1、動態切換模糊PID控制器的研究和設計摘 要PID控制器由于其容易實現、結構簡單，而且具有較強的魯棒性，理論體系成熟等特點，在實際工程控制中得到了極為廣泛的應用。但是一旦PID控制器的某組參數確定，它將僅與當前指定被控對象匹配，當被控對象不發生時變時，該控制器可以獲得非常好的控制效果。但現實工業現場中，很多被控對象在運行的過程中會發生緩慢的時變以及受到不確定性的干擾，定參數的PID控制器由于其無法實現參數的自整定而與當前時變對象進行最佳匹配，從而可能導致控制性能嚴重變差。模糊控制器源自專家等人的經驗，魯棒性強，但某些場合無法消除系統相應的穩態殘差。本文的工作是先從理論上分析PID和模糊控制器的優

2、缺點，再結合兩者的優點，并采用模糊控制器和經典PID控制器并行結構另加一個轉換開關，實現動態切換模糊PID控制。本設計還對模糊PID動態切換控制控制器進行了仿真，同時對經典的PID控制、模糊控制進行了仿真，將它們的控制效果與采用模糊PID動態切換控制的效果進行對比，驗證了動態切換模糊PID控制器的控制品質。關鍵詞：PID控制 模糊控制 模糊PID切換控制Dynamic switching fuzzy PID controller research and designAbstractPID controller has been widely used in the real control

3、engineering for its advantages such as structure simplicity, but also has strong robustness and mature in theory.Once a group of PID controller parameters, however, it will only with the current specified controlled object matching, when the controlled object is not occurred time-varying, this contr

4、oller can obtain good control effect.But real industrial site, a lot of controlled object will happen in the process of running slow time-varying and uncertainty of disturbance, and set the parameters of PID controller because it cannot accomplish the self-tuning of the parameters and the time-varyi

5、ng objects for the best match, leading to serious poor control performance.Nevertheless，fuzzy control algorithm which has strong adaptability of control object parameter variation Can ensure the fast response and less overshoot for the control system，but it has the disadvantage of static error remai

6、ning.The work of this paper is to theoretically analyze the advantages and disadvantages of PID and fuzzy controller.Combining the advantages of both, and uses the classical PID controller and fuzzy controller in parallel structure plus a change-over switch, switch to implement dynamic fuzzy PID con

7、trol.This design also dynamic switching control of fuzzy PID controller are simulated, and the classic PID control and fuzzy control are simulated, and their control effect and dynamic switch adopts fuzzy PID control effect is compared, verify the fuzzy PID controller to control quality.Key words: P

8、ID control; Fuzzy control; Fuzzy and PID switching control目錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1 選題背景及意義11.2 控制器發展現狀21.2.1 自適應控制器21.2.2 PID控制器21.2.3 模糊控制器31.2.4 模糊PID控制器31.3論文的主要內容3第二章 常規PID控制器52.1 引言52.2 PID控制系統52.2.1 PID控制器的基本結構和基本原理52.2.2 PID控制器參數對控制性能的影響62.3 臨界比例度法整定PID參數102.3.1 PID參數整定的作用與分類102.3.2 臨界比例度法1

9、02.3.3 Simulink仿真112.4 本章小結13第三章 模糊控制器的設計與仿真143.1 引言143.2 模糊控制系統143.2.1 模糊控制系統的組成143.2.2 模糊控制的特點153.3 模糊控制器的分類163.3.1 按輸入輸出變量個數分類163.3.2 模糊控制器其他分類173.4 模糊控制器的設計與仿真173.4.1 二維模糊控制器的結構設計183.4.2 二維模糊控制器的規則設計183.5 建立模糊控制系統的仿真模型203.5.1 模型傳遞函數與仿真模型203.5.2 模糊控制系統仿真與分析203.6 本章小結21第四章 模糊PID動態切換控制器的設計224.1 引言2

10、24.2模糊PID動態切換控制器設計224.2.1 控制器設計的思路224.2.2 切換控制器的切換時機分析234.3 Fuzzy-PID動態切換控制系統的仿真244.3.1 控制器的仿真模型244.3.2 結果分析264.3 本章小結27第五章 結論與展望28參考文獻29致謝31III南京工業大學本科生畢業設計(論文)第一章 緒論1.1 選題背景及意義隨著社會的發展，越來越多的工業制造趨于自動控制，最大限度的將人的雙手從傳統作坊中解放出來，進而提高社會生產力。自動控制技術是工業領域研究人員的重點問題。由于工業現場中被控對象的復雜性、非線性及時變等因素，很多被控對象的精確數學模型難以建立，PI

11、D控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。 常規PID控制經過半個多世紀的發展，已經成為工業過程控制中生命力最頑強、應用最廣泛的基本控制策略。由于規律簡單、魯棒性好、運行可靠、易于實現等特點，在微處理技術迅速發展的今天，仍是目前工業生產過程控制系統中應用最廣泛的一類控制器。但常規的的PID調節器還存在著許多不足的地方23，比如：(1) 一組PID參數只能給定一組控制性能，即一旦PID參數確定，被控對象的動態響應確定，尤其針對大時滯環節的被控對象在響應速度、超調量兩方面無法同時滿足。(2) 在實際的控制過程中，由于被控對象的高度非線性、時變不確定性和純滯

12、后等特點，過程參數有的時候甚至連模型結構均會隨時間和工作環境的變化而變化。(3) 然而只有不到一半的PID 控制器在實際應用過程中取得了令人滿意的控制效果,大部分PID 控制系統的控制性能達不到用戶所期望的要求 。這給控制理論研究和應用帶來了前所未有的機遇和挑戰。模糊控制器FC作為一種新型的控制器，近年來有了很大的發展和應用。模糊控制器與PID控制器相比其顯著的優點是不需要知道控制對象的數學模型，而且它是依據人工控制規則對控制決策表進行設計。模糊控制與PID 控制的聯系非常的緊密,事實上,在許多情況下把模糊控制被稱作為非線性PID控制。一般情況都采用誤差()和誤差變化()作為模糊控制器的輸入變

13、量,因此，模糊控制器與常規的PD控制器的作用相似4。雖然模糊控制器可以使控制系統具有良好的動態性能，但是這種控制器卻無法消除系統的靜態殘差，因此在精度要求高的場合還是不能得到應用。針對上述PID控制器和模糊控制器存在的缺點本文提出了種新型的控制器即模糊PID動態切換控制器，模糊PID動態切換控制器又繼承了PID控制器良好的靜態特性，能夠有效的消除系統的穩態誤差，提高精度，它的這些特性對提高工程應用系統的穩定性和安全都有著十分重要的意義。 1.2 控制器發展現狀1.2.1 自適應控制器自適應控制器是一種具有一定適應能力的控制器，它可以根據控制系統環境條件的改變，并自動校正控制動作，從而使整個系統

14、達到最佳控制效果，如圖1-1所示。圖1-1自適應原理框圖1.2.2 PID控制器在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節5。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便6。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI

15、和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。傳統的控制理論都建立在被控對象精確模型(傳遞函數和狀態方程)的基礎上7，而對一些復雜系統，建立其數學模型是比較困難的，有時甚至是不可能的，也就無法用系統控制方法實現自動控制，但由人工控制卻往往做的比較好。而模糊控制正是總結操作人員的經驗并形成語言規則，運用模糊集合論模擬操作人員的操作和決策，從而實現自動控制8。 1.2.3 模糊控制器模糊控制系統是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。1965年美國的扎德創立了模糊集合論，1973 年, 他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定

16、理。1974 年英國的Mamdani 首先用模糊控制語句組成模糊控制器,并把它用于鍋爐和蒸汽機的控制9在實驗室獲得成功, 這一開拓性的工作標志著模糊控制論的誕生。模糊控制系統主要是模擬人的思維、推理和判斷的一種控制方法, 它將人的經驗、常識等用自然語言的形式表達出來, 建立一種適用于計算機處理的輸入輸出過程模型, 是智能控制的一個重要研究領域10。1.2.4 模糊PID控制器模糊PID 控制器是在模糊控制和常規PID 控制相結合的相結合的基礎上做出的研究。這種相結合的控制器得到了越來越多學者的關注。模糊PID 控制器是一種雙模控制形式1112。這種改進的控制器主要目的是在控制系統中消除模糊控制

17、作用中存在的統穩態誤差, 通過PID 控制器使系統具有良好的控制精度, 消除誤差, 以及增強系統的穩態性能。在PID控制的基礎上, 相繼提出了FI PI、FI PD、FI PID 三種形式的結合方式,并能通過許多種方式得出模糊控制器中量化和比例這兩個因子與PID 控制器的因子 、 、三個參數之間存在的關系式。但是如今模糊PID控制器的結合方式多以模糊控制器的輸出去調整PID控制器的參數為主13，從而實現PID參數的自整定。但這種結合方式需要模糊控制器的維數多，且控制規則復雜，導致控制設計困難，不能得到廣泛的運用，因此，沒有一套系統的的理論體系作為基礎和依據，將會是這種新型結合方式面臨的一個嚴峻

18、的問題1415。這就需要一種結構簡單，能夠充分發揮PID控制器和模糊控制器優點的新的結合方式的模糊PID控制器。1.3論文的主要內容本文首先對常規PID控制器進行分析，得出PID控制器的優缺點，然后對模糊控制器進行分析的得出模糊控制器的優缺點，最后結合這兩種控制器的優點設計出模糊PID動態切換控制器，然后這種控制器進行仿真分析，將得出的動態響應曲線與PID和模糊控制器的得出的曲線進行比較，通過比較來驗證模糊PID動態切換控制器不僅彌補了經典PID控制在快速性、超調量上的不足。同時還該改善了模糊控制器在消除系統穩態誤差上的缺點，對提高控制系統的精度起到了很好的作用論文的工作安排如下：第一章 緒論

19、 。針對課題的選題背景，選題意義，對此課題的國內外研究現狀及論文的主要章節內容安排情況進行概括性描述。第二章 常規PID控制器的分析與仿真。重點介紹PID控制器的原理和特性，并通過仿真得出的圖像分析了比例，積分，微分作用對控制性能的影響。最后簡單的介紹了PID參數整定的作用與分類以及通過臨界比例度法對PID控制器的參數進行整定，并進行了仿真與計算。第3章 模糊控制器的設計與仿真。本章簡單介紹了模糊控制的特點，系統組成以及模糊控制器的分類，重點介紹了模糊控制器的結構與規則設計，最后對設計好的模糊控制器進行了仿真與分析的出了模糊控制器的控制效果圖。第4章 模糊PID動態切換控制系統的設計與仿真分析

20、。針對模糊與PID控制器在控制過程中存在的不足，提出了一種模糊PID動態切換控制模型，并對模糊PID動態切換控制系統進行設計和仿真分析。同時，采用經典的PID控制、純模糊控制進行仿真并以其仿真結果作為參照，與模糊PID動態切換控制控制器的仿真結果進行比對和分析，驗證模糊PID控制器控制品質的優越性。第五章 總結了本論文的研究工作及成果，對論文的進一步研究方向提出了建議。29南京工業大學本科生畢業設計(論文)第二章 常規PID控制器2.1 引言在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近幾十年歷史，它由于結構簡單、工

21、作可靠、穩定性好、調整方便而成為如今工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 雖然PID控制器由于結構簡單、使用方便、魯棒性強等優點，在工業控制中得到了廣泛的應用，但由于傳統PID控制器的結構還不完美，普遍存在積分飽和，過

22、渡時間與超調量之間矛盾大等缺點。所以改進傳統PID控制器也就成了人們研究的熱點。本章主要介紹PID控制器的基本原理、基本結構， PID控制器參數對控制性能的影響和控制規律的選擇。2.2 PID控制系統2.2.1 PID控制器的基本結構和基本原理PID控制器是一種基于偏差“過去、現在、未來”信息估計的有效而簡單的控制控制器。常規PID控制系統原理圖如圖2-1所示。圖2-1 PID控制系統原理圖整個系統主要由PID控制器和被控對象組成。作為一種線形控制器，PID控制器根據給定值和實際輸出值構成偏差，即 (2-1)然后對偏差按比例、積分和微分通過線形組合構成控制量，對被控對象進行控制，由圖2-1得到

23、PID控制器的理想控制器為： (2-2)或者寫成傳遞函數的形式為： (2-3)其中，比例增益、積分時間常數、微分時間常數。式(2-2)和式(2-3)是最常用的兩種PID控制器的表達式形式。在數字計算機代替模擬調節器組成的計算機PID控制中，使用的是數字PID控制器。其中經常采用的是數字PID位置型控制控制器，其控制規律是： (2-4)在表達式(2-2)-(2-4)中比例、積分、微分作用的實現表述的很清楚，與之對應的控制器參數包括比例增益()、積分時間常數()和微分時間常數()。、的取值將直接影響到PID控制系統的控制效果，下面會對這按個參數的作用做具體分析。2.2.2 PID控制器參數對控制性

24、能的影響(1) 動態性能的指標定義描述穩定的系統在單位階躍函數作用下，動態過程隨時間的變化狀況的指標，稱為動態性能指標。如圖2-2(a)(b)所示。(a)(b)圖 2-2 單位階躍響應對于圖2-2所示的單位階躍響應其動態性能指標通常如下：延遲時間 指響應曲線第一次達到其中值的一半所需的時間。上升時間 指響應從終值10%上升到終值90%所需要的時間；對于有振蕩的系統，亦可定義為響應從零第一次上升到終值的所需要的時間。峰值時間 指響應超過其終值達到第一個峰值的時間。調節時間 指向應達到并保持在終值5%誤差內所需的最短時間。超調量% 指響應的最大偏離量與終值比的百分數。(2) 比例作用對控制性能的影

25、響在PID控制器中比例作用就是及時成比例的放大控制系統的偏差信號，當控制系統中一旦出現偏差()，此時與偏差成比例的控制作用將會產生，以便能夠減小偏差()。比例控制作用的優點是反映速度快，但作用于有些控制系統時，穩態誤差還是有可能存在的。如果增大比例系數，可以減小系統的穩態誤差()，但穩定有可能變差。以式(2-5)所述的被控對象為例，分別進行實驗： (2-5)從圖2-3可以看出隨著比例系數的增大，系統響應速度變快，系統的調節精度更高，但同時可能會造成更大的超調。圖2-3 比例控制的系統響應(2) 積分作用對控制性能的影響控制系統中積分作用可以消除穩態誤差，提高系統的精確度，可以實現對目標值的無誤

26、差跟蹤。對于已處于穩定狀態的閉環控制系統，它的輸出和誤差量保持為常值和。則由式(2-2)可知，如果控制器的輸出要為一個常數，只有當且僅當控制系統的動態誤差()時才能夠實現。因此，可得出只有沒有動態誤差時積分作用才會停止，這時輸出保持為一常值。積分時間常數()決定了控制系統中積分作用的強弱，越小，系統中的積分作用越強，反之如果越大則積分作用弱。但是積分作用會使系統動態響應變慢，穩定性下降。從圖2-4可以看出隨著積分時間常數增大(減小)，靜差在減小；但是過小的會加劇系統振蕩，甚至使系統失去穩定，這種“過積分飽和”現象應及時限制；而很小的(很大)，又會因為積分作用不夠而延長穩定時間，這種情況在實際過

27、程中被稱為“欠積分”。圖2-4 比例積分控制的系統響應()(3) 微分作用對控制性能的影響控制系統中的微分作用，主要是使控制系統具有良好的穩定性和控制性能。由于微分作用能夠對控制系統誤差變化率做出反應，可以預測誤差變化的趨勢，因此能夠在控制系統中提前產生控制作用。簡而言之，微分作用就是在誤差還沒有產生前，就已經對其進行抑制。由上所述，微分作用能夠有效的可以提高系統的動態性能。微分時間常數()的大小決定了控制系統中微分作用的大小，越大，系統中的微分作用就越強，相反微分作用越弱。在控制系統中合適的微分作用可以有效的減小調節時間和超調量。但是，如果只是不斷地增加微分調節則會影響系統的抗干擾能力。同時

28、，微分作用是對誤差變化率的反應，當沒有偏差變化時，微分作用的輸出為零。從圖2-5可以看出隨著微分時間常數增加，超調量減小。微分作用也從一定程度上消除了響應曲線的尖峰，使得響應曲線更加平滑。總的來說，微分可改善系統的動態性能，在響應過程中抑制偏差向任何方向變化，可有效減小超調和振蕩，并增大調節時間。圖2-5 比例積分微分控制的系統響應(，)2.3 臨界比例度法整定PID參數2.3.1 PID參數整定的作用與分類PID控制器參數整定，是指在控制器規律已經確定為PID形式的情況下，通過調整PID控制器的參數，使得由控制對象、控制器等組成的控制回路的動態特性滿足期望的指標要求，達到理想的控制目標。在一

29、些學者和專家提出PID控制器參數經驗公式法之后，相繼出現了很多參數整定的方法被用于整定PID控制器的參數。可以把這些方法按照發展階段分為常規整定方法和智能參數整定方法；如果按照被控對象個數的個數分類，可分為單變量以及多變量PID控制器參數整定方法；按照控制量的組合形式可以把PID控制器參數整定的方法分為線性和非線性兩種參數整定方法1617。下面將會用臨界比例度法整定常規PID控制器的參數方法，并進行出相應的仿真。2.3.2 臨界比例度法(1) 臨界比例度法的定義1819臨界比例度法是在閉環的情況下，將PID控制器的積分和微分作用先去掉，僅留下比例作用，然后在系統中加入一個擾動，如果系統響應是衰

30、減的，則需要增大控制器的比例增益，重做實驗；相反如果系統響應的振蕩幅度不斷增大，則需要減小。實驗的最終目的，是要使閉環系統做臨界等幅周期振蕩，此時的比例增益就被稱為臨界增益，記為；而此時系統的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為。臨界比例度法就是利用和由經驗公式求出P，PI 和PID這三種控制器的參數整定值。表2-1所示就是ZN臨界比例度法參數整定經驗公式。表2-1 臨界比例度法參數整定經驗公式PID控制器參數P型控制器0.5PI型控制器0.450.83PID型控制器25(2) 臨界比例度法存在的不足雖然用臨界比例度法進行參數整定比較簡單，也曾廣泛應用到工程上，但是這種整定方法還

31、是存在著一些些不足：A) 想要獲得和，這是比較困難的，當系統的時間常數很大時，這種方法更難實現參數整定。B) 在控制現場，當時的控制環境存在的各種干擾會直接影響由于現場實驗中存在著不確定的影響會給實驗數據帶來一定甚至關鍵的噪聲，因而會對最終的控制品質但來很大的影響。C) 對不允許做臨界振蕩實驗的系統，該整定方法不能運用到不能做臨界振蕩的控制系統。2.3.3 Simulink仿真(1) PID控制器SIMULINK仿真結構圖所選的模型傳遞函數和上述傳遞函數相同。圖 2-6 PID控制器SIMULINK仿真結構圖(2) 用試湊法得出的等幅周期振蕩曲線(a)(b)圖 2-7 對象模型在臨界增益下的臨

32、界振蕩圖2-7(a)所示為對象模型在整個仿真時間內的閉環振蕩圖，此時臨界振蕩增益=10；同時，為了方便計算臨界周期，特畫出一個周期范圍的對象臨界振蕩圖，如圖2-7(b)所示，此時求得振蕩周期為=2.12s。由表2-1可求得臨界比例度法的PID控制器整定值為：，。將基于這些參數所獲得的PID控制器用于原被控對象中，獲得如圖2-8所示的階躍響應曲線。圖2-8 PID控制器閉環控制效果圖如圖2-8所示，用臨界比例度法整定的PID控制器具有很快的系統響應，系統快速穩定且穩態殘差為零，但超調量較大(接近30%，工業期望值一般小于5%)，故在某些要求不高的場合，可用臨界比例度法整定相應的PID控制器的參數

33、，而在控制要求非常高的場合，則可在臨界比例度法所獲得PID控制器的一次參數的基礎上進行二次試湊或用其它方法獲得控制性能更加完美的PID控制器參數。2.4 本章小結本章通過對常規PID的仿真分析得出了比例，積分，微分作用對PID控制性能的影響，畫出了在不同的、下PID控制器的階躍響應曲線，最后用臨界比例度法對PID參數進行了整定，并進行了仿真與計算，為模糊PID動態切換控制系統的設計奠定了基礎。南京工業大學本科生畢業設計（論文）第三章 模糊控制器的設計與仿真3.1 引言在日益復雜的被控過程面前，由于不可能得到過程的精確數學模型，傳統的基于精確模型的控制系統設計理論(包括古典控制理論及現代控制理論

34、)受到嚴峻挑戰。智能控制通過在系統控制和決策中引入人工智能，實現了對這些用傳統控制理論難以控制的過程的有效控制。智能控制理論覆蓋的范疇十分廣泛，其主要分支有模糊控制、學習控制、專家控制、神經網絡控制等2021。模糊控制是近代控制理論中的一種基于語言規則與模糊推理的高級控制策略和新穎技術，它作為智能控制的一個重要分支，發展迅速，應用廣泛，實效顯著，引人關注。本章就本論文涉及到的模糊控制部分進行論述;首先概述模糊控制系統，然后簡要介紹模糊控制器的組成及其設計方法，最后對模糊控制器通過simulink進行仿真得出模糊控制器的效果圖。3.2 模糊控制系統3.2.1 模糊控制系統的組成模糊控制是以模糊集

35、合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。從線性控制與非線性空的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現智能控制的一種重要而有效的形式。由于它是一種計算機數字控制，因此它的組成類似于一般的數字控制系統，如圖3-1圖 3-1 計算機模糊控制系統框圖其中模糊控制器是模糊控制系統的核心，一個模糊系統的優劣主要取決于模糊控制器的結構，以及所采用的模糊規則、合成推理控制器和模糊決策的方法等因素，模糊控制器主要包括輸入量模糊化接口、知識庫、推理機、輸出清晰化接口4個部分，糊控制器組成如圖3-2所示。圖3-2 模糊控制器(1)

36、 模糊化接口：將輸入值以適當的比例轉換到論域的數值，利用口語化變量來描述測量物理量的過程，依適合的語言值求該值相對之隸屬度，此口語化變量我們稱之為模糊子集合22。(2) 知識庫：包括數據庫與規則庫兩部分，其中數據庫是提供處理模糊數據之相關定義；而規則庫則藉由一群語言控制規則描述控制目標和策略。(3) 推理機：模仿人類判斷時的模糊概念，運用模糊邏輯和模糊推論法進行推論，而得到模糊控制訊號。此部分是模糊控制器的精髓所在。(4) 清晰化接口：將推論所得到的模糊值轉換為明確的控制訊號，做為系統的輸入值。3.2.2 模糊控制的特點概括地講模糊控制具有以下特點23：(1) 它是一種非線性控制方法，工作范圍

37、寬，適用范圍廣，特別適合于非線性系統的控制。(2) 它不依賴于對象的數學模型，對無法建模或很難建模的復雜對象，也能利用人的經驗知識或其它方法來設計模糊控制器完成控制任務;而傳統的控制方法都要已知被控對象的數學模型，才能設計控制器。(3) 它具有內在的并行處理機制，表現出極強的魯棒性，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的設計參數容易選擇調整。(4) 控制器簡單，執行快易于實現。(5) 不需要很多的控制理論知識，容易普及推廣。由于模糊控制具有上述的幾個有點，因此很多國際著名的專家學者指出：“模糊控制是21世紀的控制技術”，將有非常廣闊的發展前途和產品市場24。3.3 模糊控制器的分類隨著人們對

38、模糊控制器的深入研究和廣泛應用，模糊控制器從原來單一的結構形式已發展成為多種多樣的結構形式。從模糊控制器輸入、輸出變量的個數多少可以分為單變量和多變量兩種類型的模糊控制器25。3.3.1 按輸入輸出變量個數分類(1) 單變量模糊控制器結構在模糊控制系統中通常把單變量模糊控制器的輸入變量個數稱之為模糊控制的維數。1.一維模糊控制器(FC)它的輸入變量往往選擇為受控變量的實測值和給定值之間的偏差，由于僅僅采用偏差值，很難反映受控對象的動態特性品質，因此，所能獲得的動態性能是不能令人滿意的。這種模糊控制器往往被用于一階被控對象，結構如圖3-3。圖3-3 一維模糊控制器2.二維模糊控制器由于二維模糊控

39、制器的選用的是偏差E以及偏差的變化EC作為系統的輸入，它可以較為準確的對控制系統輸出變量的動態特性做出反應，因此，控制效果比一維模糊控制器好得多，是目前采用比較廣泛的一類模糊控制器，結構如圖3-4。圖3-4 二維模糊控制器3.多維模糊控制器多維模糊控制器它是指控制輸入變量數多于兩個的模糊控制器。但是因為多維模糊控制器有著非常復雜的結構，而且在控制推理是會耗費很長的時間，因此只有在對動態性能要求很高的控制中才會采用這種控制器。圖3-5為三維模糊控制器，它是以系統的設定值的偏差E、偏差的變化率ECC以及E的變化率ECC作為它的輸入變量的。圖3-5 三維模糊控制器從理論上講，控制系統中算選的模糊控制

40、器維數越高，整個控制系統的控制精度就越高，但如果控制器的維數太高，這就大大的增加了控制規則的復雜程度，增加了規則制定的困難，基于模糊合成推理的控制器計算機實現就更困難，這是多維的模糊控制器不能夠得到廣泛運用的原因。(2) 多變量模糊控制器的結構多變量的模糊控制器主要出現在多變量模糊控制系統中，結構如圖3-6。圖3-6 多變量模糊控制器個多輸入-單輸出的模糊控制器可以由個多輸入-多輸出的模糊控制器可以通過結構解耦獲得。3.3.2 模糊控制器其他分類按模糊控制器主要可以按照建模形式和控制功能分類，按照前一種可分為多多值邏輯模型、數學方程模型和語言規則模型的模糊控制器；按后一種上可以分為自適應模糊控

41、制器、自組織模糊控制器、自學習模糊控制器和專家模糊控制器等。3.4 模糊控制器的設計與仿真模糊控制器其控制規則是以模糊條件語句的語言控制規則為基礎的，因此，模糊控制器又稱為模糊語言控制器。模糊控制器是模糊控制系統的核心，因而在模糊控制系統設計中怎樣設計和調整模糊控制器及其參數是一項很重要的工作。一般來說，設計模糊控制器主要包括以下幾項內容22。(1) 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量（即控制量）。(2) 設計模糊控制器的控制規則。(3) 確定模糊化的非模糊化（又稱清晰化）的方法。(4) 選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數（如量化因子、比例因子）。(5) 建立模糊控

42、制器的仿真模型。(6) 選擇合理的仿真的采樣時間。3.4.1 二維模糊控制器的結構設計設控制系統的輸入為單位階躍信號,輸出為,誤差為，誤差導數為;被控對象的輸入為;模糊控制器對應的輸入分別為, , 對應的輸出為。這類模糊控制器的一般形式為：R1：if X1 is A1i an X2 is A2i then Y is Bi這里，A1i、A2i和Bi均為論域上的模糊子集。在實際系統中，X1一般取為誤差，X2一般取為誤差變化率，Y一般取為控制量。3.4.2 二維模糊控制器的規則設計(1) 模糊控制器的變量的論域與隸屬度函數經過對模糊控制器變量、的輸出范圍的分析，得出了他們的論域：輸入變量和的論域取-

43、2 2，輸出變量的論域取-3 3。語言值取5個,分別為“負大NB”,“負小NS”,“零ZR”,“正小PS”和“正大PB” 。其中 的語言值取了7個。NB,NS,PS,PB，ZR取三角形隸屬度函數,、的隸屬度函數如圖3-7(a)(b)(c)所示。(a)(b)(c)圖3-7 , , 的隸屬度函數(2) 根據經驗,可以得到用if.then形式表達的模糊控制規則，如圖3-9所示。圖3-8 二維模糊控制器的控制規則圖 3-9 二維模糊控制器規則觀察器3.5 建立模糊控制系統的仿真模型3.5.1 模型傳遞函數與仿真模型(1) 模糊控制器simulink仿真結構圖所選的模型傳遞函數為式(2.5)。(2) 模

44、糊控制系統的仿真模型如圖3.10所示。圖3-10 模糊控制系統仿真模型3.5.2 模糊控制系統仿真與分析(1)在MATLAB的命令窗口中輸入指令:hhl=readfis('hhl.fis)'這樣就在基本工作空間中建立起了模糊推理系統的結構變量,然后再輸入指令:start仿真即開始.這時可以利用模擬示波器來觀察系統的動態響應情況.仿真結束后,利用plot( t,y)指令可將響應曲線繪出2627,如圖3-11所示：圖 3-11 模糊控制系統的仿真結果(2) 在常規的模糊控制中,為實現簡便性和快速性,通常采用和作為模糊控制器的輸入,因而,具有類似于常規PD 控制器的作用。通過圖3-1

45、1可以看出,此類模糊控制器有可能獲得良好的動態特性,但無法消除靜態誤差。3.6 本章小結本章介紹了模糊控制系統的組成與基本原理，并對模糊控制器進行了仿真分析，通過仿真分析得出了模糊控制器的控制效果圖，從仿真結果可以看出此類模糊控制器有可能獲得良好的動態特性,但無法消除靜態誤差。南京工業大學本科生畢業設計（論文）第四章 模糊PID動態切換控制器的設計4.1 引言模糊控制器具有良好的動態性能和很強的魯棒性，而且它不僅能適應參數變化而且具備較強的抗干擾能力。它的缺點就是在控制過程中穩態精度不夠，另外模糊控制器在接近工作點時容易產生振蕩，最后控制器規則的制定是非常困難的，它要運用大量的專家和經驗知識。

46、PID控制器的動態性能不如模糊控制器，但是它的靜態特性好，它即使在工作點周圍也能保持較好的控制性能。因此在前兩種控制器的基礎上，本課題就想設計這樣一種新型控制器：在的數值較大時采用模糊控制器，這樣整個系統就可以快速逼近給定值；在的數值，就是在系統趨于穩定時則采用PID控制器，這樣就可以運用PID控制器的控制精度高、穩態態誤差小的一些優點更好的改善動整個系統的靜態特性。另外，這兩種控制器的結構較其他的控制器而言都比較簡單，用一個切換開關把這兩種控制器結合起來，就是本章要介紹的模糊PID動態切換控制器。本章將通過仿真來驗證這種控制器的優越性。4.2模糊PID動態切換控制器設計4.2.1 控制器設計

47、的思路在整個控制系統中，模糊動態切換控制器將根據和的大小，在不同的工作時段選擇PID控制器或者模糊控制器，這樣可以很好的利用PID控制器和模糊控制器的優點來提高系統的動態性能和靜態性能。如果系統的誤差絕對值|大于誤差設定值時，控制系統則選擇模糊控制器，因為模糊控制器可以同時兼顧系統響應的快速性和超調量，使系統具有良好的動態性能，對彌補常規PID控制器在動態響應方面的不足又很好效果。當系統響應接近穩定狀態時，誤差的絕對值|減小設定值以下，系統將由模糊控制器切換至PID控制器，這樣PID控制器的積分作用能夠消除靜態誤差差，能夠很好的消除系統的控制余差，彌補模糊控制器缺陷，最終可以使系統具有良好的靜

48、態性能和，控制精度。圖4-1 模糊PID切換控制系統結構圖模糊PID動態切換控制器的設計步驟如下28：(1) 對模糊控制器(FC)和PID控制器在何時切換作出分析。(2) 根據分析得出的切換時機，對模糊PID控制器的決策模塊進行設計。(3) 對PID控制子模型與模糊控制子模型進行仿真分析，分別得出控制系統達到較好靜態性能和動態性能時的各個參數，作為切換控制器中的參數。(4) 調整由PID控制子系統和模糊控制子系統組成的動態切換控制器的參數，使得其能達到最好的控制效果。4.2.2 切換控制器的切換時機分析對于一個控制系統的階躍響應來說，其是否具有良好的動態控制性能，前兩個振蕩周期是非常關鍵的，所

49、以想獲得一個準確的切換點，就必須獲取誤差()的信息，如果被控對象在模糊控制的作用下，控制系統將要接近穩態時，那么控制系統就切換成PID控制使用PID控制器；如果因為擾動，誤差()超出了切換條件的設定值，則系統的控制方式就切換為模糊控制使用模糊控制器。根據以上的分析可以知道模糊控制和PID控制的切換條件應依據系統信息：誤差(e)。模糊PID動態切換控制器的控制策略的切換過程應如下：系統控制的初始階段，應選擇模糊控制器，這樣能夠使得系統在誤差()較大的時候具有良好的動態性能。當系統響應接近穩定狀態時，誤差()滿足設定的值，系統則切換為PID控制， 這樣系統就能夠獲得較好的靜態性能。根據上述切換條件

50、的分析可以得出模糊PID動態切換控制器的切換流程圖如圖4-2所示。圖4-2 Fuzzy-PID切換流程圖4.3 Fuzzy-PID動態切換控制系統的仿真4.3.1 控制器的仿真模型在Simulink平臺上建立模糊PID動態切換控制器的仿真模型29如下圖4-3所示，控制器被控對象的傳遞函數還有階躍信號發生器的參數都和PID控制器仿真模型的被控對象和參數設定是一致的。圖 4-3模糊PID切換控制系統模型圖示中的PID控制模塊和模糊控制模塊分別為已經進行過參數整定的PID控制子模型30和模糊控制子模型31如圖4-4和圖4-5所示，在第2章和第3章已經詳細介紹，在此不再贅述。圖4-4 PID控制子系統

51、模型圖4-5 模糊控制子系統模型設計并建立好Fuzzy-PID動態切換仿真模型后，就對這個控制器模型通過Simulink進行仿真，通過參數調整之后可以得出的仿真圖形如圖4-6所示。圖4-6模糊PID動態切換控制器的響應曲線由圖4-6動態切換控制器的階躍響應曲線能夠看出，FuzzyPID動態切換控制器的具有良好的控制效果，從曲線可以看出整個控制系統的穩態特性較好，最后可以達到消除靜態誤差效果。此外，控制系統也具有良好的動態性能，還可以從那個圖中看出系統具有較快的響應速度，大約4秒就已經到穩定狀態，最后可以看出系統的上升曲線平滑，且超調量很小，因此，模糊PID動態切換控制器的控制性能超過了PID和

52、模糊控制器。4.3.2 結果分析通過對常規PID控制器，模糊控制器，和模糊PID動態切換控制器模型進行仿真可得到一組基于不同控制策略的系統響應曲線如圖4-7圖所示：圖 4-7 不同控制系統的階躍響應曲線由圖4-7可以看出，在階躍信號的作用下，如果只是在控制系統使用常規PID控制器，系統能夠達到沒有穩態誤差的效果，但從圖上可以看出，它的響應曲線在1.8s左右超調量比較大，不能夠達到比較好的動態響應。如果在同一系統中只是使用模糊控制器，從圖中可以看到超調量減小了很多，而且具有良好的動態響應性能，但從響應曲線上能夠明顯的看出，穩態誤差在控制系統中是不能夠消除的，因此這種控制器的控制精度是不夠的。最后

53、當系統采用Fuzzy-PID動態切換控制器，從圖中能夠看出系統具有良好的快速性，在1.5s左右即達到穩態，單就系統響應的快速性而言，這種控制器優于PID控制器和模糊控制器。另外，可以看出系統不僅快速性增強，它的超調量也得到了很大的改善。提高了整個控制系統的動態性能。4.3 本章小結本章結合PID控制器穩態精度高和Fuzzy控制器動態性能好的優點，提出了一種Fuzzy-PID動態切換控制器，并且搭建了仿真模型通過Simulink進行了仿真和分析。由上述分析可以得到結論：結合了模糊控制器和PID控制器優點的新型控制器模糊PID動態切換控制器，和常規的PID控制器、模糊控制器相比，控制器的動態性能和

54、靜態性能都有了很大的提高。南京工業大學本科生畢業設計（論文）第五章 結論與展望本文首先研究了常規PID控制器的原理和控制結構，其次又研究了模糊控制器的原理和控制結構，最后在對PID和模糊控制器的優缺點分析的基礎上，從理論上分析了如何設計出結合它們優點的模糊PID動態切換控制器，并進行了設計和仿真，其目的在于探索出一種能有效地提高控制系統的控制性能、抗干擾能力等的一種控制器。本文的主要研究內容成果如下：l、研究了常規PID控制器的原理和控制器結構，并通過仿真得出的圖像分析了比例，積分，微分作用對控制性能的影響以及簡單的介紹了PID參數整定的作用與分類以及通過臨界比例度法對PID控制器的參數進行整

55、定。2、研究了模糊控制器模糊控制的特點，系統組成以及模糊控制器的分類，重點介紹了模糊控制器的結構與規則設計，最后對設計好的模糊控制器進行了仿真與分析的出了模糊控制器的控制效果圖。3、針對PID和模糊控制的優點及這兩種控制器在控制過程中存在的缺點展開分析與研究，提出模糊PID動態切換控制器的設計與仿真，并分析了和確定了模糊控器制與PID控制器的切換條件；根據動態切換條件來構思和設計模糊PID動態切換控制器，并對模糊PID動態切換控制控制器進行仿真，驗證了該控制器的可行性與良好的控制品質。4、將動態切換控制器的仿真效果圖與PID控制、模糊控制器的仿真結果作比較，通過仿真結果的對比驗證了模糊PID動態切換控制控制器對提高系統控制性能有很好的品質。模糊PID動態切換控制器的發展前景是十分可觀的，沒有一種控制器比PID調節規律更有效、更方便的了。而模糊PID動態切換控制是在PID控制器的基礎上引入模糊控制器這樣不僅有了PID的各種優點，還能消除PID本身存在的一些缺點。參考文獻1 劉金琨先進PID控制及其MATLAB仿真M第2版北京：電子工業出版社，20032 謝克明，劉文定，謝剛.自動控制原理M.北京:兵器下業出版社，19973 金以慧.過程控制M第