摘要：本文把MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIMULINK結(jié)合起來(lái)，討論了模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)與仿真問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自調(diào)整，提高系統(tǒng)控制的精度。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制器明顯改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)控制達(dá)到了滿意的效果，對(duì)系統(tǒng)控制和系統(tǒng)的調(diào)整具有一定理論價(jià)值。
關(guān)鍵詞：模糊PID控制器；SIMULINK；參數(shù)調(diào)整；仿真

0 引言
    在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而且現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往都是時(shí)變、非線性、大時(shí)滯的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，經(jīng)典的PID控制方法遇到了難以克服的困難，而且在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于常規(guī)PID參數(shù)整定方法繁雜，其參數(shù)整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性差。
    人們一直在尋求PID參數(shù)調(diào)整的自適應(yīng)技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制情況，計(jì)算機(jī)能根據(jù)工況和控制要求自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PID的智能控制。本文將模糊控制與PID控制結(jié)合起來(lái)，構(gòu)造自適應(yīng)模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)不確定因素的適應(yīng)性。

1 自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)
    以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理理論，將被控制量的偏差e和偏差變化率ec作為二維模糊控制器的輸入變量，通過(guò)模糊控制器的輸出變量，利用模糊控制規(guī)則在線調(diào)整PID各參數(shù)，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)。自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)kp，ki，kd作為輸出。設(shè)定輸入變量偏差e和偏差變化率ec語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，并簡(jiǎn)記為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。輸入輸出變量的隸屬度曲線如圖2～圖4所示。偏差e和偏差變化率ec的論域定為[-3，3]，輸出參數(shù)kp的論域定為[-0．3，0．3]，ki的論域定為[-0．08，0．08]，kd的論域定為[-3，3]，隸屬度函數(shù)NB、PB選為高斯函數(shù)，其余選為在論域范圍內(nèi)均勻分布、等距離的三角函數(shù)。

2 模糊PID控制器的控制規(guī)則設(shè)計(jì)
    通常，PID控制器的控制算式為：
   
    針對(duì)不同的偏差e和偏差變化率ec，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)kp,ki,kd的自整定要求滿足以下規(guī)律：
    (1)當(dāng)偏差|e|較大時(shí)，應(yīng)取較大的kp和較小的kd，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的靈敏度；
    (2)當(dāng)偏差|e|中等時(shí)，應(yīng)取較小的kp以及適當(dāng)?shù)膋i和kd，以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量，獲取系統(tǒng)良好的相對(duì)穩(wěn)定性：
    (3)當(dāng)偏差|e|較小時(shí)，應(yīng)取較大的kp和ki以及適當(dāng)?shù)膋d，以避免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)震蕩，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。
    模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到針對(duì)參數(shù)kp,ki,kd分別整定的模糊控制表，如表1所示。

3 SIMULINK仿真
    打開MATLAB文件編輯器，編寫M文件。在M文件中創(chuàng)建模糊控制系統(tǒng)接口，增加模糊語(yǔ)言變量(二個(gè)輸入、三個(gè)輸出)，并設(shè)定各變量的論域及模糊推理規(guī)則，給定輸入，根據(jù)模糊推理得到輸出。編寫出模糊控制規(guī)則fuzzypid．fis。運(yùn)行所編寫的模糊控制規(guī)則，并將控制規(guī)則導(dǎo)入工作空間。在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下，建立仿真模型，并將Fuzzy Logic Controller模塊的參數(shù)設(shè)定為fuzzypid．fis，就建立了系統(tǒng)的模糊PID參數(shù)自調(diào)整系統(tǒng)。
    設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為
   
    建立系統(tǒng)的SIMULINK模型如圖5所示。

    設(shè)定PID參數(shù)的初始值分別為kp=0．35，ki=0．0，kd=1，并在第0．32s時(shí)加上數(shù)值為1的強(qiáng)干擾，采用模糊自適應(yīng)PID控制的階躍響應(yīng)如圖6所示。

    從仿真結(jié)果可以看出，模糊自適應(yīng)PID控制器系統(tǒng)具有良好的快速性和穩(wěn)態(tài)控制精度，并且抗干擾能力強(qiáng)。在常規(guī)PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，應(yīng)用模糊控制推理系統(tǒng)，查詢模糊矩陣表對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中改變PID的參數(shù)，較好地發(fā)揮了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。同時(shí)，在系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以看出應(yīng)用SIMULINK仿真軟件的方便之處，仿真簡(jiǎn)單、速度快，而且模糊控制規(guī)則以及系統(tǒng)的論域、隸屬度函數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)
    采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，控制精度提高，穩(wěn)態(tài)性能變好，而且?guī)缀鯖](méi)有超調(diào)和震蕩，魯棒性好。這是單純的PID控制難以實(shí)現(xiàn)的，而且采用模糊PID控制的顯著特點(diǎn)是在同樣精度要求下，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間變短，靈敏度提高，這些具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。