基于Matlab的模糊PID控制研究

摘要：以螺旋槳的電液比例周控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)被控對(duì)象的非時(shí)變性和時(shí)變性的特點(diǎn)，采用了一種基于自適應(yīng)模糊PID控制策略；利用Madab中Fuzzy和Simulink有機(jī)結(jié)合，方便的實(shí)現(xiàn)了模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)的仿真；得到了自適應(yīng)PID模糊控制比普通PID控制在被控對(duì)象上具有實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：螺旋槳；模糊PID控制；電液比例閥；Matlab仿真

0 引言
電液比例閥系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于精度要求高的機(jī)械加工等行業(yè)，其傳統(tǒng)的控制方式大多采用常規(guī)的PID控制技術(shù)，它具有簡(jiǎn)單、可靠、參數(shù)整定方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于電液比例閥系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，因而在控制性能要求高的場(chǎng)合往往不能滿足。其主要原因是電液比例系統(tǒng)在流體動(dòng)力學(xué)及電磁轉(zhuǎn)換方面具有特殊性，是復(fù)雜的非線性高階系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難。
因此，如何使PID控制更好的應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的控制，并具有較好的智能性，是個(gè)值得研究的問(wèn)題?；谝陨显?，如果將基于規(guī)則的模糊控制用于PID控制器的設(shè)計(jì)，一方面可使PID控制器具有模糊控制的功能，又可使模糊控制具有確定的控制結(jié)構(gòu)，從而使所設(shè)計(jì)的控制器具有兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)對(duì)方的不足，達(dá)到既提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，又保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求，從而確保良好的設(shè)備控制效果。

1 電液比例閥的模糊PID控制器設(shè)計(jì)
1．1 模糊控制器的設(shè)計(jì)
螺旋槳電液比例閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻偏差E和偏差變化率Ec對(duì)參數(shù)自調(diào)整的要求。利用模糊控制規(guī)則對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID系統(tǒng)。如圖2所示。

在本系統(tǒng)中模糊控制器將是設(shè)計(jì)的核心，因?yàn)樗暮脡膶⒅苯佑绊懙終I，KD和KP的選取，從而影響到系統(tǒng)的控制精度。
1．2 各變量隸屬函數(shù)的確定
由文獻(xiàn)可知，根據(jù)PID參數(shù)自整定原則，用于PID參數(shù)控制的模糊控制器采用二輸入三輸出的模糊控制器。以E和Ec為輸入語(yǔ)言變量，以KI，KD和KP為輸出語(yǔ)言變量。輸入語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值均取為“負(fù)大”(NB)、“負(fù)中”(NM)、“負(fù)小”(NS)、“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)七種。輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值均取為“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)四種。將偏差E和偏差變化率Ec量化到(-3，3)的區(qū)域，輸出量化到(0，3)的區(qū)域內(nèi)，隸屬函數(shù)曲線如圖3，圖4所示。

1．3 模糊規(guī)則
由于控制品質(zhì)的好壞主要取決于控制參數(shù)的選擇是否合理，通常不同的偏差E和偏差變化率Ec對(duì)PID控制器參數(shù)KP，KI，KD的整定要求不同。根據(jù)已有的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及參數(shù)KI，KP和KD對(duì)系統(tǒng)的輸出特性的影響關(guān)系，歸納出在一般情況下，不同的和時(shí)，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)KI，KP和KD的自調(diào)整規(guī)則如下：
(1)當(dāng)|E|較大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)該取較大的KP。但為了避免由于開(kāi)始時(shí)的偏差|E|的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的KD，同時(shí)為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)產(chǎn)生積分飽和應(yīng)對(duì)積分作用加以限制通常取KI=0。
(2)當(dāng)偏差|E|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，KP應(yīng)取得小些。這時(shí)，KD的取值對(duì)系統(tǒng)影響較大，取值要大小適中以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
(3)當(dāng)偏差|E|較小即接近于設(shè)定值時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，應(yīng)增加KP和KI的取值。同時(shí)為避免在系統(tǒng)的設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，KD值則根據(jù)|Ec|來(lái)確定：當(dāng)|Ec|較小時(shí)，KD可取值大些；|Ec|較大時(shí)，KD應(yīng)取小些。