模糊自适应PID控制器的毕业设计.docx
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模糊自适应PID控制器的毕业设计
模糊自适应PID控制器的毕业设计
模糊自适应PID控制器的设计
摘要：
以单片机为主体,设计一个能够处理较复杂数据和控制功能的电加热炉温度控制系统.该系统具有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能.软件采用模糊控制算法.结合了模糊控制快速性,保持较小超调量的优点和PID控制方法成熟,可消除稳态误差。
PID控制（ControlofProportionIntegrationDifferentiation）就是比例、积分、微分控制。
它的性能取决于参数的整定情况，对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统，具有很大的局限性，而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不一定能满足调节时间短，超调小的技术要求。
而模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。
但模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。
这就是说，单一的PID控制或单一的模糊控制都有其自身的不足，因此，分析它们各自的优缺点，考虑可以把它们相互结合，实现优势互补，形成模糊PID控制。
此外，考虑把模糊PID控制和当今新型的、性能较好的单片机结合在一起，更好的发挥他们的作用。
关键字：
电阻炉单片机自适应PID
DesignoffuzzyadaptivePIDcontroller
Abstract:
Microcontrollerasthemainbody,thedesignofacomplexdataandcontrolfunctionsoftheelectricheatingfurnacetemperaturecontrolsystem.Thesystemhasfunctionsofautomaticdetection,real-timedataacquisition,processingandcontrolresultsshowetc..Softwareadoptsfuzzycontrolalgorithm.CombinesthefuzzycontrolspeedofandmaintainasmallerovershootadvantagesandPIDcontrolmethodmature,caneliminatethesteady-stateerror.
Theproportionalintegralderivative（PID）controllerisControlofProportionIntegrationDifferentiation.Itperformancedependsonthesituationthatparameterssets,thosecontrolsystemswhoseobjectmodelcomplexanduncertainaccuratehavegreatlimitations,anditsrelationshipbetweenrapidityandovershootmakeitimpossibletomeetregulatingtimeandshortovershoottechnicalrequirements.Therobustofthefuzzycontroliseffective,withoutknowledgeofthecontrolledobject'smathematicalmodel,andtherapidityhasitsownadvantage.Butthefuzzycontrolhasfuzzyruleslimitedlevel,itcancausesteady-stateerror.ThismeanssinglePIDcontrolorsingleFuzzyControlhasitsowndeficiencies,thereforeanalysistheiradvantagesanddisadvantages,considercombinethemandformedfuzzyPIDControl,Realizecomplementarystrengths.Addition,considercombinethefuzzyPIDcontrolandMCUwhichisnewandwhoseperformanceisbetter.
Keywords:
Resistancefurnace,Singlechipmicrocomputer,AdaptivePID
第1章绪论
1.1课题的研究背景及意义
现代控制系统，规模越来越大，系统越来越复杂，用传统的控制理论方法已不能满足控制的要求。
智能控制是在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展起来的，是控制理论、人工智能和计算机科学相结合的产物。
智能控制主要分为模糊逻辑控制、神经网络控制和实时专家系统。
研究的主要目标不仅仅是被控对象，同时也包含控制器本身。
模糊理论是在美国柏克莱加州大学电气工程系L.A.Zadeh教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面内容。
L.A.Zadeh教授在1965年发表的FuzzySet论文中首次提出表达事物模糊性的重要概念——隶属函数。
模糊控制理论的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的算法。
但它的控制输出却是确定的，它不仅能成功的实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构成数学模型的对象进行控制。
“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解、与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性。
“模糊控制”的特色就是一种“语言型”的决策控制。
模糊控制技术，已经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。
自从1974年英国的马丹尼（E.H.Mandani）工程师首先根据模糊集合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发动机的控制以后，在其发展历程的30多年中，模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。
现在，模糊控制已广泛地应用于冶金与化工过程控制、工业自动化、家用电器智能化、仪器仪表自动化、计算机及电子技术应用等领域。
尤其在交通路口控制、机器人、机械手控制、航天飞行控制、汽车控制、电梯控制、核反应堆及家用电器控制等方面，表现其很强的应用价值。
并且目前已有了专用的模糊芯片和模糊计算机的产品，可供选用。
我国对模糊控制器开始研究是在1979年，并且已经在模糊控制器的定义、性能、算法、鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的成果。
著名科学家钱学森指出，模糊数学理论及其应用，关系到我国二十一世纪的国力和命运
1.2本研究课题研究内容和方法
1.2.1研究内容
1．以单片机为核心，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，实现整个系统的搭建，建立电加热炉系统的仿真图；
2．画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求；
3．将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。
1.2.2研究方法
模糊控制本质（机理）分为单一型和复合型。
复合型模糊控制器是把模糊控制和其他传统控制方式组合在一起的控制器，这些控制方式一般有强比例控制、PID控制和开关控制等。
本设计中要设计的模糊PID控制器就属于复合性模糊控制器。
模糊PID控制器是将模糊控制与经典PID控制器结合起来，在线实时调整PID参数，获得更好的控制效果。
模糊控制PID系统结构图，如图1-1所示。
图1-1模糊控制PID系统结构图
第2章模糊自适应PID控制原理
2.1PID控制系统概述
PID控制器系统原理框图如图2-1所示。
将偏差的比例（KP）、积分（KI）和微分（KD）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，KP、KI和KD3个参数的选取直接影响了控制效果。
图2-1PID控制器系统原理框图
在经典PID控制中，给定值与测量值进行比较，得出偏差e（t），并依据偏差情况，给出控制作用u（t）。
对连续时间类型，PID控制方程的标准形式为，
（1）
式中，u（t）为PID控制器的输出，与执行器的位置相对应；t为采样时间；KP为控制器的比例增益；e（t）为PID控制器的偏差输入，即给定值与测量值之差；TI为控制器的积分时间常数；TD为控制器的微分时间常数。
离散PID控制的形式为
（2）
式中，u（k）为第k次采样时控制器的输出;k为采样序号，k=0,1.2…;e（k）为第k次采样时的偏差值;T为采样周期;e（k-1）为第（k-1）次采样时的偏差值。
离散PID控制算法有如下3类:
位置算法、增量算法和速度算法。
增量算法为相邻量词采样时刻所计
算的位置之差，即
式中：
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，KP、KI、KD对系统的作用如下。
（1）系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。
KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定、KP过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。
（2）积分系数KI的作用是消除系统的稳态误差。
KI越大，系统的稳态误差消除越快，但KI过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调;若KI过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。
（3）微分作用系数KD的作用是改善系统的动态特性。
其作用要是能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变的太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
KP、KI、KD与系统时间域性能指标之间的关系如表2-2所示。
参数名称
上升时间
超调量
过渡过程时间
静态误差
KP
减少
增大
微小变化
减少
KI
减少
增大
增大
消除
KD
微小变化
减少
减少
微小变化
表2-2KP、KI、KD与系统时间域性能指标之间的关系
2.2模糊自适应PID控制系统
模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，让计算机把人的经验形式化、模型化，根据所取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并将其转化为精确量，作为馈送到被控对象（或过程）的控制作用。
模糊控制表是模糊控制算法在计算机中的表达方式，它是根据输入输出的个数、隶属函数及控制规则等决定的。
日的是把人工操作控制过程表达成计算机能够接受，并便于计算的形式。
模糊控制规则一般具有如下形式:
If{e=Aiandec=Bi}thenu=Ci,i=1,2…,
其中e,ec和u分别为误差变化和控制量的语言变量，而Ai、Bi、Ci为其相应论域上的语言值。
应用模糊推理的方法可实现对PID参数进行在线自整定，设计出参数模糊自整定PID控制器。
仿真结果表明，该设计方法使控制系统的性能明显改善。
自适应模糊PID控制器是在PID算法的基础上，以误差e和误差变ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。
利用模糊规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器，其结构框图如图2-3所示
图2-3自适应模糊PID控制器结构框图
PID糊自整定是找出PID参数（KP、KI、KD）与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，从而使对象具有良好的动、静态性能，模糊控制的核心是总结工程设计人员的技术和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对3个参数KP、KI、KD,分别整定的模糊规则表。
本设计模糊控制器输入语言变量，分别表示输入量的偏差和偏差变化率，规定：
它们的论域为：
E，Ec=﹛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；
它们的模糊集为：
E，Ec=﹛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB﹜；
其含义一次为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
输入各个语言值的定义分别由高斯形隶属函数曲线来描述。
得出Kp、Ki、Kd的模糊控制表如表2-4、2-5、2-6所示。
①Kp控制规则设计
在PID控制器中，Kp值的选取决定于系统的响应速度。
增大Kp能提高响应速度，减小稳态误差；但是，Kp值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小Kp可以减小超调，提高稳定性，但Kp过小会减慢响应速度，延长调节时间。
因此，调节初期应适当取较大的Kp值以提高响应速度，而在调节中期，Kp则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将Kp值调到较大值来减小静差，提高控制精度。
Kp的控制规则如表2-4所示。
EC
Kp
E
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
NB
PB
PB
PB
PB
PM
PS
O
NM
PB
PB
PB
PB
PM
O
O
NS
PM
PM
PM
PM
O
PS
NS
O
PM
PM
PS
O
NS
NS
NM
PS
PS
PS
O
NS
NM
NM
NM
PM
PS
O
NS
NM
NM
NM
NB
PB
O
O
NM
NM
NM
NB
NB
表2-4Kp的控制规则
②Ki控制规则设计
在系统控制中，积分控制主要是用来消除系统的稳态误差。
由于某些原因（如饱和非线性等），积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。
因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。
依据以上分析，制定的Ki控制规则表如表2-5所列。
EC
Ki
E
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
NB
NB
NB
NM
NM
NS
O
O
NM
NB
NB
NM
NS
NS
O
O
NS
NB
NM
NS
NS
O
PS
PS
O
NM
NM
NS
O
PS
PM
PM
PS
NM
NS
O
PS
PS
PM
PB
PM
O
O
PS
NM
PM
PB
PB
PB
O
O
PS
PM
PM
PB
PB
表2-5Ki模糊控制表
③Kd控制规则设计
微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。
系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快响应速度，减少调整时间，消除振荡．最终改变系统的动态性能。
因此，Kd值的选取对调节动态特性影响很大。
Kd值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；Kd值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。
根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；而在中期，由于调节特性对Kd值的变化比较敏感，因此，Kd值应适当小一些并应保持固定不变；然后在调节后期，Kd值应减小，以减小被控过程的制动作用，进而补偿在调节过程初期由于Kd值较大所造成的调节过程的时间延长。
依据以上分析，制定的Kd控制规则表如表2-6所列。
EC
Kd
E
NB
NM
NS
O
PS
PM
PB
NB
PS
NS
NB
NB
NB
NM
PS
NM
PS
NS
NB
NM
NM
NS
O
NS
O
NS
NM
NM
NS
NS
O
O
O
NS
NS
NS
NS
NS
O
PS
O
O
O
O
O
O
O
PM
PB
PS
PS
PS
PS
PS
PB
PB
PB
PM
PM
PM
PS
PS
PB
表2-6Kd控制规则
根据模糊规则表在线修正PID参数，计算公式如下：
Kp=K′p+△Kp；Ki=K′i+△Ki；Kd=K′d+△Kd：
其中Kp、Ki、Kd为原先定好的初始PID参数。
可根据被控对象的状态自动调整PID的三个控制参数的取值。
根据系统在受控过程中对应不同的E和Ec，将PID参数的整定原则归纳如下：
①当|E|较大时，说明误差的绝对值较大，Kp应取较大值，以提高响应的快速性；而为防止|Ec|瞬时过大，Kd应该取较小的值；同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki=0。
②当|E|处于中等大小时，为使系统响应超调较小，Kp应取小些。
在这种情况下，Kd的取值对系统响应影响较大，Ki的取值要适当。
③当|E|较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与Ki均应取大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当地选取Kd值。
Kd值的选择根据|Ec|值来确定。
当|Ec|较大时，Kd取较小值；当|Ec|较小时，Kd取较大值。
通常情况下Kd为中等大小。
2.3PID参数对控制性能的影响
简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。
积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。
进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分（PID）调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，PID控制规律为
（2-7）
因此它的传递函数为
（2-8）
U（s）和E（s）分别为u（t）和e（t）的拉氏变换，其中Kp为比例系数；
为积分时间常数；
为微分时间常数。
或：
（2-9）
公式中，
，
，其中
、
、
分别为控制器的比例、积分、微分系数。
2.3.1比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
比例来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。
P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。
这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。
比例系数Kp对系统性能的影响：
比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。
Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
Kp太大时，系统会趋于不稳定。
Kp太小，又会使系统的动作缓慢。
Kp可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。
如果Kp的符号选择不当对象状态（pv值）就会离控制目标的状态（sv值）越来越远，如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反。
2.3.2积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
积分来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。
I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。
一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。
通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。
所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。
积分控制TI对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，TI小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。
2.3.3微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例项”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
微分来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。
这个导数的控制会对系统的改变做出反应。
导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果做出更快速的反应。
这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。
D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。
微分控制TD对系统性能的影响：
微分作用可以改善动态特性，TD偏大时，超调量较大，调节时间较短。
TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。
只有TD合适，才能使超调量较小，减短调节时间。
第3章系统硬件设计
3.1基于单片机模糊自适应PID控制器硬件结构的设计
在控制中我们采取闭环控制系统，闭环控制系统（closed-loopcontrolsystem）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。
闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（NegativeFeedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
基于单片机的模糊自适应PID控制系统的控制回路框图，主要由基于单片机的模糊PID控制器、控制部分、被控对象、测量反馈、及干扰组成，如图3-1所示。
由于没有指定被控对象，被控变量、控制部分、测量反馈以及被控变量的设定值不能确定，所以在具体控制中具体选择这些变量和仪器。
图3-1模糊自适应PID控制系统的控制回路
在回路中，设定值与测量反馈得到的偏差信号送给模糊PID控制器，模糊PID控制器输出控制信号来调节控制阀，进而改变被控变量，使偏差信号被控制在很小的范围内，即：
使被控变量与设定值保持一致。
基于单片机的模糊PID控制器的运行原理：
电源输出5伏的电压给各个芯片，使其获得稳定的电压值。
控制系
升级会员 