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收稿日期:2008-07作者简介:康杰(1973—,男,硕士研究生,工程师,主要从事工业控制和自动化仪表等方面的研究。基于MATLAB的模糊PID参数自整定仿真研究康杰(包头钢铁集团有限责任公司计量处,内蒙古包头014010摘要:提出一种参数自整定模糊PID控制器,利用模糊推理的方法实现对PID。通过计算机仿真加以实现并与传统的PID控制进行了比较,仿真结果表明,,易于实现,便于工程应用。关键词:模糊PID;模糊推理;PID控制器;计算机仿真中图分类号:TM930:B:1006-2394(200812-0020-03ResearchandSimtiPetersSelf2adjustingBasedonMATLABKANGJie(InstrumentmentofBaotouIronandSteel(GroupCorporationLTD,Baotou014010,ChinaAbstract:AfuzzyPIDcontrollerofparametersself2adjustingispresentedinthispaper.Theself2adjustingonlineofPIDparametersisrealizedbyfuzzyreasoning.ThesimulationresultofthefuzzyPIDcontrolleriscomparedwiththatofthetraditionPIDcontroller.SomeresultsshowthatthefuzzyPIDcontrollercanimprovedynamiccapabilityofcontrolsystemclearlyandreducethecalculationquantityandiseasytorealizeandconvenientforengineeringapplication.Keywords:fuzzyPID;fuzzyreasoning;PIDcontroller;computersimulation1常规PID参数整定方法常规PID控制,结构简单,形式固定,并有一定的控制精度,其参数调整方便,因此,是目前采用最多的一种控制方式。如图1所示。图1常规PID控制器结构框图PID控制规律为:u(t=kpe(tTI∫te(tdt+TDdt(1式中,kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。常规PID参数整定方法且目前应用较广的是基于Ziegler-Nichols方法的PID整定。该方法整定比例系数kp的思想是,首先置kD=kI=0,然后增加kp直至系统开始振荡(即闭环系统极点在jω轴上,再将kp乘以0.6,即为整定后的比例系数kp。整定公式如下:kp=0.6km,kD=kpπ4ωm,kI=kpωmπ(2式中,km为系统开始振荡时的k值,ωm为振荡频率。2PID参数自整定模糊控制器的设计2.1模糊控制系统结构参数自整定模糊PID控制系统结构如图2所示。图2系统结构框图本文在常规PID控制器的基础上,以误差e和误差变化率ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,便构成了自适应模糊PID控制器。PID参数自整定是找出PID三个参数与e和ec之间的模糊关系,在运行中通过不断检测e和ec,根据模・02・仪表技术2008年第12期糊控制原理来对三个参数进行在线修改,以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求,而使被控对象有良好的动、静态性能。2.2PID参数自整定原则从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,kp,ki,kd的作用如下:(1比例系数kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。kp越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至会导致系统不稳定。kp取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、性变坏。(2积分作用系数i误差。ki越大,,但ki过大,在,从而引起响应过程的较大超调。若ki过小,将使系统静态误差难以消除,影响系统的调节精度。(3微分作用系数kd的作用是改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化,对偏差变化进行提前预报。但kd过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗干扰性能。由以上分析,本文对不同的|e|和|ec|,PID参数整定原则为:(1当|e|较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,应取较大的kp与较小的kd,同时为避免系统响应出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常取ki=0。(2当|e|处于中等大小时,为使系统响应具有较小的超调,kp应取得小些。在这种情况下,kd的取值对系统响应的影响较大,ki的取值要适当。(3当|e|较小时,为使系统具有较好的稳定性能,kp与ki均应取得大些,同时为避免系统在设定值附近出现振荡,kd值的选择根据|ec|值较大时,kd取较小值。通常kd为中等大小。2.3模糊控制器设计2.3.1变量隶属函数的确定根据PID参数自整定原则,用于PID参数控制的模糊控制器采用二输入三输出的模糊控制器。该模糊控制器是以|e|和|ec|为输入语言变量,以kp、ki和kd为输出语言变量。模糊控制器各语言变量的论域为:系统误差绝对值:|e|:E={0,E1,E2,E3}误差变化率绝对值:|ec|:EC={0,EC1,EC2,EC3}输出kp:UP={0,UP1,UP2,UP3}输出ki:UI={0,UI1,UI2,UI3}输出kd:UD={0,UD1,UD2,UD3}输入语言变量|e|和|ec|的论域取值“大”(B,“中”(M,“小”(S,“零”(Z四种;输出语言变量kp、ki和kd的论域取值也为“大”(B,“中”(M,“小”(S,“零”(Z四种。相应的隶属函数曲线由图3描述。图3各变量隶属函数曲线2.3.2建立控制规则表根据上述的PID参数整定原则及总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验,建立合适的模糊规则表,得到针对kp,ki,kd三个参数分别整定的模糊控制表。如表1至表3所示。表1KP控制规则表KP|e||ec|ZSMBZZSMBSBBMBMBBMBBMMSS表2KI控制规则表KI|e||ec|ZSMBZBMZZSBMZZMBBSZBBMSZ表3KD控制规则表KD|e||ec|ZSMBZZSMBSZSMBMZSMBBZZMS・12・2008年第12期仪表技术3基于MATLAB的系统仿真本文方法是基于MATLAB6.5来进行仿真,其仿真设计如图4所示。选择被控对象的传递函数为:G(S=1/(2S2+3S+1,图5给出了被控对象的阶跃响应仿真曲线。图4模糊自整定PID参数控制系统仿真框图图5G(S=1/(2S2+3S+1的仿真曲线为进一步验证本文方法的有效性,选取仿真实例:G(SS3+87.35S2+10470S采样时间为1ms,采用模糊PID控制进行阶跃响应,在第300个采样时间时控制器输出加1.0的干扰,相应的响应结果如图6~图9所示。图6模糊PID控制阶跃响应图7kp的自适应调整图8ki图9kd的自适应调整4结论(1模糊自整定PID参数控制系统中的参数kp、ki和kd对系统影响较大。应适当选择这三个参数的论域以获得最佳的PID控制特性。(2模糊控制器的控制规则对模糊自整定PID参数控制系统中的参数影响较大,这将直接影响系统的调节效果,应对模糊控制器的规则语句和控制规则表作适当的修改和调整。(3模糊自整定PID参数控制系统与传统PID控制相比,具有较好的动、静态性能,这在以上仿真得以证实。参考文献:[1]薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社,1996.[2]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社,1999.[3]张志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[4]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制系统及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.(丁云编发・22・仪表技术2008年第12期