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(完整word版)毕业设计：模糊控制器的仿真研究安阳师范学院本科学生毕业论文模糊控制器的仿真研究 系（院） 物理与电气工程学院 专业电气工程及其自动化 日期 2015.06.01 学生诚信承诺书本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。所有合作者对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 日期： 论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名： 导师签名： 日期： 模糊控制器的仿真研究王方启（安阳师范学院 物理与电气工程学院，河南 安阳 455000）摘要：本文对模糊控制系统的设计及仿真进行研究，对模糊控制及仿真技术的概念、特点、发展及应用进行了论述，简述了模糊控制的基本理论。在此基础上，详细介绍了模糊控制系统的系统组成和基本工作原理。同时，阐述了模糊控制器的结构和基本设计方法。最后，通过仿真结果进而对模糊控制系统进行改进。使用MATLAB对系统进行仿真，结果表明系统的动态性能得到了提高。关键词:模糊PID控制器；MATLAB；仿真1 引言 在工程实际应用中，应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、鲁棒性好，工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。但是对一些大惯性 、非线性和时变的系统常规PID控制就无能为力了。由于负载扰动或环境变化，受控过程参数和模型结构均发生变化，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性差。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。模糊控制是以模糊集合论作为它的数学基础的。模糊控制就是利用模糊集合理论，把人的模糊控制策略转化为计算机所能接收的控制算法，进而实施控制的一种理论和技术。它能够模拟人的思维因而对一些无法构建数学模型的系统可以进行有效的描述和控制，除了用于工业，也适用于社会学、经济学、环境学、生物学及医学等各类复杂系统。模糊控制与PID控制结合构成模糊PID控制既可实现PID控制的功能又可实现模糊控制的作用，克服PID控制遇到的问题。因此研究模糊PID控制具有十分重要的现实意义。2 常规PID控制2.1 PID控制器概述在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论技术飞速发展的今天，工业过程控制中95以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I），微分单元（D）组成。PID控制器具有以下优点：（1）原理简单，使用方便，PID参数（Kp，Ki和 Kd）可根据过程动态特性及时调整。（2）应用范围广，适应性强。PID控制广泛适用与化工冶金、石油、热工等工业生产中。（3）鲁棒性强，即其控制品质对被控制对象特性的变化不太敏感。 PID控制也有其固有的缺点。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，效果不是太好；最主要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。3 模糊PID控制3.1模糊控制起源模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展与需要分不开的。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而，由于以一系列原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变性多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立被控对象的数学模型。虽然常规PID控制可以解决一些问题，但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的。人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。3.2模糊控制器的基本结构与组成模糊控制器主要由模糊化接口、模糊推理、解模糊化接口和知识库1四部分组成。模糊化接口的作用是将输入的精确量转化成模糊化量，并用相应的模糊集合来表示。模糊推理是模糊控制器的核心它具有模拟人的基于模蛳概念的推理能力该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。反模糊化接口的作用是将模糊推理得到的控制量变换为实际用于控制的精确控制量。知识库中包含了具体应用领域的知识和要求的控制目标，它通常由数据库和模糊控制规则两部分组成。模糊控制器的基本组成如图1所示：模糊控制器A/DD/A执行机 构传感器图1 模糊控制器的基本组成在模糊控制中一般通过一组语言描述的规则来表示专家的知识专家知识通常具有Jf(满足一组条件)then(可推出组结论)的形式。当论域为离散量时，经过量化后的输入量个数是有限的，可以针对输入情况的不同组合离线计算出相应的控制量，从而组成一张控制表能够减少在线的运算量这种控制方法很容易满足实时控制的要求。在这种模糊控制结构中，通常用误差和误差变化作为模糊控制器的输入量。先对它们进行模糊量化处理得到模糊变量E和Ec，按模糊控制规则“进行模糊决策得到模糊控制量u再经过解模糊和比例变化得到实际控制量输出。模糊控制原理，如图2所示。模糊化d/dt模糊控制规则清晰化图2 模糊控制器的基本原理由此可见，模糊控制器实质上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构，一般常用的是二维模糊控制器，即以偏差和偏差变化率作为输入。工作过程可概括为下述几个步骤：（1）将输入变量的精确值变为模糊量；（2）根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；（3）上述得到的控制量（模糊量）清晰化得到计算精确的控制量。 4 模糊控制器的设计4.1语言变量隶属度函数的确定模糊控制器采用两输入三输出的形式,以和为输入语言变量，、和为输出语言变量。输入语言变量的语言值均取为“负大”(NB)、“负中”(NM)、“负小”(NS)、“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)7种.输出语言变量的语言值均取为“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)4种.将偏差和偏差变化率量化到(-3,3)的区域内,输出量化到(0,3)的区域内。4.2模糊控制器设计 Matlab模糊控制工具箱为模糊控制器的设计提供了一种非常便捷的途径，通过它我们不需要进行复杂的模糊化、模糊推理及反模糊化运算，只需要设定相应参数，就可以很快得到我们所需要的控制器，而且修改也非常方便。下面将根据模糊控制器设计步骤，一步步利用Matlab工具箱设计模糊控制器。 图3 模糊控制器下面都是在窗口中进行模糊控制器的设计。1确定模糊控制器结构：即根据具体的系统确定输入、输出量。这里可以选取标准的二维控制结构，即输入为误差e和误差变化ec，输出为控制量u。注意这里的变量还都是精确量。相应的模糊量为E，EC和U，选择增加输入(Add Variable)来实现双入三出控制结构。图4模糊控制器输入输出量2输入输出变量的模糊化：即把输入输出的精确量转化为对应语言变量的模糊集合。首先要确定描述输入输出变量语言值的模糊子集，如NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，并设置输入输出变量的论域，例如可以设置误差E（此时为模糊量）、误差变化EC、控制量U的论域均为-3，-2，-1，0，1，2，3；然后为模糊语言变量选取相应的隶属度函数。在模糊控制工具箱中，在Member Function Edit中即可完成这些步骤。首先打开Member Function Edit窗口. 图5模糊化然后分别对输入输出变量定义论域范围，添加隶属函数，以E为例，设置论域范围为-3 3，添加隶属函数的个数为7. 图6 模糊化 然后根据设计要求分别对这些隶属函数进行修改，包括对应的语言变量，隶属函数类型。图7隶属函数3模糊推理决策算法设计：即根据模糊控制规则进行模糊推理，并决策出模糊输出量。首先要确定模糊规则，即专家经验。对于这个二维控制结构以及相应的输入模糊集，我们可以制定49条模糊控制规则。 (1)当很大时，不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大(或最小)输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。同时为了防止积分饱和，此时应取较大,较小的和取零。 (2)当时，说明误差在向误差绝对值增大方向变化。此时若误差较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用,以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差绝对值，此时取较大的，不能太大,取较小的值。 若误差绝对值较小，控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化。(3)当或时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已达到平衡状态。此时，可采取保持控制器输出不变。(4)当时，表明系统的曲线与理论曲线平行或一致，为使系统具有良好的稳态性能，应采取较大和值，同时避免设定值附近振荡，并考虑系统的抗干扰性能，适当选取值。设 （5）式（5）中，和为系统的经典PID参数,一般用Z-N法来确定。根据PID参数的整定原则及专家经验,采用if-then形式,根据文中归纳的参数整定原则，可建立如下模糊控制规则：(1) If (E is NB) and（Ec is NB）then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is PS)(2) If (E is NB) and（Ec is NM）then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is NS)(3) If (E is NB) and（Ec is NS）then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NB)(4) If (E is NB) and（Ec is ZO）then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NB)(5) If (E is NB) and（Ec is PS）then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NB)(6) If(E is NB) and（Ec is PM）then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is NB)(7) If (E is NB) and（Ec is PB）then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is PS)(8) If (E is NM) and（Ec is NB）then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is PS) (9)If (E is NM ) and（Ec is NB）then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is NS)(10) If (E is NM) and（Ec is NS）then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NB)(11) If (E is NM) and（Ec is ZO）then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NM)(12) If (E is NM) and（Ec is PS）then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NB)(13) If (E is NM) and（Ec is PM）then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is NS)(14) If(E is NM) and（Ec is PB）then (Kp is NS)(Ki is ZO)(Kd is ZO)(15) If (E is NS) and（Ec is NB）then (Kp is PM)(Ki is NB)(Kd is ZO)(16) If (E is NS) and（Ec is NB）then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NS)(17) If (E is NS) and（Ec is NS）then (Kp is PM)(Ki is NS)(Kd is NM)(18) If (E is NS) and（Ec is ZO）then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NM)(19) If (E is NS) and（Ec is PS）then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is NS)(20) If(E is NS) and（Ec is PM）then (Kp is NS)(Ki is PS)(Kd is NS)(21) If (E is NS) and（Ec is PB）then (Kp is NS)(Ki is PS)(Kd is ZO)(22) If (E is ZO) and（Ec is NB）then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is ZO) 制定完之后，会形成一个模糊控制规则矩阵，然后根据模糊输入量按照相应的模糊推理算法完成计算，并决策出模糊输出量。图8 模糊控制规则4 对输出模糊量的解模糊：模糊控制器的输出量是一个模糊集合，通过反模糊化方法判决出一个确切的精确量，凡模糊化方法很多，这里选取重心法。5然后Export to disk，即可得到一个.fis文件，根据、和三个参数模糊规则表构造一个两输入（）三输出（）的模糊控制器，取名为fuzzpid.fis。这就是所设计的模糊控制器。5 Matlab仿真5.1模糊控制器仿真模块的建立在Matlab下运行fuzzy fuzzpid.fis可进入Matlab动态仿真工具箱仿真环境，建立仿真模块。图9 模糊PID与常规PID控制系统仿真模块5.2 仿真和仿真环境 运行仿真模块，可在MATLAB中得到如下模糊推理系统：图10 模糊推理系统打开曲面观测窗口，可以查看如下图11输出曲面：图11 输出曲面运行可以得到输入变量E如下图12的隶属函数曲线：图12 E的隶属函数曲线Kp的隶属函数曲线：图13 Kp的隶属函数曲线图14 PID控制和模糊PID控制的仿真曲线6结 语从仿真结果可以看出，模糊PID控制效果优于常规（传统）PID控制。通过对仿真曲线的分析，可以知道应用了模糊PID控制时，系统的响应速度加快、没有超调和振荡、调节精度提高、稳态性能变好，动静态性能也有所提高，具有较强的鲁棒性，能更好的满足系统的应用要求。同时，将模糊PID控制算法与Matlab结合在一起，利用模糊逻辑工具箱设计模糊控制器，能方便地修改输入输出的论域、模糊子集、隶属度函数及模糊控制规则等，突破了传统方法需要编制大量程序的做法，灵活，可视性强。致 谢很感慨，我在长舒一口气后开始写我的毕业论文的致谢辞了。论文的完成标志着我的大学生活即将结束，也意味着，新的生活又将开始了。最近的半年则并行着找工作和写论文。其间的起起伏伏、悲喜得失，今天想来仍旧唏嘘不已。所幸我没有被失败击垮。自信、坚强、乐观的态度让我坚持到了最后，并且争取了最好的结局。十年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。 感谢我的恩师郭季老师。两年来，郭老师对我的学习和研究都非常严格，并给予了悉心的指导，使我受益菲浅。从恩师身上我体味到了丰富的学养、严谨的作风、求实的态度，勤奋的精神，这都成为了我不断前行的动力和标杆。 还要感谢我的父母，给予我生命并竭尽全力给予了我接受教育的机会，养育之恩没齿难忘；感谢我的室友，无论在精神还是在物质上都给予我莫大的支持，在我最困难的时候总能给予我安慰和鼓励，让我重拾信心。 还有许多人，也许他们只是我生命中匆匆的过客，但他们对我的支持和帮助。最后，我以瓦尔登湖里的一句话结束我的论文，并以此作为未来乘风破浪的心灵脚注：使我们视而不见的光亮，对于我们就是黑暗。但我们清醒时，曙光才会破晓。来日方长，太阳只是颗启明星。以此为记。参考文献1 树青.西安、先进控制技术及其应用北京：化学工业出版社，20005 2 增圻，张再兴，邓志东。智能控制理论与技术：清华大学出版社，200423 阳黎明，MATLAB控制系统设计：国防工业出版社，200195 王立新模糊系统与模糊控制.王迎军译.M.北京:清华大学出版社 6 章卫国等.模糊控制理论与应用.M.西安：西北工业大学出版社7 韦巍.智能控制技术.M.北京：机械工业出版社8 王正林等.MATLAB/SIMULINK与控制系统仿真.M.北京：电子工业出版社Simulation Study of Fuzzy Self-tuning PID Controller Based on MatlabAbstract:Thethesismainjobnamelyistodoreasearchinfuzzycontrolsystemdesignationandemulation,Italsoillustratesfuzzycontrolandtechniquesofemulationsnotion,point,developmentandapplication,givingabriefintroductionoffuzzycontrolelementarytheories,onthefoundationofwhichitintroducesfuzzycontrolsystemselementsandbasicworkingprinciplesindetails.Meanwhile,itillustretesfuzzycontrolenginesconstructionanditsbasicdesigningmethodsCombining fuzzy control and PID control, the self-tuning of PID parameters is realized through fuzzy inference. The results of Matlab simulation indicate that the dynamic performance of system is improved.Keywords: fuzzy PID controller; Matlab; simulation第16页