基于模糊控制的溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于模糊控制的溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0模糊控制的應(yīng)用目前，溫室環(huán)境參數(shù)的控制有許多方法，其中許多控制方法需要相對(duì)精確的數(shù)學(xué)模型。然而，溫室環(huán)境參數(shù)的變化屬于非線性物理過(guò)程。無(wú)論采用何種方法，它通常都需要一些理想化的假設(shè)，建立模型的精度受到一定的影響?；谌说乃季S模式的模糊控制，建立模糊的邏輯模型器并不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，以解決多變量非線性系統(tǒng)的問(wèn)題，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在本系統(tǒng)中,結(jié)合常規(guī)PID控制具有的算法簡(jiǎn)單、魯棒性能好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),利用模糊PID控制實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的控制。模糊PID控制由模糊控制器本身消除穩(wěn)定誤差的性能較差,加入PID調(diào)解器可以提高消除穩(wěn)定誤差性能的作用。在控制策略上,當(dāng)偏差比較大時(shí),即偏差e在某個(gè)閥值之外,系統(tǒng)采用模糊控制,以獲得良好的瞬態(tài)性能;當(dāng)偏差在比較小的范圍內(nèi)(即偏差e在閥值之內(nèi))時(shí),則轉(zhuǎn)換為PID控制,從而獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。1模糊控制量u模糊控制的基本原理由圖1所示,其核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)則由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn),通過(guò)采樣獲得被控制量的精確值,然后將此量與給定值比較得到誤差E。誤差信號(hào)E作為模糊控制器的輸入量,把誤差信號(hào)E的精確值進(jìn)行模糊化變成模糊量,誤差E的模糊量可用響應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。至此,得到了誤差的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e,再由e和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行決策,得到模糊控制量u為u=e·R(1)常規(guī)PID控制具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),但存在調(diào)整不方便、抗干擾能力差、超調(diào)量大等缺點(diǎn)。在模糊控制系統(tǒng)中,考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性,通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。PID的本質(zhì)是線型控制,而模糊控制具有智能性,屬于非線型領(lǐng)域,因此將模糊控制與PID結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點(diǎn)?；诖?本文提出了模糊PID控制算法。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法,把規(guī)則的條件和操作用模糊集表示,并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中。計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況,運(yùn)用模糊推理,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整,這就是模糊PID控制。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。模糊PID控制算法需要找出PID的3個(gè)控制參數(shù):比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd與誤差e和誤差變化ec之間的模糊關(guān)系。運(yùn)行中,通過(guò)不斷檢測(cè)e和ec,根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改,以滿足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求,從而使被控對(duì)象有良好的性能。2模糊推理模塊模糊PID是在PID算法的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec,利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,并通過(guò)查詢模糊表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。模糊PID控制的核心是總結(jié)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),建立合適的模糊規(guī)則表,得到針對(duì)3個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表。2.1e催化劑的基本假設(shè)模糊控制器選用二維輸入和三維輸出。本系統(tǒng)對(duì)輸入量e,ec和輸出量Δkp,Δki,Δkd的模糊語(yǔ)言描述定義如下。描述輸入變量e,ec和輸出變量Δkp,Δki,Δkd的語(yǔ)言值模糊詞集為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大}。對(duì)應(yīng)用英語(yǔ)單詞首字母縮寫(xiě)為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}(2)其中,N=Negtive,B=Big,M=Middle,S=Small,O=Zero,P=Positive;NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。e,ec,Δkp,Δki,Δkd分別具有一定的實(shí)際變化范圍,即變量的基本論域。其中,偏差E和偏差變化量EC的范圍為[-3,+3],參數(shù)kp,ki,kd的變化范圍分別為[-3,+3]。論域劃分為E={-3,-2,-1,0,1,2,3}EC={-3,-2,-1,0,1,2,3}kp={-3,-2,-1,0,1,2,3}ki={-3,-2,-1,0,1,2,3}kd={-3,-2,-1,0,1,2,3}模糊子集為E={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}EC={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}kp={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}ki={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}kd={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}量化因子為HE=HEC=Hkp=Hki=Hkd=1。為減小在線的計(jì)算量和在線調(diào)整的適應(yīng)性的要求,輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)選擇為三角形,如圖3所示。2.2模糊控制規(guī)則一般來(lái)說(shuō),模糊控制規(guī)則實(shí)際上是總結(jié)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜业目刂浦R(shí)經(jīng)驗(yàn),制定出的模糊條件語(yǔ)句的集合,通常簡(jiǎn)寫(xiě)成一個(gè)表,即模糊控制規(guī)則表。確定模糊控制規(guī)則的原則必須是系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳。當(dāng)誤差大或較大時(shí),選擇控制量以盡快消除誤差為主;當(dāng)誤差較小時(shí),選擇控制量要防止超調(diào),以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。模糊控制可根據(jù)PID控制規(guī)律,按照一定的規(guī)則調(diào)整控制參數(shù),提高控制性能。經(jīng)過(guò)總結(jié)可得到對(duì)kp,ki,kd整定的模糊控制規(guī)則表,如表1和表2所示。2.3模糊控制器的控制規(guī)則模糊邏輯推理以模糊判斷為前提,利用模糊語(yǔ)言規(guī)則,推導(dǎo)出一個(gè)近似的模糊判斷結(jié)論。在模糊控制系統(tǒng)中,根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)制定出模糊控制規(guī)則,并進(jìn)行模糊邏輯推理,以得到一個(gè)模糊輸出集合(即一個(gè)新的模糊隸屬函數(shù)),這一步稱為模糊規(guī)則形成和推理。其目的是用模糊輸入值適配控制規(guī)則,為每個(gè)控制規(guī)則確定其適配的程度,并且通過(guò)加權(quán)計(jì)算合成那些規(guī)則的輸出。本系統(tǒng)中,把一個(gè)二維輸入、三維輸出的系統(tǒng)看成是3個(gè)二維輸入和一維輸出的系統(tǒng),即輸入分別為E和EC,輸出分別為kp,ki,kd,得知規(guī)則模型后進(jìn)行模糊推理,求解kp,ki,kd等3個(gè)控制表。由于3個(gè)控制表的過(guò)程一樣,就以kp為例進(jìn)行分析。對(duì)單個(gè)系統(tǒng)而言,總的模糊關(guān)系為R=R1∪R2∪…∪R49(3)對(duì)應(yīng)每一個(gè)模糊關(guān)系為R=E·EC·U。其中,U為輸出量。應(yīng)用模糊推理合成規(guī)則,輸出語(yǔ)言變量論域上的模糊子集為U=(E·EC)·R。對(duì)于二維輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng),其控制規(guī)則的推理采用如下方法:ifE=EiandEC=ECjthenkp=kpij(4)其中,i=1,2,……,m;j=1,2,……,n;E,ECj,kpij分別是定義于E,EC和kp的模糊集。模糊關(guān)系R可表示為R=Uij(Ei×ECj)×kpij(5)如果偏差和偏差變化率分別為E和EC,則模糊控制器控制量的變化可由模糊推理合成規(guī)則得出Kp=(E×EC)·R(6)根據(jù)上述公式,就可以得出kp的調(diào)整表。由kp模糊規(guī)則集模型,可得下列控制規(guī)則ifE=NBandEC=NBthenKp=PBifE=NBandEC=NMthenKp=PBifE=NBandEC=NSthenKp=PBifE=NBandEC=OthenKp=PBifE=NBandEC=PSthenKp=PMifE=NBandEC=PMthenKp=PSifE=NBandEC=PBthenKp=O……根據(jù)式(6)求解參數(shù)kp,即Kp1=[00000.20.51]Kp2=[00000.50.61]……同理,根據(jù)上述求解過(guò)程,可以求得ki和kd的參數(shù)值。2.4模糊控制的應(yīng)用通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合(即模糊控制器的輸出為一個(gè)模糊集),但實(shí)際模糊控制系統(tǒng)所得到的控制輸出信號(hào)必須是模糊論域中的精確量。因此,模糊控制器經(jīng)過(guò)推理后的模糊輸出集合必須經(jīng)過(guò)去模糊化處理后,轉(zhuǎn)化為模糊控制器的輸出量,再乘以量化因子得到被控系統(tǒng)實(shí)際控制量的具體數(shù)值。把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量的過(guò)程叫做模糊決策、清晰化或去模糊。 權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法的執(zhí)行量umax公式為umax=ΣkiuiΣkiumax=ΣkiuiΣki(7)其中,權(quán)系數(shù)ki的選取要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定,其選取直接影響著系統(tǒng)響應(yīng)特性。本系統(tǒng)中,選用系數(shù)加權(quán)平均法進(jìn)行去模糊處理,得到結(jié)果如表4、表5和表6所示。上述得到的模糊PID的3個(gè)模糊調(diào)整表是模糊控制算法的核心,將其寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器以供查詢。參數(shù)kp,ki,kd的調(diào)整公式為K′p=kp0+kpK′i=ki0+kiK′d=kd0+kd???????Κp′=kp0+kpΚi′=ki0+kiΚd′=kd0+kd}(8)其中,參數(shù)kp0,ki0,kd0是K′p,K′i和K′d的初始參數(shù)。在線運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)不斷檢測(cè)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)值,并實(shí)時(shí)地計(jì)算出偏差和偏差變化率,然后將它們模糊化得到E和EC,通過(guò)查詢模糊調(diào)整矩陣即可得到3個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的調(diào)整量,完成對(duì)控制器參數(shù)的調(diào)整。3模糊pid控制算法仿真1)在Matlab模糊邏輯工具箱中,建立模糊推理系統(tǒng)。其中,輸入端為e和ec,輸出端為給定PID模糊控制器下的3個(gè)參數(shù)Kp,Ki和Kd,分別輸入隸屬函數(shù)和論域區(qū)間