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一种改进传统模糊PID控制器性能的方法

一种改进传统模糊PID控制器性能的方法 2011年12月09日 来源： 1引言 由于PID控制器简单的结构，对广泛范围工业控制对象能提供令人满意的控制性能，其性能为工程技术人员所了解，高的效费比，因此PID控制器仍在工业控制领域有着广泛的应用。然而，PID控制器简单的结构，使它特别适于纯一阶或二阶过程，对于工业被控对象广泛存在的高阶，时延，非线性等却不能提供好的控制性能。模糊PID控制结合了传统PID控制和模糊控制的双重特性，在更广泛的范围里提高了控制器的控制性能，使人们仍能充分利用传统PID控制器性能特性的知识［１］。 与传统控制相比，模糊控制有两大不可比拟的优点［２］：一是模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验；二是模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入，输出模糊集及模糊规则中。然而，到目前为止，还没有一种非常系统的程序来设计模糊控制器的知识库和调整模糊控制器使其达到好的控制效果。模糊规则一般是从实际经验中提取，带有很大的主观性，模糊控制器的调整一般依靠对模糊比例参数(Ke,Kd,K)的调整，然而，这些比例参数与控制性能的关系并不是很清楚，经验也表明依靠人手工调整两个以上的参数是困难的。基于此，本文介绍了一种设计规则库的一般方法，克服了由先验知识构造规则库造成的主观影响，具有一定的通用性；在此基础上，提出了一种通过改变隶属函数来提高模糊控制器性能的方法。2模糊逻辑控制器 在线性控制中，有PI，PD，PID控制器，其数学模型是 其中e＝Yr-Y,Yr是期望输出，Y是实际输出，Kp,Kd,Ki是比例，微分，积分系数，Ti,Td是积分时间和微分时间。当e，变为模糊 时，(1)，(2)，(3)相应地变为传统FZ-PD/PI/PID控制器［３］［４］。 在这种传统模糊控制器中，输入变量选为误差(E)和误差变化率((ΔＥ)，输出变量选为速度/位置输出(ΔＵ／Ｕ)。每个变量分为七个模糊语言变量，它们是负大(NL)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZR)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PL)。3规则库的建立 控制规则把输入变量和输出变量联系起来，规则的一种形式是 可是，仍没有成熟的指导规则建立的方法。由于模糊控制器不依赖于系统模型，规则的建立往往依赖于过程的直观感觉和经验，不方便且带有很大的主观性。这里，介绍了一种基于对过程动态特性分析的规则库建立方法［５］。 一般说来，闭环系统阶跃响应有与图1类似的形状。其响应可分为四个区域A1-A4和两类点：平衡点｛b1/b2｝和波峰-波谷点｛c1/c2｝。四个区域及两类点可描述如下： 在传统控制中，相平面是分析非线性系统稳定性的有效方法。在模糊控制中，误差状态平面可以作为联系系统性能和规则库的桥梁(如图2所示)。由于四个区域和两类点包括了所有可能的阶跃响应，可以建立规则库框架(如图3所示)。3.1规则库中输出量的正负依据以下原则建立 (1)如果E＝０ΔＥ＝０；则维护原输出(ΔＵ＝０）； (2)如果E以一种令人满意的速度趋向于零，则维持原输出(ΔＵ＝０)； (3)如果E不以正确的方向趋向于零，则控制增量ΔＵ不为零，依赖E和ΦγΕγ； 对相平面轨线进一步的分析，我们可以得到更为详细的规则建立原则：3.1.1在过零点｛b1/b2｝，应阻止区域A2/A4里的超调；3.1.2在波峰-波谷点｛c1/c2｝，应加快响应速度；3.1.3在区域A1/A3，应在E较大时加快响应速度并且在E接近零时阻止区域A2/A4里的超调；3.1.4在区域A2，应减小波峰的超调；3.1.5在区域A4，应减小波谷的超调； 以FZ-PI控制为例，规则可按以下原则建立。 ● ΔＵ＝０；在平衡点，或E以满意的速度趋向于零(区域A1/A3)时(原则1，原则2)； ● Sign(ΔＵ）

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