技术创新
《微计算机信息》(测控自动化)2009年第25卷第11-1期
360元/年邮局订阅号：82-946
《现场总线技术应用200例》
控制系统
基于Smith 算法的模糊PID 控制器的设计
Smith's algorithm based on fuzzy PID controller design
(空军工程大学)
李晓鹏刘建都
LI Xiao-peng LIU Jian-du
摘要:在基于Smith 算法的基础上,将模糊控制器与传统的PID 控制器结合,设计了一种模糊PID 控制器。
该控制器通过输入
偏差信号和偏差信号的变化率,对PID 的参数进行实时整定,并将控制过程中出现的纯滞后环节,移到闭环回路之外,从而消除纯滞后现象,提高系统的稳定性。
保证了系统具有良好的动态性能。
关键词:PID;PID 控制器;模糊控制;模糊PID 控制;Smith 预估器中图分类号:TP273文献标识码:A
Abstract:Smith -based algorithm based on fuzzy controller with the traditional PID controller,the design of a fuzzy PID controller.The controller through the input signal and the deviation of the error signal changes in the rate of the PID parameters Real -time tuning and move the course of time delay link in the control,to the closed-loop.So as to eliminate dead time,and increase the sta -bility of the system.To ensure that the system has a good dynamic performance.Key words:PID;PID control;fuzzy control;fuzzy PID control;Smith predictor
文章编号:1008-0570(2009)11-1-0066-02
引言
PID 控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛应用于过程控制和运动控制中,虽然PID 控制规律对相当多的控制对象,尤其是对于可建立精确数学模型的确定性控制系统,非常有效。
但是现代的工业生产过程往往都具有非线性、时变不确定性,往往很难建立精确的数学模型,这对于传统的PID 控制来说,很难达到理想的效果。
近年来,模糊控制科学的发展受到了广泛的关注,模糊控制的出现弥补了传统PID 控制的不足,模糊控制与PID 控制的结合,能够更好的适应现代工业的发展,它具有不依赖系统精确数学模型的特点,对系统的变化也具有较好的鲁棒性。
1传统的PID 控制器
PID(比例、
积分、微分)控制器是一种线性的控制器(如图1),其输入是系统的偏差信号(e),输出是控制量(u)。
输入信号经过比例、积分、微分的线性组合,构成控制量。
它包括比例调节环节、积分调节环节、微分调节环节。
图1传统PID 控制器原理图
经过调节后的输出的控制量:
PID 控制器各校正环节的作用如下:
1、比例调节环节:成比例地反映控制系统的偏差信号e,偏
差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。
2、积分调节环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数,越大,积分作用越弱,反之则越强。
3、微分调节环节:反映偏差信号的变化趋势
〔变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
2模糊控制器
模糊控制器不需要精确的数学模型,它是基于专家系统,通过模糊推理来完成控制决策的一种新型控制器,主要由四部分(如图2)组成:
图2模糊控制器原理图
1、模糊化:将精确量转化为模糊量;
2、知识库:知识库由数据库和规则库组成。
其中,数据库主要包含尺度变换因子、模糊分割数,以及各模糊变量的模糊取值及相应的隶属函数;规则库包含了控制规则;
3、模糊推理:根据规则库和系统状态推断出控制量的过程;
4、去模糊化:将模糊推理出的模糊量转化为精确量。
3基于Smith 算法的模糊PID 控制器
如图3,将模糊控制器与带Smith 预估器的PID 控制器有效的结合起来,可以有效的解决纯滞后所带来的问题,同时又可以保持系统的稳定的性。
3.1Smith 预估器原理
设控制对象的传递函数为G(s)=Gp(s)exp(-τs),PID 控制器的
李晓鹏:硕士生
66--
邮局订阅号：82-946360元/年技
术创新
控制系统
《PLC 技术应用200例》
您的论文得到两院院士关注
传递函数为D(s)在控制器上并联一个补偿环节G(s)=Gp(s)(1-exp(-τs)),则由Smith 预估器和PID 调节器组成的补偿回路的传递函数为,补偿后系统的闭环
传递函数为:
这样可以把在控制过程中出现的纯滞后环节,移到闭环回
路之外,从而消除纯滞后现象,提高系统的稳定性。
Smith 预估器原理控制规律:
设k 为被控对象的放大系数;Ti 为被控对象的时间常数;τ是滞后时间常数。
当τ=NT 时:
Smith 预估器的输出为:
当τ≠NT 时:exp(-τs)≈1-τs/2
Smith 预估器的输出为:
PID 控制器的输入信号:
3.2模糊PID 控制原理
模糊PID 控制器,是将传统的PID 控制器和模糊控制器有效的结合起来,通过模糊控制器的功能来实现PID 控制器中K p 、K i 、K d 等参数的实时整定。
模糊控制器的输入为e 和e 的变化率。
模糊控制器根据知识库中的模糊推理规则,得出
、、,再根据
、、求出参数(K p 、K i 、K d ),并将参数输入到PID 控制器中。
=
+
;
=
+
;
=
+
;
4仿真实验
为了验证该方法的有效性,取被控对象的传递函数为:
,Ts=0.1s,并且在20s 的时候,给控制器加
入一个幅度为1.0的干扰,分别对传统PID 控制器、普通模糊PID 控制器、基于Smith 算法的模糊PID 控制器进行仿真实验,得出结果如图:
图4传统PID 控制器输出曲线
图4是由传统PID 控制器在K p =0.5;K i =0.001;K d =0.001情况下的得出的结果的;图5是基于Smith 算法的模糊PID 控制
器得出的结果。
经过比较,我们可以知道,基于Smith 算法的模糊PID 控制器的仿真结果是最优的。
图5基于Smith 算法的模糊PID 控制器输出曲线
5结束语
本文的设计思想是将模糊控制器与带Smith 预估器的PID 控制器有效的结合起来,并进行了仿真试验。
通过实验,我们发
现,基于Smith 算法的模糊控制器在消除了纯滞后现象的影响的同时保持了系统的稳定性。
同时比普通的带Smith 预估器的PID 数字控制器具有更强的适应性,可以实时的调整参出,使输
出的结果更能接近期望值,可用性更高。
本文创新点:通过将模糊控制器与带Smith 预估器的PID 控制器有效的结合起来,设计了一种模糊PID 控制器,从而更好地消除纯滞后现象,提高系统的稳定性。
参考文献
[1]刘金锟.先进PID 控制及MATLAB 仿真[M].北京:电子工业出版社
[2]张艳兵,赵建华,鲜浩.计算机控制技术[M].北京:国防工业出版社,2008
[3]许力.智能控制与智能系统[M].北京:机械工业出版社,2006[4]屠乃威等.参数自适应模糊PID 控制器在温度控制系统中的应用[J].微计算机信息2004,20:8~20
[5]陈以,杨启伟.模糊Smith 智能温度控制器的设计与仿真[J].控制工程2007-7.422~425
[6]褚丽丽,李春茂,郭汉桥.,刘军华.时滞系统的模糊自适应PID 控制研究[J].自动化技术与应用2008-27.34~36
作者简介:李晓鹏(1985-),男,硕士生,研究方向:计算机控制技术;刘建都(1962-),男,副教授、硕士研究生导师,研究方向:计算机控制技术。
Biography:LI Xiao-peng(1985~),male,master,research direction:computer control technology.
(713800三原空军工程的大学导弹学院)李晓鹏刘建都(Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China)LI Xiao-peng LIU Jian-du
通讯地址:(713800三原空军工程的大学导弹学院)李晓鹏
(收稿日期:2008.12.20)(修稿日期:2009.03.20)
您的才能+阅读本刊=您的财富
67--。