基于MATLAB的模糊PID控制器的设计Word文件下载.doc

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论文提交日期：

2011年6月27日

论文答辩日期：

2011年6月28日

毕业设计（论文）任务书

电气工程及其自动化专业

0703班

学生：

李辰龙

毕业设计（论文）题目：

基于MATLAB的模糊PID控制器的设计及其实现

毕业设计（论文）内容：

1.学习模糊控制理论；

2.学习MATLAB仿真软件；

3.设计fuzzy-PID仿真控制系统

毕业设计（论文）专题部分：

模糊PIDMATLAB仿真控制系统的设计

起止时间：

2011年3月---2011年6月

签字年月日

教研主任：

学院院长：

内容摘要

PID（比例积分微分）控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点,尤其适用于可建立精确数学模型的控制系统。

而对于一些多变量、非线性、时滞的系统，传统的PID控制器并不能达到预期的效果。

随着模糊数学的发展，模糊控制的思想逐渐得到控制工程师们的重视，各种模糊控制器也应运而生。

而单纯的模糊控制器有其自身的缺陷—控制效果很粗糙、控制精度无法达到预期标准。

但利用传统的PID控制器和模糊控制器结合形成的模糊自适应的PID控制器可以弥补其缺陷；

它将系统对应的误差和误差变化率反馈给模糊控制器进而确定相关参数，保证系统工作在最佳状态，实现优良的控制效果。

论文介绍了参数自适应模糊PID控制器的设计方法和步骤。

并利用MATLAB中的SIMULINK和模糊逻辑推理系统工具箱进行了控制系统的仿真研究，并简要地分析了对应的仿真数据。

关键词:

经典PID控制;

模糊控制;

自适应模糊PID控制器;

参数整定;

MATLAB仿真

ABSTRACT

PID（ProportionIntegrationDifferentiation）control,withlotsofadvantagesincludingsimplestructure,goodstabilityandhighreliability,isquitesuitabletoestablishespeciallythecontrolsystemwhichaccuratemathematicalmodelisavailableandneeded.However,takenmultivariable,nonlinearandtime-lagintoconsideration,traditionalPIDcontrollercannotreachtheexpectedeffect.

AlongwiththedevelopmentofFuzzyMathematics,controlengineersgraduallypaymuchattentiontotheideaofFuzzyControl,thuspromotingtheinventionoffuzzycontrollers.However,simplefuzzycontrollerhasitsowndefect,wherecontroleffectisquitecoarseandthecontrolprecisioncannotreachtheexpectedlevel.Therefore,theFuzzyAdaptivePIDControlleriscreatedbytakingadvantageofthesuperiorityofPIDControllerandFuzzyController.Takenthiscontrollerinuse,thecorrespondingerroranditsdifferentialerrorofthecontrolsystemcanbefeedbackedtotheFuzzyLogicController.Moreover,thethreeparametersofPIDControllerisdeterminedonlinethroughfuzzification,fuzzyreasoninganddefuzzificationofthefuzzysystemtomaintainbetterworkingconditionthanthetraditionalPIDcontroller.

Meanwhile，thedesignmethodandgeneralstepsareintroducedoftheParameterself-settingFuzzyPIDController.Eventually,theFuzzyInferenceSystemsToolboxandSIMULINKtoolboxareusedtosimulateControlSystem.TheresultsofthesimulationshowthatSelf-organizingFuzzyControlSystemcangetabettereffectthantheClassicalPIDcontrolledevidently.

Keywords:

ClassicPIDcontrol;

FuzzyControl;

Parameterstuning;

theFuzzyAdaptivePIDController;

MATLABsimulation

目录

第一章绪论 1

1.1课题研究的背景及学术意义 1

1.2经典PID控制系统的分类与简介 2

1.2.1P控制 2

1.2.2PI控制 2

1.2.3PD控制 2

1.2.4比例积分微分（PID）控制 2

1.3模糊逻辑与模糊控制的概念 3

1.3.1模糊控制相关概念 3

1.3.2模糊控制的优点 4

1.4模糊控制技术的应用概况 4

1.5本文的研究目的和内容 5

第二章PID控制 6

2.1PID的算法和参数 6

2.1.1位移式PID算法 6

2.1.2增量式PID算法 7

2.1.3积分分离PID算法 7

2.1.4不完全微分PID算法 8

2.2PID参数对系统控制性能的影响 9

2.2.1比例系数KP对系统性能的影响 9

2.2.2积分时间常数Ti对系统性能的影响 9

2.2.3微分时间常数Td对系统性能的影响 9

2.3PID控制器的选择与PID参数整定 10

2.3.1PID控制器的选择 10

2.3.2PID控制器的参数整定 10

第三章模糊控制器及其设计 11

3.1模糊控制器的基本结构与工作原理 11

3.2模糊控制器各部分组成 11

3.2.1模糊化接口 11

3.2.2知识库 12

3.2.3模糊推理机 12

3.2.4解模糊接口 12

3.3模糊推理方式 13

3.3.1Mamdani模糊模型（迈达尼型） 13

3.3.2Takagi-Sugeno模糊模型（高木-关野） 13

3.4模糊控制器的维数确定 14

3.5模糊控制器的隶属函数 15

3.6模糊控制器的解模糊过程 17

3.7模糊PID控制器的工作原理 18

第四章模糊PID控制器的设计 19

4.1模糊PID控制器组织结构和算法的确定 19

4.2模糊PID控制器模糊部分设计 19

4.2.1定义输入、输出模糊集并确定个数类别 19

4.2.2确定输入输出变量的实际论域 20

4.2.3定义输入、输出的隶属函数 20

4.2.4确定相关模糊规则并建立模糊控制规则表 21

4.2.5模糊推理 23

第五章模糊PID控制器的MATLAB仿真 25

5.1模糊控制部分的fuzzyinferencesystem仿真 25

5.1.1定义输入输出变量并命名 25

5.1.2编辑隶属函数 25

5.1.3编辑模糊规则库 26

5.2对模糊控制器的SIMULINK建模 27

5.2.1将模糊系统载入SIMULINK 27

5.2.2在SIMULINK中建立模糊子系统 27

5.3PID部分的SIMULINK建模 28

5.4模糊PID控制器的SIMULINK建模 29

5.5利用子系统对控制系统进行SIMULINK建模 29

5.6控制系统的SIMULINK仿真研究 30

第六章结束语 34

参考文献 35

致谢 36

沈阳化工大学学士学位论文第一章绪论

第一章绪论

1.1课题研究的背景及学术意义

随着越来越多的新型自动控制应用于实践，其控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机。

自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。

控制器的输出经过输出接口、执行机构加到被控系统上；

控制系统的被控量，经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统，传感器、变送器、执行机构是不一样的。

比如压力控制系统要采用压力传感器；

电加热控制系统要采用温度传感器[1]。

目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。

比如，工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。

PID控制器可以根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。

经典PID控制的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它因结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，现今也在很多领域有应用。

尤其是当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采用，系统控制器的结构和参数又必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。

根据统计数据：

全世界过程控制领域使用的控制器84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。