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為研究對象，針對被控對象的非時(shí)變性和時(shí)變性的特點(diǎn)，采用了一種基于自適應模糊PID控制策略；利用Madab中Fuzzy和Simulink有機結合，方便的實(shí)現了模糊自整定PID參數控制系統的仿真；得到了自適應PID模糊控制比普通PID控制在被控對象上具有實(shí)時(shí)性好、穩定性高的結論。
關(guān)鍵詞：螺旋槳；模糊PID控制；電液比例閥；Matlab仿真

0 引言
電液比例閥系統廣泛應用于精度要求高的機械加工等行業(yè)，其傳統的控制方式大多采用常規的PID控制技術(shù)，它具有簡(jiǎn)單、可靠、參數整定方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于電液比例閥系統受溫度、負載等參數變化的影響較大，因而在控制性能要求高的場(chǎng)合往往不能滿(mǎn)足。其主要原因是電液比例系統在流體動(dòng)力學(xué)及電磁轉換方面具有特殊性，是復雜的非線(xiàn)性高階系統，系統設計時(shí)要建立準確的數學(xué)模型比較困難。
因此，如何使PID控制更好的應用于非線(xiàn)性系統的控制，并具有較好的智能性，是個(gè)值得研究的問(wèn)題?；谝陨显?，如果將基于規則的模糊控制用于PID控制器的設計，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構，從而使所設計的控制器具有兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補對方的不足，達到既提高系統的動(dòng)態(tài)特性，又保證系統穩態(tài)精度的要求，從而確保良好的設備控制效果。

1 電液比例閥的模糊PID控制器設計
1．1 模糊控制器的設計
螺旋槳電液比例閥控制系統結構如圖1所示。

自適應模糊PID控制器以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，可以滿(mǎn)足不同時(shí)刻偏差E和偏差變化率Ec對參數自調整的要求。利用模糊控制規則對參數進(jìn)行修改便構成了自適應模糊PID系統。如圖2所示。

在本系統中模糊控制器將是設計的核心，因為它的好壞將直接影響到KI，KD和KP的選取，從而影響到系統的控制精度。
1．2 各變量隸屬函數的確定
由文獻可知，根據PID參數自整定原則，用于PID參數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“負大”(NB)、“負中”(NM)、“負小”(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)的區域，輸出量化到(0，3)的區域內，隸屬函數曲線(xiàn)如圖3，圖4所示。

1．3 模糊規則
由于控制品質(zhì)的好壞主要取決于控制參數的選擇是否合理，通常不同的偏差E和偏差變化率Ec對PID控制器參數KP，KI，KD的整定要求不同。根據已有的控制系統設計經(jīng)驗，以及參數KI，KP和KD對系統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)程對參數KI，KP和KD的自調整規則如下：
(1)當|E|較大時(shí)，為了加快系統的響應速度，應該取較大的KP。但為了避免由于開(kāi)始時(shí)的偏差|E|的瞬時(shí)變大可能出現的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可的范圍，應取較小的KD，同時(shí)為了防止系統響應出現較大的超調產(chǎn)生積分飽和應對積分作用加以限制通常取KI=0。
(2)當偏差|E|處于中等大小時(shí)，為使系統響應具有較小的超調，KP應取得小些。這時(shí)，KD的取值對系統影響較大，取值要大小適中以保證系統的響應速度。
(3)當偏差|E|較小即接近于設定值時(shí)，為使系統具有良好的穩態(tài)特性，應增加KP和KI的取值。同時(shí)為避免在系統的設定值附近出現振蕩，KD值則根據|Ec|來(lái)確定：當|Ec|較小時(shí)，KD可取值大些；|Ec|較大時(shí)，KD應取小些。