模糊自整定PID控制器的研究及应用

摘要

在当今全球都在努力推动工业发展步入工业4.0时代的大背景下，工业自动化程度越来越高，同时也使得工业控制系统的控制对象和环境变得更为复杂多变，这也同时意味着对控制算法有了更苛刻的要求。
　　目前，常规PID控制算法，由于算法简洁、可靠性好和稳定性高等特点，常常在工业控制中得到使用，常规PID控制通常应用在线性的和能建立确切的数学模型的实例系统中。然而在现代面对复杂多变的控制对象和环境，常规PID控制并不能完全的完成系统设定的控制要求，而且在现实的工业场合，传统PID参数调整方法比较复杂，调整出的参数往往性能不佳，难以应付复杂多变的工业控制环境。为了适应现代工业控制的需求，就要用不断新的控制算法与传统的控制算进行融合，取长补短。模糊控制技术作为智能控制才出现的一种控制方式，不需要被控对象的精确数学表达形式，而是基于人类的思维以及工程经验，用转化的言语规则去描述控制。这就避免了工业现场中遇到复杂、非线性和难以建立精确数学模型的状况，模糊控制的特点刚好弥补了传统PID控制的弱点。
　　本文依据模糊控制和传统PID控制各自的特点，参考对应的优缺点，完成模糊自整定PID控制器的设计。然后在传统PID控制器基础上，依据前期集成的规则库实施模糊推理，完成PID参数的实时自整定。同时为了考究算法的可靠性，本文以一定的数学模型作为控制对象，并在MATLAB/Simulink仿真环境中结合不同的控制器和算法对整个系统进行控制仿真，并对控制结果进行比较分析。为了进一步证实模糊自整定PID控制的可行性，同时又以直流无刷电机调速为实例，结合模糊自整定PID控制算法完成实现电机调速系统的硬件和软件等相关工作，这样就可以更直观的看到模糊自整定PID控制器的调节效果。

目录

摘要

1 绪论

1．1 控制理论的发展简介

1．2 PID控制器的概述及发展现状

1．3 模糊控制的概述及发展现状

1．4 课题的主要目的及内容

2 模糊自整定PID控制算法研究

2．1 常规PID控制原理

2．2 数字PID控制原理

2．2．1 位置式PID控制算法

2．2．2 增量式PID控制算法

2．3 改进的数字PID控制算法

2．3．1 积分分离法的PID控制算法

2．3．2 变速积分PID控制算法

2．3．3 不完全微分的PID控制算法

2．3．4 微分先行PID控制算法

2．4 数字PID的参数整定方法

2．4．1 稳定边界法

2．4．2 衰减曲线法

2．4．3 扩充响应曲线法

2．4．4 试凑法整定PID参数

2．5 模糊控制算法

2．5．1 模糊控制原理

2．5．2 量化因子和比例因子

2．5．3 隶属函数

2．5．4 模糊控制器的组成

2．5．5 模糊控制器的设计流程

2．6 本章小结

3 模糊自整定PID控制器的设计与仿真

3．1 Matlab／Simulink仿真软件的概述

3．2 模糊自整定PID控制器的设计

3．2．1 调节PID控制器三个参数的模糊规则

3．2．2 输入输出语言变量的确定

3．2．3 语言变量和隶属函数的确定

3．2．4 建立模糊规则表

3．2．5 模糊推理机和解模糊器

3．3 PID控制器与模糊PID控制器的仿真与结果分析

3．3．1 常规PID参数整定

3．3．2 基于传递函数的模糊自整定PID拉制总体仿真模块

3．3．3 模糊自整定PID调节模块

3．3．4 常规PID调节模块

3．4 常规PID和模糊自整定PID控制仿真结果分析

3．5 仿真结果比较

3．6 本章小结

4 直流调速系统设计

4．1 直流无刷电机的基本原理

4．2 直流无刷电机数学模型

4．2．1 端电压方程

4．2．2 电磁转矩方程

4．2．3 电机的转动平衡方程

4．3 调速系统组成

4．4 控制系统硬件设计

4．4．1 主控制芯片部分

4．4．2 电源电路

4．4．3 驱动电路

4．4．4 电流检测电路

4．4．5 通讯模块电路

4．5 控制系统软件设计

4．5．1 主程序模块

4．5．2 转子位置检测

4．5．3 转速控制环节

4．5．4 模糊自整定PID算法程序流程

4．5．5 电流环节控制模块

4．6 本章小结

5 实验结果分析

5．1 电机的线电压波形分析

5．2 电机的相电压波形分析

5．3 PWM波形

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

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