本科毕业设计---基于vc的模糊pid控制模块设计.doc

学 号 毕业设计（论文）题目：基于VC的模糊PID控制模块设计 日 1摘 要传统的PID调节算法，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。本系统采用微软公司的高级编程语言Visual C+6.0作为开发工具。用户设置的参数经过模拟PID算法产生数据结果，模拟PID算法根据反馈回来的值来确定输入参数，以达到精确控制的效果。本系统开发完成后进行了测试，并根据输出结果绘制趋势图，均达到了预定的效果，各模块和程序代码均正确。关键词: 模糊PID，模糊规则，模糊算法，PID调节ABSTRACTThe PID of algorithm traditional regulation exists nonlinear, slow and time-varying phenomena. Some of these parameters is unknown or slow changes with delay and random interference; Some can not get more accurate mathematical model or the model is very rough.The system uses Microsofts high-level programming language Visual C + +6.0 as a development tool. After users set the parameters, PID algorithm generated simulation results and analog PID algorithm based on feedback back to determine the value of the input parameters to achieve the precise control of the effect.The system was tested and the mapping trends in accordance with output has reached the intended effect . the modules and code are correct .Key words： Fuzzy PID, fuzzy rules, fuzzy algorithm, PID regulator26基于VC的模糊PID控制模块设计目录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1 引言11.2 模糊PID研究的基本形式21.2 Visual C+ 6.0中文版的简介42 模糊控制概述62.1 简介62.2 基于T-S模型的模糊PID控制73 软件设计73.1 VC工程文件的建立73.2 界面设计83.3 MSchart控件的加载93.4 MSchart控件属性设置103.5 MFC类向导设置113.6 菜单栏建立123.7 Timer控件建立143.8 “自动运行” 按钮程序段153.9 “单步运行” 按钮程序段173.10 “重设参数” 按钮程序段193.11 “退出系统” 按钮程序段194 软件打包204.1 软件发布204.2 生成安装文件214.2.1选择安装文件214.2.2生成安装文件22总结24参考文献25致谢261绪论1.1 引言传统的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、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，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。随着微型计算机的飞速发展，模糊(FUZZY)控制以它全新的控制方式在控制界受到了极大的重视并有了迅速的发展。1974年，英国科学家E.H.Mamdani首次将模糊技术应用于汽轮机的控制，开辟了模糊控制理论应用的新领域。随着技术的发展，模糊控制理论和模糊技术成为最广泛最有前景的应用分支之一。模糊控制器是一种专家控制系统，它的优点是不需要知道被控对象的数学模型而能够利用专家已有的知识和经验。重要的是当系统为非线性系统时，模糊控制器还可以产生非线性控制作用。与传统的PID控制方式相比，它具有特别适合于那些难以建立精确数学模型、非线性、大滞后和时变的复杂过程等特点。但是经过深入研究，也会发现基本模糊控制存在着其控制品质粗糙和精度不高等弊病。而且用的最多的二维输入的模糊控制器不是PI就是PD型，不是过渡过程品质不好就是不能消除稳态误差。因此，在许多情况下，将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活、适应性强、快速性好的优点，又具有PID控制精度高的特点。从模糊技术应用于控制领域开始，许多的学者就开始着手二者的结合，以期待对传统控制的突破。于是，许多模糊和PID相结合的控制器相继出现，包括基于模糊推理的PID参数自整定模糊和PID的复合控制器以及实现PID功能的模糊PID控制器等。许多的仿真和实际例子都显示这些模糊PID控制器具有较好的性能。然而这些模糊PID控制器虽然比传统的PID控制器有很大的改进，但模糊规则的获取，比例、量化因子和隶属函数的确定都具有一定的主观性，包含着需要人为确定的待寻优参数。对于这些参数，一般来说，可以根据系统原理和专家经验来获得，但是如果要快速匹配这些参数，提高控制效果，获得一组最优解，则需要用寻优的方法来解决。因此需要设定一个合适的优化指标使系统具有最优的控制性能。但现有的大部分模糊PID控制器都是手工整定或试凑，没有合适的具体的优化指标，因此一般都不能得到最好的控制性能。1.2 模糊PID研究的基本形式模糊PID控制器主要有以下三种基本形式:(1) 增益调整型(Gain scheduling)模糊PID控制器由于常规PID调节器不具有在线调整参数的功能，致使其不能满足偏差。及偏差变化。对PID参数的自整定要求，从而不能满足要求的性能指标或影响了其控制效果的进一步提高。为了满足在不同偏差e和偏差变化率e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，便构成了增益调整型模糊PID控制器该类 控 制 器中输出的物理量直接对应增益参数，通过应用模糊规则实现对三个增益参数的调整。其有两种形式:基于性能监督的增益调整型模糊PID控制器，如:If (Perform Index is ) then (Kp is ) and Ki is ) 有关性能指标(Perform Index)可以是超调量、稳态误差或其它静动态特性。由于这些性能指标需要一个完整控制过程得到，因此该类控制器可以用于自整定或自适应方式对增益进行动态调整。 基于误差驱动的模糊PID控制器，Zhao等人应用了如下的规则形式:If(e is) and (e is) then (Kp is) and (Ki is) and (Kd is)该控制器的PID增益参数将是误差e和误差变化e的非线性函数。如非线性比例增益可以记为:Kp= f(e, e)。以He 等发展的模糊PID控制器应用二维模糊推理机计算单因子参数a，各增益参数均表现为。(e, e )的函数，从而达到了调整各参数的目的。对于那些含有对被控过程在线辨识环节的Fuzzy-PID控制器，对具有不确定性的对象有较好的控制效果。通常用两种方式实现对被控过程的在线辨识。一种是运用模糊规则控制的同时进行在线辨识，另一种是利用神经网络的逼近能力和自学习能力，把神经网络训练成可代替被控对象的逆模型，然后再进行控制。(2) 直接控制量型(Direct-action)模糊PID控制器如果模糊推理机的输出是PID原理范围内的控制作用量，则该控制器属于直接控制量型。1987年，H.Ying在模糊控制理论中首次严格地建立了模糊控制器与传统控制器的分析解关系，其中特别重要的是证明了Mamdani模糊PI(或PD)型控制器是具有变增益的非线性PID控制器。这些工作为模糊控制理论与传统PID控制理论相结合建立了桥梁。随后这种模糊PID控制算法结构研究的许多新成果不断涌现。并给出了最为深刻的理论分析，证明了具有最简单线性控制规则的二维模糊控制器其输出可等同于一个非线性PI控制器，在线性对象和非线性对象上的仿真结果表明了模糊控制器同PI控制器的内在联系和区别。并将此方法推广到具有通常线性控制规则的二维模糊控制器，证明了其输出可等同于一个全局多层次线性关系式和一个局域非线性PI控制器，将结构分析方法推广到具有线性规则的三维模糊控制器上，得出了三维模糊控制器的一般解析输出表达式，证明了具有一般线性推理规则的三维模糊控制器可等同于一个全局多层次关系式和一个局部非线性PID控制器。(3) 混合型(hybrid)模糊PID控制器混合型模糊PID控制器可以有各种形式出现:如增益调整型与直接控制量型的结合，或传统线性PID控制器与模糊控制器的结合。类比传统的PD、PI、PID控制，模糊控制器亦可分为PD、PI和PID型。人们在1974年Mamdani工作的基础上，提出了二维模糊控制器结构。这种模糊控制器主要可分为2类:PI型的模糊控制器，由偏差e和偏差的和e作为输入量;PD型的模糊控制器，由偏差e和偏差的变化e作为输入量。但二者都有不足，PI型控制由于有积分的作用，在高阶系统中过渡过程较差;PD型控制因没有积分的作用，难以消除稳态误差，为此在模糊控制器中引入积分作用。虽然以偏差e，偏差和e,偏差变化e以及偏差变化的变化e2作为输入构成常规或增量式模糊PID控制器可以实现PID的控制功能，但因增加了一个输入量使得模糊控制器的设计和计算复杂，规则繁多，推理运算时间变长。传统 PID 控制器与模糊控制器的结合有两种结构形式:串联结构和并联结构。图1-1 串联结构复合控制PID对象FUZZYKr_eeufy串联结构:结构原理如图1-1所示。当系统的偏差e大于语言变量值零档时，即在动态过程中，e和uf同时用做PID控制器的输入信号，即e(t)=e(t)+uf(t)，对PID控制器产生较强的控制信号，系统的动态响应较快；而当偏差信号e小于语言变量值零档时，模糊控制器通过开关K断开，这时e(t)=e(t) 只有偏差信号进入PID控制器，由于此时系统的输出和给定值己经很接近，所以能很快地趋于给定值，消除稳态误差。这种结构的模糊控制器产生阶梯状的非线性控制信号作用于PID控制器，依靠调节PID输入的突然变化来提高动态响应速度，往往易造成PID作用的误调节。并联结构:结构原理如图1-2所示。PID对象FUZZYr_eyufupid图1-2 并联结构复合控制它是将模糊控制器和PID控制器并联起来对系统进行控制，即有模糊和PID两种模态。其中模糊控制器采用常规模糊控制器，输入变量为偏差e和偏差变化e，输出为u,模糊控制规则采用IF-THEN形式，推理合成采用MAX-MIN算法，反模糊化采用面积重心法。这种模糊控制器本质上是一PD控制器，由于缺乏积分环节系统有稳态误差，为此在偏差e小于某一闽值M时，控制器切换至常规PID控制器，从而使得这种双模控制器具有响应快，稳态精度高的特点。1.2 Visual C+ 6.0中文版的简介本文介绍了基于Visual C+ 6.0 平台的VC的模糊PID控制模块设计。 而Visual C+ 6.0是在多年使用过程中不断改进的基础上推出的，它在前一版的Visual C+ 5.0的基础上做了很大改进，增添了许多新功能，其主要的功能特点可概括为以下几个方面。 (1)编译器改进了对于ANSI C+标准的支持。Visual C+ 6.0的编译器不但可以支持ANSI C+标准，还增添了对逻辑型数据的支持，并且对于模板的支持也得到了相当的改善。 (2) Developer Studio编辑器得到了很大改进。Visual C+ 6.0使用的编辑器DeveloperStudio具有为用户自动完成通用语句编辑的功能。使用Developer Studio，不仅可以创建由Visual C+ 6.0 使用的源文件和其他文档，而且可以创建，查看和编辑与任何ActiveX部件有关的文档。在Developer Studio中，可以在项目工作区中组织文件、项目和项目配置，可以使用工作区窗口来查看和访问项目中的各种元素。(3)最快的集成数据库访问：Visual C+ 6.0允许用户建立强有力的数据库应用程序,可以使用Windows平台提供的ODBC类和高性能的32位ODBC驱动程序来访问各种数据库管理系统，也可以使用DAO(数据访问对象)类通过编程语言来访问和操纵数据库中的数据并管理数据库和数据库对象与结构。可见，Visual C+ 6.0 提供了最快的集成数据库访问。(4)包含了对于MFC库的新改进。Visual C+ 6.0增加了用于Internet编程的类，并且支持在Internet Explorer 4.0和Windows 98环境下编程的新的通用控件。(5)增强型的联机帮助。Visual C+ 6.0改进了在线帮助系统，使得访问Microsoft Developer Network更加容易，只需单击鼠标即可。联机帮助系统将自动使用安装在计算机中最新的MSDN库。Visual C+ 6.0包括三个不同规模的版本，分别为学习版（Learning Edition）、专业版（Professional Edition）和企业版（Enterprise Edition）。（1）学习版是Visual C+ 6.0的基础版本，是针对初学者学习和使用的。学习版提供了一组标准工具，可以创建功能完备的Windows应用程序。（2）专业版除了具有学习版的全部功能外，还包括生成分布式应用程序必备的工具。所生成的分布式应用程序适用于所有32位PC环境。（3）企业版是Visual C+ 6.0的最完整版本，除了具有学习版和专业版的全部功能外，还包含了一些用于创建客户/服务器应用程序所需的工具等。2 模糊控制概述2.1 简介在日益复杂的被控过程面前，由于不可能得到过程的精确数学模型，传统的基于精确模型的控制系统设计理论(包括古典控制理论及现代控制理论)受到严峻挑战。智能控制通过在系统控制和决策中引入人工智能，实现了对这些用传统控制理论难以控制的过程的有效控制。智能控制理论覆盖的范畴十分广泛，其主要分支有模糊控制、学习控制、专家控制、神经网络控制等。图2-1 所示的模糊控制系统和常见的负反馈闭环控制系统相似，唯一不同之处是控制装置由模糊控制器来实现。图2-1 模糊控制系统图模糊控制器控制对象给定值 +_偏差控制量被控制量模糊控制器的设计在模糊逻辑控制中主要使用Mamdani模糊模型和Takagi-Sugeno模糊模型。Mamdani模糊模型是一种语言模型，利用Mamdani模型构成的模糊逻辑系统实质是一组模糊IF-THEN规则，在这组规则中前件变量和后件变量均为模糊语言变量，其一般形式如下:Ri:if xi is Ai1 andand xn is Ain, then y1 is Bi1 and ym is Aim其中： xi、x2、xn是规则前件语言变量；yi、y2、yn是规则后件语言变量，代表了作用于对象的控制量；Ai1Ain ，Bi1 Bin是模糊语言变量 Ri表示第i条规则。Mamdani模糊模型是由英国的E.H .Mamdani提出的，它是最早在实践中得到应用的一个模型，但本文用的是T-S模拟模型。Takagi-Sugeno模糊模型是1985年由日本的Takagi和Sugeno提出，后来由Sugen和Kang进一步完善。这种模型从某种意义上来说与Mamdani模型有类似之处:都是由IF-THEN规则构成;规则前件含有模糊语言值。然而Takagi-Sugeno模糊模型(简称T-S模型)的后件是一线性函数。T-S模糊模型一般具有如下形式:Ri:if x is Ai,then yi=f(x)其中： x为规则前件语言变量； yi为第i条规则的输出量； Ai为模糊语言值； Ri表示T-S模糊模型的第i条规则。T-S模糊模型的后件为线性函数，这就为模糊控制理论与现有的线性系统理论相结合提供了可能，从而为利用线性系统理论来分析模糊控制系统的特性提供了途径。近年来应用T-S模型进行系统的辨识的比较多。2.2 基于T-S模型的模糊PID控制设连续PID调节器的输出值VM表示为y(t)，则：其中x(t)为偏差信号，等于设定值Vs与测量值Vp之差；P，Ti，Td分别为比例度和积分、微分时间常数。数字调节器的特点是断续动作。它以采样周期T为间隔，对偏差信号x（t）采样和作模/数转换后，按一定的调节规律算出输出值。可以将连续PID表达式离散化，用差分方程表示，得出第n次的输出量Yn为：1式中，Xi是偏差信号x(t)的第i次采样值。3 软件设计3.1 VC工程文件的建立运行VC+6.0中文版，新建一个工程文件，如下设置：图 3-1 VC工程文件的建立图 3-2 VC工程文件的建立3.2 界面设计新建好的工程文件界面如下：图 3-3 界面设计点击控件栏，放置玩控件的界面如下：图 3-4 界面设计3.3 MSchart控件的加载 MSchart控件为ActiveX控件，控件栏中没有所以要手工加载，加载前一定要确保PC中装有完整的Office或VB。加载MSchart控件如图：图 3-4 MSchart控件的加载图 3-5 MSchart控件的加载3.4 MSchart控件属性设置右击MSchart控件，如图：图 3-6 MSchart控件属性设置图 3-7 MSchart控件属性设置图 3-8 MSchart控件属性设置3.5 MFC类向导设置按CTRL+W键，弹出MFC类向导设置窗口，并按如下设置：图 3-9 MFC类向导设置图 3-10 菜单栏建立3.6 菜单栏建立”按钮，点击“新建创建菜单栏，如图：创建完成的菜单栏，如图：图 3-11 菜单栏建立图 3-12 菜单栏建立3.7 Timer控件建立VC+不像VB有Timer控件，如要使用的话需用户在zlhDlg.cpp文件中创建：void CZlhDlg:DoDataExchange(CDataExchange* pDX)CDialog:DoDataExchange(pDX);/AFX_DATA_MAP(CZlhDlg)DDX_Control(pDX, IDOK, m_my_ok);DDX_Text(pDX, IDC_EDIT1, m_my_p);DDX_Text(pDX, IDC_EDIT2, m_my_ti);DDX_Text(pDX, IDC_EDIT3, m_my_td);DDX_Text(pDX, IDC_EDIT4, m_my_vs);DDX_Control(pDX, IDC_MSCHART1, m_Chart);DDX_Text(pDX, IDC_EDIT5, m_my_y);/AFX_DATA_MAPBEGIN_MESSAGE_MAP(CZlhDlg, CDialog)/AFX_MSG_MAP(CZlhDlg)ON_WM_SYSCOMMAND()ON_WM_PAINT()ON_WM_QUERYDRAGICON()ON_BN_CLICKED(IDOK, Onstart)ON_BN_CLICKED(IDOK2, OnOk2)ON_WM_TIMER() /定义timerON_BN_CLICKED(IDOK3, Onpause)ON_BN_CLICKED(IDOK4, Onrand_input)ON_BN_CLICKED(IDC_STATIC1, OnStatic1_pic)ON_COMMAND(ID_MENUITEM32771, OnMenuitem32771_auto)ON_COMMAND(ID_MENUITEM32772, OnMenuitem32772_step)ON_COMMAND(ID_MENUITEM32773, OnMenuitem32773_pause)ON_COMMAND(ID_MENUITEM32775, OnMenuitem32775_exit)/AFX_MSG_MAPEND_MESSAGE_MAP()定义Timer控件时间间隔为0.5秒：void CZlhDlg:Onstart() / TODO: Add your control notification handler code here/row:6,col:4for(int row = 1; row = 5; +row)UpdateData(TRUE);timer1=SetTimer(1,500,0);3.8 “自动运行” 按钮程序段void CZlhDlg:Onstart() / TODO: Add your control notification handler code here/row:6,col:4for(int row = 1; row 6 ) m_my_p=m_my_p+(x1-x2);m_my_ti=m_my_ti+(x1-x2);m_my_td=m_my_td+(x1-x2); elsem_my_p=m_my_p-(x1-x2);m_my_ti=m_my_ti-(x1-x2);m_my_td=m_my_td-(x1-x2);int yy;yy=(int)y;m_my_y=yy;if (yySetWindowText(str);m_my_vs=vs;UpdateData(FALSE);m_Chart.GetDataGrid().SetData(row, 1, yy, 0);/Sleep (500); m_Chart.Refresh(); 3.9 “单步运行” 按钮程序段void CZlhDlg:Onrand_input() / TODO: Add your control notification handler code herefor(int row = 1; row 6 ) m_my_p=m_my_p+(x1-x2);m_my_ti=m_my_ti+(x1-x2);m_my_td=m_my_td+(x1-x2); elsem_my_p=m_my_p-(x1-x2);m_my_ti=m_my_ti-(x1-x2);m_my_td=m_my_td-(x1-x2);int yy;yy=(int)y;m_my_y=yy;if (yySetWindowText(str);/m_my_vs=vs;/UpdateData(FALSE);m_Chart.GetDataGrid().SetData(row, 1, yy, 0);UpdateData(FALSE);m_Chart.Refresh(); KillTimer(timer1);3.10 “重设参数” 按钮程序段void CZlhDlg:Onpause() / TODO: Add your control notification handler code hereKillTimer(timer1);3.11 “退出系统” 按钮程序段void CAboutDlg:OnOK() / TODO: Add extra validation hereCDialog:OnOK();图 3-21 “退出系统” 按钮程序段4 软件打包4.1 软件发布图 4-1 软件发布图 4-2 软件发布运行并生成EXE文件图 4-3 软件发布4.2 生成安装文件4.2.1选择安装文件图 4-4 选择安装文件新建一个文件夹，把已经选择的文件夹放入一个新的目录，到时在Wise Installation System - Professional Edition中选择。图 4-5 选择安装文件4.2.2生成安装文件运行 Wise Installation System - Professional Edition， 新建一个“空工程”图 4-5 生成安装文件按左边栏目的顺序填写安装文件的各项信息图 4-6 生成安装文件总结经典 的 PID控制广泛的应用于工业控制的各个领域，但其也存在着自身的不足。而模糊控制作为智能控制的一个重要研究分支得到了广泛而深入的研究，为解决具有不确定性、时变非线性以及多变量等特性的复杂难建模系统提供了一种有效的途径，弥补了传统PID控制的不足。因此将二者相结合既充分发挥PID控制简单，精度高又有模糊控制灵活、适应性强、快速性好的优点。本文就是基于VC的模拟PID设计，采用的是T-S 模型。参考文献1 陈立云，TS型模糊PID控制器设计的改进M，天津大学电气与自动化工程学院, 天津300072;2 谢庆国、万淑芸、赵金, 一种T 2S 模糊控制器的设计方法M, 华中科技大学3 姜成国，周广铭.模糊PID控制器结构J.大庆石油学院学报.2000.34 张清华.一种可调整模糊强度的FUZZY PID控制器J.自动化与仪表.2000.65 李辉，韩红，韩崇昭，朱洪艳.基于遗传算法的模糊逻辑控制器优化设计J.西安交通大学学报 .2002.4.6 谢立. 模糊PID控制器设计M.南京大学电气与自动化工程学院7 张万国，模糊控制器的设计方法M. 华中科技大学出版社8 舒怀林， PID神经元网络及其控制系统M.国防工业出版社9 孙鑫，余安萍. VC+深入详解M.科学出版社10 明日科技，Visual C+程序开发范例宝典M.人民邮电出版社11 求是科技，Visual C+6.0 程序设计从入门到精通M. 华中科技大学12 William H.Press. Numerical Recipes in C+. Beijing:posts & Telecom Press.200613 Haibin Zhu,Mengchu Zhou. Object-oriented Programing in C+. Beijing:Tsinghua University Press.2006.