先進(jìn)控制理論 ppt

1、先進(jìn)控制理論模糊PID控制項(xiàng)目組成員：1 PID的算法和參數(shù)的算法和參數(shù)KP比例系數(shù)； e（t）偏差；TI積分時(shí)間常數(shù)； u（t）控制量；TD微分時(shí)間常數(shù)；2 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類： 一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用

2、。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定3模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理顯然，模糊控制器主要由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、模糊推理機(jī)、解模糊接口四部分組成，通過(guò)單位負(fù)反饋來(lái)引入誤差，以此為輸入量進(jìn)行控制動(dòng)作。4模糊推理方式模糊推理方式1、Mamdani模糊模型（邁達(dá)尼型） Mamdani型的模糊推理方法最先將模糊集合的

3、理論用于控制系統(tǒng)7。它是在1975年為了控制蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)提出來(lái)的。其采用極小運(yùn)算規(guī)則定義表達(dá)的模糊關(guān)系。如R：If x is A then y is B。式中：x為輸入語(yǔ)言變量；A為推理前件的模糊集合；y為輸出語(yǔ)言變量；B模糊規(guī)則的后件2、Takagi-Sugeno模糊模型(高木-關(guān)野)Sugeno模糊模型也稱TSK模糊模型，旨在開(kāi)發(fā)從給定的輸入輸出數(shù)據(jù)集合產(chǎn)生模糊規(guī)則的系統(tǒng)化方法。此類方法將解模糊也結(jié)合到模糊推理中，故輸出為精確量。這是因?yàn)镾ugeno型模糊規(guī)則的后件部分表示為輸入量的線性組合。它是最常用的模糊推理算法。5模糊模糊控制器的維數(shù)確定控制器的維數(shù)確定 一維模糊控制器見(jiàn)圖，它的輸入變

4、量往往選擇為受控變量和輸入給定值的偏差e，但卻很難反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)，因而往往被用于一階被控對(duì)象。 二維模糊控制器 見(jiàn)圖，它的兩個(gè)輸入變量基本上都選用受控變量值和輸入給定值的偏差e和偏差變化ec，由于它們能夠嚴(yán)格地反映受控過(guò)程中輸出量的動(dòng)態(tài)特性，故在控制效果上要比一維控制器好得多，目前采用較廣泛。 三維模糊控制器 見(jiàn)圖，它的三個(gè)輸入分別為系統(tǒng)偏差量e，偏差微分ec，偏差的二階微分ecc。但由于這種模糊控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)。因此，適用于動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場(chǎng)合。 從理論上講，模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制律就過(guò)于復(fù)雜，基

5、于模糊合成推理的控制算法也就更困難。6模糊控制器的隸屬函數(shù)模糊控制器的隸屬函數(shù)典型的隸屬函數(shù)有11種，即雙S形隸屬函數(shù)、聯(lián)合高斯型隸屬函數(shù)、高斯型隸屬函數(shù)、廣義鐘形隸屬函數(shù)、雙S形乘積隸屬函數(shù)、S狀隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、三角隸屬函數(shù)、Z形隸屬函數(shù)。在模糊控制中應(yīng)用較多的隸屬函數(shù)有以下6種： 廣義鐘形隸屬函數(shù) S形隸屬函數(shù) 高斯型隸屬函數(shù) 梯形隸屬函數(shù) 三角形隸屬函數(shù) Z形隸屬函數(shù)6模糊PID控制器的設(shè)計(jì)1 、模糊PID控制器組織結(jié)構(gòu)和算法的確定模糊PID控制器的設(shè)計(jì)選用二維模糊控制器。即，以給定值的偏差e和偏差變化ec為輸入；KP，KD，KI為輸出的自適應(yīng)模糊PID控制器，見(jiàn)圖。2、 模糊P

6、ID控制器模糊部分設(shè)計(jì)(1)定義輸入、輸出模糊集并確定個(gè)數(shù)類別依據(jù)模糊PID控制器的控制規(guī)律以及經(jīng)典PID的控制方法9，同時(shí)兼顧控制精度。論文將輸入的誤差(e)和誤差微分(ec)分為7個(gè)模糊集：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS（正小），PM(正中)，PB(正大)。即，模糊子集為e，ec=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。將輸出的KP，KD，KI也分為7個(gè)模糊集：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS（正小），PM(正中)，PB(正大)。即，模糊子集為KP，KD，KI=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。(2)確定輸入輸出變量的實(shí)際論域

7、根據(jù)控制要求，對(duì)各個(gè)輸入，輸出變量作如下劃定：e，ec論域：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6KP，KD，KI論域：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6應(yīng)用模糊合成推理PID參數(shù)的整定算法。第k個(gè)采樣時(shí)間的整定為式中為經(jīng)典PID控制器的初始參數(shù)。為了便于系統(tǒng)輸入，輸出參數(shù)映射到論域內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，確定模糊化因子為：ke=kec=0.01；解模糊因子為：K1=0.5,K2=K3=0.01。(3)定義輸入、輸出的隸屬函數(shù)誤差e、誤差微分及控制量的模糊集和論域確定后，需對(duì)模糊變量確定隸屬函數(shù)。即對(duì)模糊變量賦值，確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊變量的隸

8、屬度。參考輸入、輸出變量的變化規(guī)律，依據(jù)第三章中3.5節(jié)相關(guān)內(nèi)容。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、試湊。最終作如下規(guī)定：對(duì)于輸入量誤差(e),誤差微分(ec)都采用高斯型的隸屬函數(shù)(gaussmf)，同時(shí)為體現(xiàn)定義的7個(gè)模糊子集，見(jiàn)下左圖和下右圖。 對(duì)于輸出量KP變化量（KP），KD變化量(KD)，KI變化量(KI)采用三角形隸屬函數(shù)(trimf)，同時(shí)為體現(xiàn)定義的7個(gè)模糊子集，見(jiàn)圖上、中、下。(4)確定相關(guān)模糊規(guī)則并建立模糊控制規(guī)則表根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可以歸納出系統(tǒng)在被控過(guò)程中對(duì)于不同的偏差和偏差變化率參數(shù)KP、KI、KD的自整定原則： 當(dāng)偏差較大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并防止

9、開(kāi)始時(shí)偏差的瞬間變大可能引起的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較大的KP和較小的KD。另外為防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)較大的超調(diào)，KI值要小，一般取KI=0。 當(dāng)偏差和變化率為中等大小時(shí)，為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度，KP應(yīng)取小些。在這種情況下KD的取值對(duì)系統(tǒng)影響很大，應(yīng)取小一些，KI的取值要適當(dāng)。當(dāng)偏差變化較小時(shí)，為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大KP、KI值，同時(shí)為避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩，以及考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)適當(dāng)選取KD。原則是：當(dāng)偏差變化率較小時(shí)，KD取大一些；當(dāng)偏差變化率較大時(shí)，KD取較小的值，通常為中等大小。參考以上自整定原則，總結(jié)工程設(shè)計(jì)人

10、員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的關(guān)于e、ec、KP、KD、KI的模糊規(guī)則，如：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).49.If (e is PB) and (ec is PB) then (KP is NB)(KI is PB)(KD is PB)將以上規(guī)則定義成模糊規(guī)則控制表,見(jiàn)表1,2,3。1 KP模糊規(guī)則表