基于MATLAB仿真的室內(nèi)溫度控制算法

徐琴琴 凌峻

摘 要本文主要研究了各類模糊PID算法，介紹了各類模糊PID算法的原理，并將各種迷糊PID算法應(yīng)用到系統(tǒng)中，觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，分析算法的性能。算法參數(shù)調(diào)整好后，加入干擾觀察系統(tǒng)的抗干擾能力，改變算法的控制對象，考察算法的魯棒性。

【關(guān)鍵詞】模糊PID 階躍響應(yīng)曲線 魯棒性

1 模糊PID的由來

由研究可知模糊控制系統(tǒng)存在靜差，為了改善模糊控制的性能，提出模糊PID的思想。要提高模糊控制的精度和跟蹤性能，就要對語言變量取更多的語言值，分檔越細，性能越好，但規(guī)則數(shù)和計算量也隨之增加，從而使調(diào)試更加困難，控制器的實時性難以滿足要求。因此想到將模糊控制器和常規(guī)的PID并聯(lián)，達到兩種控制器性能的互補。

2 各類模糊PID的簡介

模糊PD和精確積分即模糊控制中模糊控制器的輸入為E和DE，相當(dāng)于PID控制中的比例微分項。因此將模糊控制視為模糊PD控制。該系統(tǒng)只是增加了積分項，模糊控制規(guī)則并沒有改變。但能做到系統(tǒng)階躍響應(yīng)時穩(wěn)態(tài)無靜差。這就是模糊控制結(jié)合PID控制的優(yōu)點。模糊PD和模糊PI即將模糊PD和模糊PI并聯(lián)。其輸入為誤差E。模糊PID是一個二輸入三輸出控制器，輸入為誤差E和誤差的變化DE，輸出為PID的參數(shù)。但此時還需將這三個參數(shù)精確化，即乘上一個精確化因子。此時的，，。較模糊控制，模糊PID控制器的輸入變量沒有變化但輸出變量增加到三個。

3 各類模糊PID算法在室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)中仿真應(yīng)用

各類模糊PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：

如圖1所示。

由階躍響應(yīng)曲線可以看出，模糊PD和精確積分對于二階被控對象

階躍響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。將被控對象變?yōu)?/p>

，其余參數(shù)不變換，再次觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。此時的階躍響應(yīng)曲線穩(wěn)態(tài)時無靜差，說明該控制器對于被控對象為一階慣性系統(tǒng)時能滿足控制要求。考察該系統(tǒng)的抗擾能力，在30ms時向系統(tǒng)加入一脈沖信號，觀察原系統(tǒng)的響應(yīng)去曲線和被控對象降階后的響應(yīng)曲線。由系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線可以看到，到系統(tǒng)受到干擾時，將產(chǎn)生較大的擾動，對系統(tǒng)可能產(chǎn)生破壞?，F(xiàn)對象變?yōu)?/p>

其他不變。由階躍響應(yīng)曲線可以觀察到，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，會有小幅度的超調(diào)，但短時間內(nèi)即會恢復(fù)正常。由模糊PD和模糊PI仿真響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時存在靜差，但系統(tǒng)穩(wěn)定。將被控對象變?yōu)?/p>

由響應(yīng)曲線可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)時間降低，響應(yīng)加快。但系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時仍存在靜差。在原系統(tǒng)仿真進行30ms時加入一脈沖信號觀察此時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。由其階躍響應(yīng)曲線可以看到，該系統(tǒng)抗擾能力差。將被控對象降為

由曲線可以看到該系統(tǒng)具由抗擾能力。擾動發(fā)生時系統(tǒng)會產(chǎn)生小的波動。但短時間內(nèi)會恢復(fù)正常。但系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時還是有靜差。由模糊PID仿真響應(yīng)曲線可以看到，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時無靜差且系統(tǒng)的響應(yīng)時間短。將被控對象變?yōu)?/p>

，其他參數(shù)不變，繼續(xù)觀察其響應(yīng)曲線?？梢钥吹较到y(tǒng)幾乎無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)性能滿足要求。此時系統(tǒng)的參數(shù)魯棒性較強。在原系統(tǒng)加入干擾，由響應(yīng)曲線可以看到系統(tǒng)具有較好的抗擾能力，擾動發(fā)生時只在短時間內(nèi)有波動，系統(tǒng)的魯棒性強。再次將被控對象變?yōu)?/p>

，觀察其抗擾能力。由響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)的抗干擾能力強。

4 總結(jié)

由上述的階躍響應(yīng)可見，模糊PD和精確積分及模糊PD和模糊PI對于一階環(huán)節(jié)的被控對象具有較好的控制能力，且系統(tǒng)的魯棒性較強，兩種算發(fā)下的控制系統(tǒng)對于二階系統(tǒng)發(fā)生擾動時產(chǎn)生較大的超調(diào)。而模糊PID無論對一階環(huán)節(jié)或二階環(huán)節(jié)的被控對象，抗干擾能力強，控制性能好。但模糊PID的模糊規(guī)則較模糊PD和精確積分、模糊PD和模糊PI控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則增多，計算量加大，復(fù)雜度也提高。在選擇算法時考慮系統(tǒng)的要求盡量做到計算量小且能達到控制要求。

參考文獻

[1]李迎霞，杜尚豐.中國溫室環(huán)境智能控制算法研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011（20）：2.

[2]屈毅，寧鐸，劉飛航.模糊PID控制器的設(shè)計及其仿真[J]. 計算機仿真，2011（26）：12.

[3]闞丹青，唐良寶，趙智林.基于MATLAB的空調(diào)房間溫控系統(tǒng)的仿真研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2014（33）：1.

[4]劉雁征，滕光輝，劉世榮.溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)存問題[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2007，23（10）：154--157.

作者單位

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽省蕪湖市 241000