智能控制论文

智能控制系统论文学号：31309045姓名：王开祥学院：电子信息与电气工程学部1绪论....................................................................................................................32PID控制原理简介.............................................................................................42.1引言..........................................................................................................42.1PID控制原理...........................................................................................42.2比例控制(P).............................................................................................52.3积分调节(I)..............................................................................................62.4微分调节(D)............................................................................................83PID控制器应用技术简介.................................................................................83.1数字PID控制算法原理.........................................................................83.2位置式PDI控制算法.............................................................................93.3控制规律的选择...................................................................................103.4PID控制器的参数整定........................................................................104模糊PID控制器及系统仿真..........................................................................114.1模糊自适应PID控制系统...................................................................114.2常规PID和模糊自适应PID控制系统的仿真比较..........................114.4模糊自适应PID控制系统仿真...........................................................135总结..................................................................................................................16模糊自适应PID控制器及Simulink仿真摘要:随着工业生产的发展，于20世纪30年代，美国开始使用PID功调节器，它比直接作用式调节器具有更好的控制效果，因而很快得到了工业界的认可。至今，在所有生产过程控制中，大部分的回路仍采用结构简单、鲁棒性强的PID控制或改进型PID控制策略。PID控制作为一种经典的控制方法，几乎遍及了整个工业自动化领域，是实际工业生产过程正常运行的基本保证;控制器的性能直接关系到生产过程的平稳高效运行以及产品的最终质量，因此控制系统的设计主要体现在控制器参数的整定上。随着计算机技术的飞跃发展和人工智能技术渗透到自动控制领域，近年来出现了各种实用的PID控制器参数整定方法。PID控制算法作为最通用的控制方法，对它的参数整定有许多方法;对于不同的控制要求、不同的系统先验知识，考虑用不同的方法;这些算法既要考虑到收敛性、直观、简单易用，还要综合负载干扰、过程变化的影响，并能根据尽可能少的信息和计算量，给出较好的结果。为克服一自由度PID控制器无法兼顾目标跟踪和外扰抑制的缺点，结合二自由度控制器的结构和基于幅值最优化的控制器参数整定方法，并通过分析得到控制器参数求解公式，实现了二自由度PID控制器参数整定和二自由度Pl控制器参数整定。与常规控制方法相比，该方法得到的控制器具有更好的闭环响应性能，并且由于二自由度系数的半固定性，在整定PID控制器参数之前就可以确定，因此，对控制器参数的求解难度无影响。通过仿真比较研究，对于连续对象，综合得到几种较好的基于继电器反馈的控制器参数整定方法，对离散采样数据采用基于最小二乘模型辨识的参数整定方沪书尸摘要法，提出并设计基于Matlab/simulink仿真工具的PID控制器参数整定仿真应用软件。介绍了PID整定控制器的应用框架、辅助设计与仿真软件的功能、特点，并给出了仿真实例。关键词：模糊PID控制器参数自整定Matlab自适应PID控制1绪论在工业控制中，PID控制是工业控制中最常用的方法。模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并目仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。到目前为止，现代控制理论在许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而在工业过程控制中，PID类型的控制技术仍然占有主导地位。虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广、被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的基本控制单元。本文将模糊控制和PID控制结合起来，应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定，实现PID参数的最佳调整，设计出参数模糊自整定PID控制器，并进行了Matlab/Simulink仿真。仿真结果表明，与常规PID控制系统相比，该设计获得了更优的鲁棒性和动、静态性及具有良好的自适应性。随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性、滞后和时变现象。其中有的参数未知或缓慢变化;有的带有延时和随机干扰;有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。传统的PID(比例proportional，积分integral，微分derivative)控制器虽然以其结构简单、工作稳定、适应性好、精度高等优点成为过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器(据日本统计，当前工业上使用的控制中，PID控制约占91.3%，而现代控制理论的控制方式只有1.5%)，而且PID调节规律特别是对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节品质取决于PID控制器各个参数的确定。然而，针对上述的复杂系统，如果使用常规的PID控制器，其PID参数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到满意的控制效果。为此，近年来各种改进的PID控制器如自校正、自适应PID及智能控制器迅速发展起来。模糊控制理论无论从理论方面还是应用方面都已经取得了很大的进展，但是与传统控制理论相比模糊控制理论仍然显得不够成熟。从上面的分析我们也可以看出模糊控制的主要缺点就是没有一个有效的分析和设计方法，仍然需要靠积累的专家经验。2PID控制原理简介2.1引言PID调节器从上世纪40年代问世以来，至今已有半个多世纪的历史，在这前几十年工业过程控制中，除在最简单的情况下可直接采用开关控制以外，PID控制一直是最主要的控制方式。随着工业生产自动控制的发展，由于人们的勤劳与智慧，为PID的发展和推广做出了巨大的贡献，使之成为工业过程控制中历史最悠久、生命力最顽强、应用最广泛的基本控制策略。就是在微处理技术迅速发展的今天，尤其随着电子计算机的诞生以及科学技术智能化的发展，涌现出各种新的控制方法，然而在生产过程控制中仍广泛应用PID控制或改变了形式的PID控制策略。以上足以说明PID控制在自动控制的发展过程当中，已具有不可替代的地位，并仍将成为今后新型控制策略中，具有主导地位的必要组成部分。PID控制之所以在生产过程中普遍采用，主要由于它具有良好的控制性能、鲁棒性好、可靠性高;控制算法简单、使用方便、灵活等优点。2.1PID控制原理PID控制是偏差比例(P)、偏差积分(I)、偏差微分(D)控制的简称。在模拟控制系统中，常规模拟PID控制系统原理框图(如图2-1)所示。系统由模拟PID控制(虚框内部分)和被控对象组成。如图2-1模拟PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差tytrte公式（2-1）将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为tDIdttdeTdtteTtetu01公式（2-2）其传递函数形式为)11(STSTKSESUSGDIP公式（2-3）式中KP—比例系数TI—积分时间常数TD—微分时间常数2.2比例控制(P)R1R2ViVo如图2-3比例电路12)()(RRViVott公式（2-7）)(12)(ttViRRVo公式（2-8）在比例调节器中，调节器的输出信号u与偏差信号e成正比例，即公式（2-9）其中KP称为比例系数。比例调节即及时成比例地反映控制系统的偏差信号e，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例调节器的特点是简单、快速，对于具有自平衡性的控制对象可能产生静差(自平衡性是指系统阶跃响应终值为一有限值);而对于带有滞后的系统，可能产生振荡，系统的动态特性也随之降低。增大比例系数KP，可以加快响应速度，减小系统稳态误差，从而有利于提高控制精度。然而KP取的过大，系统开环增益也随之加大，一般将导致系统稳定性降低甚至激烈震荡(也有一些系统，其稳定性随KP增大反而变好。此时，如果残差过大，则需要通过其它途径解决)。减小比例系数KP，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，却同时降低了系统的调节精度，导致过度过程时间延长。根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以及操作者的经验，通常在控制的初始阶段，适当的把KP放在较小的档次，以减小各物理量初始变化的冲击;在控制过程中期，适当加大KP，以提高快速性和动态精度，而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将KP调小。2.3积分调节(I)R1ViVo1/SC2-4积分电路SCRSCRRSCViVott1111111)()(公式（2-10）ViSCRVot111)(公式（2-11）dtViCRVot1)(1公式（2-12）VoR21/SCVI2-5微分电路在积分调节中，调节器的输出信号u的变化速度dtdu与偏差信号e。成正比，即公式（2-13）或公式（2-14）式中TI称为积分时间常数。可见偏差一旦产生，控制信号不断增大，偏差信号消失后，控制信号保持原值，显然，在已知TI为常数的情况下，控制信号为常数当且仅当e=O，即对于一个带积分作用的控制器而言，如果它能够使闭环系统达到内稳，并存在一个稳定状态，则