新型PID模糊控制器的结构分析及应用研究

摘要

九十年代以来，一些学者开始分析和研究模糊控制器的数学表达式，从理论上认真探讨模糊控制器的本质特性等一系列根本性的问题，并与传统控制方法进行比较，分析模糊控制器各设计参数对控制性能的影响，成为模糊控制领域研究的一个热点。
　　 研究表明：模糊PI控制器对高阶被控过程动态控制性能较差，而模糊。PD控制器常会产生较大的稳态误差。因此，为改进模糊控制器的控制性能，不断有新型的PID型模糊控制器提出，并与结构分析以及稳定性分析相结合，成为模糊控制应用研究的新课题。
　　 虽然，模糊控制器的设计方法比较成熟并已经在实际中获得了大量的应用，但对模糊控制器的参数分析和参数整定的研究主要按试凑法得到的，其取值缺乏理论依据。
　　 针对这些情况，本文主要做了以下几方面工作：
　　 1.通过对常规PID控制器的结构分析，设计出一种新型的二维PID模糊控制器，其结构形式简称为：fuzzy PI+fuzzy ID型。通过对该fuzzy PI+fuzzy ID型PID模糊控制器的结构分析，运用相平面法解析模糊控制器的性能特点，给出与常规PID控制器系数KP、KI、KD之间的解析关系，得出该模糊控制器具有和常规PID类似的结构，并具有非线性特性。该PID模糊控制器控制精度高、过程简易、计算量小，该模糊控制器结构和算法简单，易于在线解析实现。仿真结果表明该PID模糊控制器的优越性。
　　 2.设计出另外一种新型的二维PID模糊控制器，其结构形式简称为：fuzzy PD+fuzzy ID型。根据模糊规则的图解分析，提出fuzzy ID控制器的输入变量(偏差和偏差变化加速率)与输出变量之间的控制结构，并确定两控制器的模糊控制规则的相似性。通过对上述fuzzy PD+fuzzy ID型PID模糊控制器进行详细的结构分析，求得系统在各工作区间的控制器输出计算公式，得出该模糊控制器具有和常规PID类似的结构，并具有非线性特性。仿真结果表明fuzzy PD+fuzzy ID型PID模糊控制器的有效性。
　　 3.提出一种模糊控制器的参数分析方法，对模糊控制器的参数进行了细致的分析，定义了：(1)输入输出变量的论域值L为系统设定值r(kt)的绝对值。(2)输出量化因子Gu值为常规PID控制器的参数KP、KI、KD之间最大值的β倍。(3)在满足上述两条件下，给出了模糊控制器的输入量化因子GP、GI、GD和常规PID控制器参数KP、KI、KD之间的关系。
　　 4.结合幅值裕度和相位裕度法，给出了不同于已有文献的模糊控制器的参数整定方法。仿真结果表明能有效的解决模糊控制器的参数整定。
　　 5.提出微波网带窑的脉冲数调制方法(PNM)。根据微波网带窑是一个多输入、多输出、强耦合的系统特点，设计了一种脉冲数调制法的PID模糊控制方法，模糊控制器为fuzzy PI+fuzzy ID型二维PID模糊控制器。通过仿真确定脉冲数调制法的最佳控制周期，实验结果证明其实际可行。