模糊pid控制.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.87M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章 PID控制器参数整定方法

第三章模糊控制的原理及其在自整定方面的应用

第四章模糊自整定PID控制器的仿真与改进

第五章控制器软硬件的实现

第六章结束语

参考文献

附录A

附录B

华侨大学硕士学位论文参数模糊自整定PID控制器的研制姓名：宁海峰申请学位级别：硕士专业：@指导教师：王永初20060601

论文摘要在实际的工业控制中，PID控制依然是最主要的一种控制方式，所以如何简单、有效的实现PID参数的整定有着重要的工业意义；对于工业过程中常出现的非线性、时变的系统来讲，如何实现PID参数的自整定显得犹为重要。 PID的参数整定多依赖于人工经验和具体的对象模型，整定结果往往不能令人满意。另外，即使PID参数调整的很好，当控制对象参数变化后，系统的性能必然也会受到影响。模糊控制作为智能控制一个新型领域，已经广泛应用到工业生产过程中，模糊控制事先不需要获知对象的精确数学模型，而是基于人类的思维以及生产经验，用语言规则描述控制过程，并根据规则去调整控制算法或控制参数。本论文分析了工程中常用的PID参数整定方法，通过研究将模糊控制与PID不同的结合方法，实现了无须精确确定对象模型，只须将操作人员和专家长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，然后用模糊推理在线辨识对象特征参数，实时改变控制策略，便可对PID参数实现最佳调整。在研究模糊技术与PID控制相结合的基础上，提出了微分剥离法和将不完全微分引入法这两种参数模糊自整定PID控制器，并设计出一种参数模糊自整定PID控制器。该控制器硬件系统选用MCS-51系列单片机，完成数据采集、参数整定、LED显示、声光报警等功能，软件采用单片机常用的编程语言C51编制。论文中结合典型工业控制过程的例子对不同的设计结构进行了仿真试验。仿真结果表明，对在实际复杂工业对象中存在的非线性、时变性等特点，所设计的模糊自整定PID控制策略具有较好的控制效果和品质，具有一定的自适应能力，能够对对象变化以及外来的扰动做出及时调整，保证整个系统的平稳运行。关键词：自整定PID控制器模糊控制单片机 Matlab仿真

ABSTRACT In the real industry process, PID Control is still one of the important ways. So how to find a simple and effective way to achieve adjustment is meaningful. To those nonlinearity and time-varying system, it is significant to achieve PID parameters auto-tuning. The parameters’ adjustment of the PID mainly depends on the human’s experience and the object model, the result is normally dissatisfying. Fuzzy control which was outstanding in the field of the intelligent controller has already applied widely in industry production process. Fuzzy control do not need to know accurate mathematic model of object. But it is based on human thinking and producing experience; and it applies language rule to describe controlling process and bases rule to modify the controlling arithmetic and parameter. The paper studies the methods of combing fuzzy control and PID control, achieves the best parameter tuning which only use the experience knowledge of manipulator and fuzzy control rule of expert, and use the fuzzy reasoning identifying the characteristic parameter of object on-line, changing control rule in time, needn’t the identify the model. On the basis of this, work out a parameters’ fuzzy auto-tuning PID controller. The firmware of the product based on the MCS-51 series’ single chip microprocessor. It can accomplish data sampling, parameters adjustment, LED display, sound and light alarming etc. The C51 language is used in the product’s software designing. By the example of industry process, simulation prove it have better effect and quality. It also has strong self-adaptation to the complex nonlinear, time-variety object. It can regulate the system in time when the object changes or something interfere the system. Keywords: Auto-tuning PID controller, Fuzzy Control, Single chip microprocessor, Matlab simulation

华侨大学硕士学位论文 1第一章绪论 1.1 引言 PID控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，广泛应用于化工、机械、冶金和轻工等工业过程控制系统中。有一些文献陈述了当前的应用状况[1,2]。日本电子测量仪表协会在1989年对过程控制做的调查报告，该报告表明90%以上的控制回路具有PID结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2000多个控制回路，其中97%以上是PID控制，而且仅仅有20%的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适的占30%，阀门问题占30%，而另外20%的控制器性能差有多种原因，如传感器问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。在已安装的过程控制器中30%是处于手动状态，20%的控制回路采用厂家整定的参数，即控制器制造商预先设定的参数值，30%的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差。因此，PID控制器虽然在工业过程控制中普遍应用，但是获得的控制效果并不十分理想。同时由于PID控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的情况，但随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对于控制系统的精度性能和可靠性的要求越来越高，这对PID控制技术提出了严峻的挑战。只有和先进控制策略相结合，才能保证PID控制技术永不过时，而它也正是向高精度、高性能、智能化的方向在逐步发展。 1.2 PID控制器的历史及存在问题 1) 控制器发展经历了三个阶段：十七世纪中叶由于机器工业的发展，对控制提出了要求。反馈的方法首先被提出，在研究气动和电动记录仪的基础上发现了比例和积分作用，它们的主要的调节对象是火炉的温度和蒸汽机的阀门位置等。调节方式类似于Bang-Bang继电控制，精度比较低控制器的形式是P和Pi。上个世纪20年代至40年代，泰勒仪器公司的发现了微分作用，微分作用的发现具有重要的意义，它能直观地实现对慢系统的控制，对该系统的动态性能能够进行调节，与先期提出的比例和积分作用成为主要的调节部件。 1942年和1943年，泰勒仪器公司的Zielger和Nichols等人分别在开环和闭环的情

华侨大学硕士学位论文 2况下，用实验的方法分别研究了比例、积分和微分这三部分在控制中的作用，首次提出了PID控制器参数整定的问题[3,4]。 2) 控制器存在的主要问题： PID控制器的结构简单，容易被理解和实现，应用中不需要精确的系统模型的预先知识，因而PID控制器成为应用最广泛的控制器。但是人们对PID控制器的认识和改进远没有完成，到目前为止PID控制的机理、使用范围、鲁棒性等问题还没有彻底全面的分析研究。事实上，PID控制器并非万能的，它存在其固有的缺点[5,6]： PID对系统基本线性和动态特性不随时间变化的系统能较好的控制，而很多工业过程是非线性或时变的。 PID参数必须根据过程的动态特性整定的很好。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数要重新整定。实际应用中，PID参数的整定很困难。 PID在控制强耦合及结构不确定的复杂过程时总显得无能为力。 PID参数自整定技术是为了处理PID参数整定这个问题而产生的，现在自动整定的PID控制器己是商业单回路控制器和分布控制系统的一个标准。PID参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实现或不很理想，在精度与速度的折衷及对象的使用范围上常常难以令人满意。因此，在PID参数的整定及自整定技术方面还有待进一步的深入研究。 1.3 PID控制器的发展自Ziegler-Nichols在1942年提出PID参数整定方法以来，许多技术己经被应用于PID控制器的手动和自动整定中。根据研究方法的划分，可分为基于频域的PID参数整定方法和基于时域的PID参数整定方法；根据发展阶段的划分，可分为常规PID参数整定方法和智能PID参数整定方法；按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法和多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点；按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法和非线性PID参数整定方法，前者适用于经典PID调节器，后者适用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。近年来，随着人工智能技术的发展，智能控制得到迅速发展，而将智能技术和常规PID控制方法有机的融合在一起，利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为

华侨大学硕士学位论文 3知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整PID参数，就形成了许多形式的智能PID控制器。专家系统智能自整定PID控制器[7] 专家控制是将人的感性经验和定理算法结合的一种传统的智能控制方法，专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机三部分。专家系统可视为广义调节器，专家知识库中己经把熟练操作工或专家的经验和知识构成PID参数选择手册，这部手册记载了各种工况下被控对象所对应的P、I、D参数，数据库根据被控对象的输入与输出信号及给定信号提供给知识库和推理机。推理机能进行启发式推理，决定控制策略。基于神经网络的PID控制器[8] 人工神经网络控制方法是基于人脑控制行为的生理学研究而发展起来的，是一个具有广阔前景的智能控制方法。在常规PID控制器的基础上，加入一个神经网络控制器，构成基于神经网络PID控制器。神经网络控制器通过向常规PID控制器的输出进行学习，目标是使反馈误差逐渐趋于零。一旦系统出现干扰，以PID构成的反馈控制器马上可以重新起作用。因此，采用这种前馈加反馈的智能控制方法，不仅可确保控制系统的稳定性和价棒性，而且可有效地提高系统的精度和自适应能力。模糊PID控制器[9] 在大多数工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统，有时甚至是非常严重的，同时有些过程很难建立或不能建立精确的数学模型。因而一般的PID控制无法实现对这样过程的精确控制。模糊控制器是近年来发展起来的新型控制器，其优点是不需要掌握受控对象的精确数学模型，根据人工控制规则组织控制决策决定控制量的大小。在一般的模糊控制器中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。而这类控制器都是以误差E和误差变化率EC为输入语言变量，因此它具有类似于常规PID控制器的作用，采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，而静态特性则不能另人满意。由比例、积分、微分的特点可知，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应快，微分控制作用能加快系统的动作速度，减小调节时间。将模糊控制和PID控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。由于不需要建立过程精确的数学模型，因此得到了越来越广泛的应用。 1.4 PID控制器商业化产品介绍[10]

华侨大学硕士学位论文 4具有自整定功能的PID控制器商业化产品在八十年代初期才出现。主要原因是近年来的微电子技术的发展使得加入自整定所需要代码的成本趋于合理。国际上出现了许多商业产品，如Foxboro EXACT (760/761)，它采用阶跃响应分析和模式识别技术再加上启发式规则进行参数调整；Alfa Laval Automation ECA400控制器，它采用继电反馈和基于模型的整定方法；Honeywell UDC6000控制器，它采用阶跃响应分析和一个规则库来调整参数；Yokogawa SLPC-1811281，它采用阶跃响应分析和基于模型的整定方法。还有一些自整定软件包，如Intelligent Tuner，它是Fisher-Rosemount公司用在分散控制系统中的一个软件包；Looptune它是Honeywell公司DCS系统TDC3000中的整定软件包；DCS Tuner，它是ABB Master系统中整定控制器的一个软件包。总之，随着控制理论与技术的发展、计算机技术能够提供更强大的分析处理手段，PID控制及参数的智能化整定将会在控制领域得到更广泛的应用。 1.5 本文研究的出发点、主要内容及创新之处模糊控制是基于规则的智能控制，它建立在人类思维具有模糊逻辑特性的基础上的。目前，模糊控制已成为工业控制自动化领域内广泛研究和应用的控制器。这主要归结于模糊控制器的一些特点：无需知道被控对象精确的数学模型；它是一种反映人类智慧思维中的模糊量，这些模糊量和模糊推理是人类通常智能活动的体现，易被人们接受。模糊控制与最优控制、自适应控制等高级控制相比较，具有不需要事先知道被控对象的精确数学模型的特点。模糊控制的核心是它用具有模糊性的规则去执行控制，这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动[11]。控制器并不是越先进越好、越复杂越好。许多在理论上声称有多大的先进性和优越性的控制器(或控制技术)在与PID控制器对抗中残败。 PID控制器为何能在其诞生半个多世纪后的今天，仍能击败众多新型的控制器的竞争，而被广泛应用于过程控制，其最根本的原因就是：简单、易用。实践中存在无数不同类型的系统，如其他的控制技术一样，模糊控制也有其适用性，这与其特点是紧密相连的。H.Ying[12]教授提出了采用模糊控制的两个准则：（1）被控制系统模型未知但已知其为高度非线性、时变或者有时延：（2）PID控制不能产生满意的控制性能。考虑到模糊控制的特点，第一个准则是显然的。第二个准则主要考虑到PID控制算法在世界范围内90%以上的工业过程中被采用,PID控制技术已经得到很好的发展，对于线性系统，

华侨大学硕士学位论文 5应该避免采用模糊控制，无论系统模型是否可知。对于线性系统模糊控制没有优势。对于一些非线性、时变或具有时延的系统，如果PID控制可以产生满意的控制效果，那么也无须采用模糊控制。正是因为如此人们才提出了许多控制系统的设计和增益调节方法，将模糊控制技术与PID控制技术相结合形成非性线PID控制算法以提高控制性能。另一方面电子技术的发展推动了微处理器技术的发展和应用，使得微处理器朝着速度快、集成度高、价格便宜、性能优良的方向发展。微处理器应用在从生活消费品到工业应用的各个领域，单片机技术的广泛应用为智能仪器的设计提供了灵活的实施手段。本人正是基于以上现状提出了此课题的研究。模糊自整定PID控制是一种很新的控制思路，它能够结合模糊控制与PID控制的各自优点，在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差和误差变化率，利用模糊规则进行模糊推理在线调整PID的三个参数，来进一步完善PID控制器。这种控制器对环境的变化具有很强的适应能力，提高了系统的控制精度和鲁棒性。所以如何设计出模糊控制与PID控制相结合的这样一个模糊自整定PID控制器，使之控制性能优于传统的控制器将是一个很有意义的课题，目前还缺乏系统化设计方法，还不能为工程设计人员提供一套完整的、可遵循的设计准则，以及完成优化设计的理论方法，因此极大地阻碍了模糊控制技术工程应用的提高和发展[13]。而微电子、微机、人工智能等技术的迅速发展，使得在控制系统中应用微机来模拟人的逻辑思维和判断决策成为可能。本文主要研究了PID参数的各种自整定策略，对模糊控制与PID自整定的结合理论进行了详细论述；根据理论分析设计出基于单片机技术的模糊自整定控制器。论文内容循序渐进，共分六章，内容安排如下：第一章：介绍了PID控制器应用现状及存在的问题，智能控制策略及其在PID参数整定中的应用，介绍了一些工业化商品，最后给出本文要研究的内容。第二章：介绍了PID控制器的基本原理，数字式PID控制器的基本原理及改进了的PID控制器；系统地分析比较了PID参数整定、自整定的传统方法、改进方法和它的发展趋势，为后面的研究工作做铺垫。第三章：论述了模糊控制的发展历史、基本工作原理，详细论述了模糊自整定PID控制器的理论推导及设计过程。

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