与 比较 。仿 真结 果 表 明 ，模 糊 自整 定 PID控 制 器 改善 了 系统 的 动态 性 能 ，具 有 更 强 的 实 用 性 。 关 键 词 ：模 糊 自整 定 PID；MATLAB语 言 编 程 ；sIM uI INK；仿 真 水 中图 分 类 号 ：TP273 文献 标 识码 ：A 专 学 二兰 报 一 Simulation Study of Fuzzy Se1f—adj usting PID Control1er Based 0n M A TLA B HAN Ba0_jiang，ZHANG W ei，KANG Er_Ijang (College of Electrical& Electronic Engineering，Harbin Univ．of Sci．and Tech．，Harhin 15OO4O，China) Abstract：This paper introduces a method of PID parameters adj usting using fuzzy deducing principle，and g by combining M A TLAB language programm ing and SIM U I INK sim ulation together，com pares fuzzy self_ adj usting PID controller to routine PID controller in simulation．The simulation result shows that fuzzv self_adj usting PID controller which is more practical，improves system dynamic capability． Key words：fuzzy self_adj usting PID；MATI AB language programme；SIMULINK；simulation PID控 制是 最 早 发 展 起 来 的 控 制 策 略 之 一 ，由 于其 具有 结 构简 单 ，稳 定 性 好 ，可 靠 性 高 等 优 点 ，广 与 给定 值 的误差 E 和 误 差 变化 率 EC 作 为输 人 ，根 据模 糊 推理 的思 想 对 PID 控 制 器 的 参 数 忌 、忌 、尼 泛应 用 于工业 控 制 过 程 。但 是 ，PID 控 制 要 求 被 控 进行 在 线整定 ，以满 足 不 同控 制 系 统对 控 制精 度 的 系统 模 型结构 非 常精 确 ，而在实 际的应用 中 ，大 多数 工业 过程 不 同程度 的存 在 着 非 线 性 、参 数 时变 性 和 模 型 不 确 定 性 ，这 时 常 规 PID 控 制 就 显 得 无 能 为 力 ，往 往整 定不 良 、性 能 欠 佳 ，对 运 行 工 况 的适 应 性 差 。要 想取 得 良好 的控 制 效 果 ，必 须 离 线 或 在 线 整 定 PID控 制器 的参 数 ，使之 具 有 合理 的数 值 。本 文 根 据模 糊控 制 原理 ，设 计 了一 种 参 数 自整定 PID 控 制 器 ，把人 的判 断技 巧 与直 觉 推 理 能 力 加 入 到 控 制 系 统 的设 计 中去 。基 于 MATLAB 的 仿 真 结 果 表 明 ，与 常 规 PID控 制 系 统 相 比 ，该 设 计 能获 得 更 优 需要 。控制 系统 结构 由两部分 组 成 ，即 常规 PID控 制部 分 与模糊 推 理 的参数 校正 部分 ，见 图 1。 图 1 模 糊 参 数 自整 定 控 制 器 的结 构 框 图 的鲁棒 性和 动 、静 态 性及 具有 良好 的 自适应 性 。 Fig．1 Structure bIock diagram of fuzzy self_a djusting c。ntr0ller 1 模糊 参数 自整 定 PID控 制器 的 设计 PID控制 作用 可 用 以下 的位置 式算 式来 描述 1．1 模糊 PID参数 自整定 方法 概述 (走)一是pE(走)+是 2 E(尼)+ dEc( ) 以常规 PID控 制 为基 础 ，以被 控 对象 的反 馈 值 ^ 一 0 收 稿 日期 ：2OO8一O9一O9 作 者简 介 ：韩 宝江 (1977一)，男 ，黑 龙 江 密 山 人 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 电机 控 制 ，E—mai1：ha。er_985323O@ 163．com。 式 中 E(是)，∑E(走)，EC(是)分别 为系统 偏差 ，偏 差和 与偏差 变 化率 ；尼 、是。、 分别 为 比例 系 数 、积分 作 用 系数 、微分 作用 系数 。且 是 、志 、是 由以下各 项决 定 

86 黑 龙 江 水 专 学 报 第 36卷 是 一 △走 + {E，，E( } 是 一 △走 + {E ，EC } 走d一 △走d+ {E ，E ，} 设 E，EC和 是 ，是 ，是 均 服从正 态 分布 ，可 得 出 各 模糊 子集 的隶属 度 。曲线 图形在下 面 的仿 真过程 中将 给出 。 其 中 {E ，EC ) ，{E ，EC }，，{E ，EC } 为模 糊 推理 1．3．2 控制 规则 表的建 立 的结 果 ，即参数 的调整 量 ；△是 ，△是 ，△是 分别 为 参数 根 据 1．2所 归纳 的参数 整定 原 则 ，加上 工 程技 的初 始值 。 术 人员 的操 作经验 和 专 业 知识 ，列 出参数 调 整 控制 关 于初始值 的确定 ，PID参 数 自调 整 对 初始 值 规 则表 见表 l～表 3。 的要 求并 不高 ，因为 PID控 制 的鲁棒 性 和模 糊 控制 的灵 活 性 ，可 以先 用 常 规 PID 方 法 对 系 统 进 行 控 制 ，不需要 系统 各性能 指标 均达到 要求 ，只要 系统 到 达 稳定状 态 ，即可将 这组 参 数作 为 P1D 参数 调 整 的 初 始 值 。然后 再 用 模 糊 控 制 对 PID 参 数 进 行在 线 细调 ，使 系统性 能指标 达 到要求 。 1．2 PID参数 的整 定原 则 按 照系 统 时 时 变 化 的偏 差 E 和 偏 差 变 化 率 EC，根据经验 ，介 绍 是 、是 、是 的整 定原 则如 下 ： 1)当偏 差 E 较 大 时 ，误 差 较 大 ，为 使 系 统有 较 快 的响应 速度 ，应 取较 大 的 忌 ；为 了 防 止 偏 差 变 化 率 EC瞬时过 大 ，应 取较 小 的 七 ；为 了避免较 大 的超 调 ，应对 积分作 用加 以限制 ，通常 取 ===O。 2)当偏 差 E处 于 中等大 小 时 ，为使 系 统相 应 具 有较 小 的超调 ，忌 应取 得小 些 ，走 取 值要 适 当 ，这 时 取 值对 系统 影 响较 大 ，取值 应 大小 适 中 ，以保证 系统 的相 应速度 。 3)当偏 差 E较小 时 ，为使 系统具 有 较 好 的稳定 性 ， 与 是 均应 取 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 ，应 适 当地 选 取 忌 值 。是 值 的选 择 根 据 偏差 变 化 率 EC 值来 确定 ，当 EC较大 时 ，忌 取 较小 值 ，当 EC较 小 时 ，是 取 较大值 ，一般 情况 下 ，是 为 中等 大小 。 1．3 模糊 控制 器 的设 计 1．3．1 输 入输 出变量 隶属 函数 的确定 模糊 控制器 的输 入 变 量 为 偏 差 E 和 偏 差 变 化 率 EC，规 定它们 的论 域为 ： {E，EC}一 {一 3，一 2， 1，O，1，2，3} E和 EC 的模 糊 子集为 表 1 的 模 糊 控 制 规 则 表 TabJe l FuZzy c0n￡r0l rules 0f 2 MATI AB语 言编 程及仿 真 控 制 系统 的计 算机 仿真是 应用 现代科 学手段 对 {NB，NM ，NS，Z，PS，PN，PB) 控制 系统进 行科 学研究 的十分 重要 的手段 之一 。到 子集 中元素 分别 代 表 负 大 ，负 中 ，负 小 ，零 ，正小 ，正 目前 为止几 乎所有 的控 制系统 的高品质控 制均 离不 中 ，正大 。 开 系统仿真 的研究 。MATLAB软 件 应该 说是 仿 真 模糊 控制器 的输 出变 量为 尼 、走 、走 。 软件 中的佼 佼 者 ，它 以功 能 强 大 、操 作 简单 等 特 点 其 中 忌 的论域 为 { O．3，一0．2，一O．1，O，1，2，3} 受到 广大科 研人 员的青 睐 。本 文应 用 MATLAB语 是 的论 域 为 {一0．06，一0．04，一0．02，0，O．02，0． 言编 程与 SIMUI INK相 结 合 的方 法 对模 糊 自适 应 O4，0．06} PID控制 系统进 行模 拟仿真 研究 。 走 的论 域 为 {3，一2，～1，0，1，2，3} 2．1 MATI AB语言 编程 ，尼 ， 的 模 糊 子 集 均 为 {NB，NM ，Ns，Z， 按编程 顺序 ，仿真 程序 主要 由 5个 部分组成 ：① PS．PN 。PB) 仿真 模型 和仿真 初值 的给定 部分 ；②语 言变 量及 其 

第 1期 韩 宝江 ，等．基 于 MATLAB的模 糊 参数 自整定 PID控 制 器 的仿 真研 究 87 隶 属 函数定 义 部分 ；③ 规则 列 表 矩 阵 定 义部 分 ；④ 仿 真计 算部 分 ；⑤ 仿 真 图形 的输 出部分 。编 程语 句 部 分如 下 ： a—neⅥ s(‘fL ypid’)； 建立一个新推理 系统 a—addvar(a，’input’，’E’，[一3，3])； 添 加 输入 变量 E a—addmf(a，’input’，1，’NB’，’zmf’，[一3，一 1])；9／6添加 一个 隶 属 函数 a2一 readfis(‘fuzzypid’)； figure(1)； plotfis(a2)； figure(2)； plotm f(a，’input’，1)； 运 行 plotfis(a2)，可 在 MATLAB 中得 到 模 糊 推理 系统 ，见 图 2。 图 2 基 于 MA rI AB得 到 的 模 糊 推 理 系 统 Fig．2 Fuzzy consequence system based on M ATLAB 将 图 1保 存 为 MATLAB figure file a2，以供 下 面建 立 系统仿 真模 型使 用 。 运行 plotmf(a，’input’，1)可 以得 到 输 人 变 量 的隶属 度 函数 曲线 ，见 图 3。 图 3 输入变量 E的隶属函数曲线 Fig．3 subjection function curve 0f import variable E 在 MATLAB下 运 行 showrule(a)，可 以得 到 49条模 糊 规则 ： 1． If(E is NB) and (EC is NB) then (志 is PB)(是 is NB)(志 f is PS) (1) 2． If(E is NB) and (EC is NM ) then (志 is PB)(志 is NB)( is NS) (2) 3． If(E is NB) and (EC is NS) then ( 。is PM )(是 is NM )( is NB) (3) 2．2 SIMULINK 仿 真模 型 的建立 被 控 对 象 为 一个 电机 模 型传 递 函数 ，它 的近似 模 型 为 b … 】 了了 瓦 式 中 一O．006 7；B—O．10。 在 MATLAB／SIMUI INK 图 形 化 建 模 环 境 下 ，利用 系 统仿 真 基 本 模 块 搭 建 了模 糊 自整 定 PID 系 统仿 真模 型 ，并 且 同 时搭 建 了常 规 PID控 制器 的 仿 真模 型 ，可 以在 同一 运 行 环 境 中得 到 两种 控 制 方 法 的控 制结果 ，并 将其 比对 ，两 种模 型见 图 4。 图 4 模糊 自整定 PID与 常规 PID控制 系统仿 真模 型 Fig．4 Control system simulati0n mode1 of fuzzy self_adjusting PID and general PID 

88 黑 龙 江 水 专 学 报 第 36卷 双 击 子 系 统 Subsystem 可 以看 到 参 数 调 整 后 PID控 制器模 型 ，见 图 5。 图 5 模 糊 自整 定 子 系统 的仿 真 模 型 Fig．7 Simulation waveform of fuzzy sel}adjusting PID contrOl Fig．5 simulation model of fuzzy sclf_a djusting subsystem 用模 糊 自整 定 PID 控 制 ，最 大超 调 量 为 1．13 ，调 参 数初 始值 ， 。， 通过 凑试 法初 步确 定 节 时间为 3 s。试 验 结 果 表 明 ，与 常规 PID 控 制 方 为 △ 一 1，△是 一 O，△忌 ==1。 双 击 Fuzzy I ogic 法 相 比 ，模 糊参数 自整定 PID 控制 方 法具 有 更小 的 图 7 模糊参数 自整定 PID控制的仿真波形 Control1er模块 ，在 FIS File or Structure中输 人 上 1 1 0 0 O 0 面所 保存 的文 件 名 a2，然 后 运 行 系 统 ，可 以看 到 模 4 2 2 O 4 O 8 6 超 调量 ，更 快 的响应 速 度 。系 统 无论 是 动 态 性能 还 是 静态性 能都得 到很 大 的改 善 ，更 能满 足 系 统 的应 糊参 数 自整定 PID控制 和常规 P1D控 制 的结 果 。 用需求 。 3 仿真 结果 4 结 语 为仿 真 结果 方便 起 见 ，把输 入 设 为单 位 阶跃 信 本文将 鲁 棒 性 较 强 的 模 糊 控 制 与 常 规 PID控 号 ，起 始 时间从 0 s开始 ，目标 值 为 1，采 样 时 间为 1 制 两种方 法结 合 起来 ，建立 了模糊 参 数 白整 定 PID m S。 控 制 器 ，并 且 基 于 MATLAB／SIMUI IK 环 境 对 这 系统 运 行后 ，可 以在示 波 器 中看 到 系统 运行 的 种 控制器 进行 了仿真 研究 ，给 出系统控 制波形 曲线 。 结果 ，图 6，图 7分别 给 出常规 PID控制 系 统 的控制 在 此基 础上 与 常 规 PID 控 制 方 法 得 到 的结 果 曲线 结果 和模糊 自整 定 PID控 制 系统 的控制结 果波形 。 相 比较 ，得 出了一 系 列 结论 。本 文 最 大 的特 点 是巧 妙 地运 用 了 MATI AB语 言编 程 与 SIMULINK 仿 真 模型相 结 合 的 方 法 ，既 克 服 了在 SIMULINK 模 型 中输 入模糊 控制 器 控 制规 则 复 杂 的缺 点 ，又 使仿 真过程 清晰 明 了 。若 广 泛 应用 ，对 于简 化 复杂 的仿 真系统 ，将是 一种行 之有效 的途 径 。 参考 文献 ： [1] 陶永华．新型 PID控制及其应用 [M]．北京 ：机械工业 出版社 ， 2OO3． [2] 李 楠 ，孟 庆 春 ，付 晓 峰 ．基 于 参 数 自整 定 模 糊 PID 控 制 策 略 的电机模型仿 真研究 _J]．机 电工程技术 ，2OO4，33(9)：55—57． [3] 冯冬青 ，谢宋和．模 糊智能控制 [M]．北京 ：化 学工业 出版社 ， 1998． 图 6 常规 PID控制的系统仿真波形 Fig．6 Simulation wavefOrm of generaI PID c0ntrol 通 过对 以上波形 的对 比分析 ，可 以看 出 ，将模糊 [4] 方一鸣．基于 MATI AB的模糊 控制系统仿 真[J]．自动化与 控 制与 PID控 制 结 合 在 一 起 可 以 获 得 很好 得 控 制 效 果 。由 图 6可 见 ，使 用 常 规 PID控 制 器 ，最 大超 调 量为 32 ，调节 时间为 7．4 s。而 由冈 7可 见 ，使 仪 器 仪 表 ，2(J()O，(2)：19 21． [5] 顾生杰 ，刘春娟．基于模糊 自整定 PID控制器的非线性系统仿 真 rJ]．兰州 交通 大学 学 报 ，2OO4，(3)：62—64．