模糊PID控制在液位控制中的应用(4)

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为了编程方便，可将式(3-8)整理成如下形式:

?u(k)?q0e(k)?q1e(k?1)?q2e(k?2)

(3.9)

);q2?KTdp其中，q0?Kp(1?TTi?TdT);q1??Kp(1?2TdTT。

可见增量型PID算法只需要保持现时以前3个时刻的偏差值，即可由式(3-8)或(3-9)求出控制增量。

采用增量型算法时，计算机输出的控制增量?u(k)对应的是执行机构位置(例如步进电机)的增量。如图3-3所示，执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加，此时控制器采用数字增量型PID控制算法。 增量型PID算法与位置型相比，有下列优点:

(1)增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小;而位置型PID算法要用到过去所有误差的累加值，容易产生大的累加误差。

(2)增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作;而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。 (3)采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。

但增量型PID也有其不足之处，如积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。 3.1.3 PID控制器的特点

PID控制器由于用途广泛，使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数(Kp,Ki和Kd)即可。PID控制器具有以下特点:

(1)原理简单，使用方便。PID参数(Kp，Ki和Kd)可以根据过程动态特性及时调整。如果过程的动态特性发生变化，例如对负载变化引起的系统动态特性变化，PID参数就可以重新进行调整与设定。

(2)适应性强。按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制。PID应用范围广，虽然很多任务业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样就可以通过PID控制了。

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(3)鲁棒性较弱。即其控制品质对被控制对象特性的变化比较敏感。

传统的PID控制也存在许多不足，最突出的一点就是有关PID参数的问题。首先，传统PID无自适应能力。这主要表现在两个方面:第一，PID控制器的参数整定必须相对于某一模型已知、系统参数己知的系统;第二，PID控制器参数一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种工况。但事实上大多数的生产过程都具有非线性，且其特性随时间的变化而变化，显然固定的一组参数是不能满足这种变化的。其次，传统的PID控制器的参数只能整定为满足生产过程控制目标某一个方面的要求。在设计控制系统的过程中人们主要关心的问题是“设定值跟踪特性”和“干扰抑制特性”，而传统的PID控制器只能通过整定一组PID参数来满足一个方面的要求。因此常常采用折中的办法整定控制器参数，这样得到的控制效果显然不是最佳的。

3.2模糊控制算法

随着科学技术不断发展，人们所面临的控制问题越来越复杂，对于控制质量的要求也越来越严格，要对那些复杂的工业过程和具有强烈的非线性、不确定性甚至根本无法建立精确数学模型的系统进行有效而精确的控制就非常困难。为了解决这个问题，传统控制理论提出了许多对策，如最优控制、自适应控制等。然而这些控制方式的共同特点是必须建立在被控对象的数学模型上。模糊控制技术可以解决这些困难，这是因为它不依赖于被控对象的数学模型，而只要求掌握现场操作人员和有关专家的经验，知识或者操作数据。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型。因此，把模糊控制技术应用到工业控制现场将具有很好的前景，同时有着明显的实际应用意义以及巨大的经济效益。模糊控制技术在自动控制领域和智能控制领域占有相当重要的地位。

3.2.1模糊控制的产生及发展

模糊数学和模糊控制的概念是由加利福尼亚大学著名教授查德(L.A.Zandeh)于

1965年在他的《Fuzzy Sets》中首先提出的。1974年英国教授马丹尼(E.H.Mamdani )

首先将模糊集合理论应用到锅炉和蒸汽机的控制中去，并带来了模糊控制理论及早期应用的兴盛。模糊系统技术尤其是模糊控制更是在工业界得到了广泛的认可，不仅成功地应用到化工、机械、冶金、水处理等领域中，而且均取得了良好的效果。其中比较典型

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的有:热交换过程的控制，暖水工厂的控制，污水处理过程控制，交通路口控制，水泥窑控制，飞船飞行控制，机器人控制，模型小车的停靠和转弯控制，汽车速度控制，水质净化控制，电梯控制，电流和核反应堆的控制，并且生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。

虽然模糊理论的提出只有短短30多年的时间，但其发展速度却十分的惊人。大量对模糊理论进行研究的文献论文不断发表，并且数量呈几何趋势增长。这充分体现了模糊理论的发展速度，而且显示了模糊控制理论巨大的发展潜力。随着科学技术的不断进步，自动控制系统被控对象也朝着复杂化的方向发展，主要表现在多输入一多输出的强祸合性、参数时变性和严重的非线性等特点上。然而就在这样复杂的多变量、非线性、时变的系统中，对控制质量的要求却越来越高。正是由于模糊控制具有突出的优点，并且在解决控制系统中的复杂问题上有着特别的优势，所以对模糊控制理论的深入研究对控制理论的发展来说是十分重要的，并且很有实际意义。 3.2.2模糊控制的特点

模糊PID控制的基本原理是在普通PID控制器的基础上，加上一个模糊控制环节。模糊控制环节根据系统的实时状态在线分别调节PID的三个参数。

模糊控制之所以能获得迅速的发展，与其自身具备的特点不无关系，模糊控制的突出特点在于:

(1)模糊控制器是建立在对专家、操作人员的经验和现场操作数据的模仿总结基础之上，这种控制器的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，而只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。

(2)控制系统的鲁棒性强，对于非线性时变滞后系统，因为其对参数变化不敏感，所以其动态特性和静态特性均优于常规控制手段。

(3)以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。

(4)控制推理采用“不精确推理”(approximate reasoning)。由于推理过程模仿人的思维过程，介入了人类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态”系统。 3.2.3模糊控制的基本概念

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控

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制。模糊控制系统的结构和一般的传统控制系统没有多大区别，只是用模糊控制器取代了传统的控制器。模糊控制器的基本结构如图3-4所示。从理论上讲模糊控制器应是连续型的控制器，但在工程上实现模糊控制都是采用数字计算机，所以在实际应用中模糊控制器又是一种离散型的控制器。实现一般模糊控制算法的过程描述如下:微机经过中断采样获得被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e，一般选误差信号e作为模糊控制器的一个 …… 此处隐藏：2342字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……