模糊PID控制器的設計

李珍珍，朱浩銘

（1.廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004；2.南寧學院 機電與質量技術工程學院，廣西 南寧 530200）

1 PID控制器的結構與原理

PID控制算法中P（Proportional）指的是比例環節，其作用是將控制系統中產生的偏差信號成比例地反映出來，以達到當偏差一旦產生就可進行控制；I（Integral）指的是積分環節，其作用是消除系統靜差并提高系統的無差度；D（Differential）指的是微分環節，其作用是加快系統的動作速度，減少調節時間[1]。

PID控制器作為一個常見且應用廣泛的線性控制器[2]，其結構如圖1所示。

2 模糊控制的原理與模型

模糊控制是一種智能控制，其結構上的組成類別和計算機控制系統有一定的相似性，類同于常見的離散控制系統[3]，其模糊控制系統的結構如圖2所示。

圖1 PID控制器的結構圖

基于模糊控制的系統組成主要有4部分。

圖2 模糊控制系統的結構圖

（1）輸入/輸出的接口裝置，常用的是模/數（A/D）、數/模（D/A）轉換。對于輸入裝置中使用A/D轉換，目的在于使控制器可以通過接口獲取離散信號；對于輸出裝置中使用D/A轉換，目的是將離散信號轉換為連續信號，便于送達于下位機，并控制被控對象。除了常見的A/D、D/A轉換外，還會使用電平轉換裝置等。

（2）模糊控制器是實現模糊控制技術的關鍵核心部分。

（3）廣義上的被控對象包括被控對象和下位機執行機構。

（4）傳感器的作用是將不易檢測的物理信號轉化為容易檢測的電信號，并傳輸回上位機，形成一個閉環回路，構成閉環系統。

模糊控制器的內部結構[4]如圖3所示。

圖3 模糊控制器的結構圖

模糊控制器可簡單區分為一維控制器、二維控制器、三維控制器以及多輸入的多維控制器等，一到三維的模糊控制器的結構以及輸入與輸出之間的關系如圖4所示。

圖4 一到三維的控制器結構

3 模糊PID控制器的設計

模糊PID控制器的系統結構如圖5所示[5]。模糊控制器把誤差e與將其求導后得到的誤差變化ec作為雙輸入端，把比例系數KP、積分系數Ki、微分系數Kd作為三輸出端；其工作原理為將e與ec輸入進模糊控制器進行模糊推理運算，在得出KP、Ki、Kd后，將結果傳到PID控制器中運算。誤差e也作為輸入端進入PID控制器運算，最終通過綜合運算得出輸出量C[6]。

4 模糊PID下的仿真實驗與數據

在MATLAB的命令行窗口中輸入“fuzzy”一詞，即可打開MATLAB中的模糊邏輯工具箱。根據實際要求更改輸入和輸出的個數，由于模糊控制器由誤差e與誤差變化量ec作為模糊控制器的輸入變量，而KP、Ki、Kd作為模糊控制器的輸出變量，故選用雙輸入三輸出的結構，如圖6所示。

圖5 模糊PID控制器的結構圖

圖6 模糊邏輯工具箱界面

將設置好的模糊控制器應用在Simulink中，選擇好模塊后即可以獲得模糊PID的仿真模型結構[7]，如圖7所示。

圖7 模糊PID系統Simulink仿真結構圖

PID控制器選用的參數整定方法是Chien-Hrones-Reswick整定法。給予該系統一個階躍函數[8]，得到的仿真結果如圖8所示。

由圖8可知，模糊PID控制系統與系統自身的傳遞函數、普通的PID控制器控制結果相比，其超調量明顯更小、調節時間更短，從而更快進入穩態，且得到的仿真波形在調節時間內的波動更少等[9]。

5 結 論

本文設計復合型的模糊PID控制器，多端變量輸入，經實驗仿真論證了本設計擁有實際使用的可行性、調節時間更短及波形波動更少等特點。

圖8 模糊PID控制器的仿真結果