模糊PID控制的設(shè)計(jì)

于靜　王岳軍　方強(qiáng)

摘 要：目前溫室大棚、植物生長柜的溫度受外界環(huán)境影響波動(dòng)比較大，因此常規(guī)的控制方法確實(shí)難以很好地控制環(huán)境溫度。結(jié)合溫度控制的一些特性，針對常規(guī)PID控制的自適應(yīng)控制能力不強(qiáng)，控制效果欠佳的現(xiàn)象，提出一種模糊PID控制，并用MATLAB進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該控制策略具有良好的魯棒性和穩(wěn)定性，控制精度更高。

關(guān)鍵詞：溫度控制；模糊控制；控制算法；MATLAB仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.264

1 PID控制

（1）PID的理論可行性。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

通常情況下，一個(gè)完整的PID控制器是由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。比例調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)地對系統(tǒng)中的實(shí)際值與給定值之間的偏差e（t）作出反應(yīng)，可有針對性減小偏差；積分調(diào)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差；微分調(diào)節(jié)用于反應(yīng)系統(tǒng)偏差的瞬時(shí)變化趨勢，可以有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2 模糊PID控制

（1）模糊控制的基本原理。模糊控制是一種基于模糊邏輯的算法，其原理是，在控制過程中，對被控對象的狀態(tài)進(jìn)行模糊化，變?yōu)橛萌祟愓Z言描述的模糊量，之后根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)制定的語言控制規(guī)則，再通過模糊推理，得到輸出控制量的模糊值，最后在解模糊化模塊中將控制量的模糊值轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器能夠執(zhí)行的精確控制量，在控制中發(fā)揮作用。

模糊控制器由模糊化模塊、知識(shí)庫、模糊推理模塊、解模糊化模塊4個(gè)部分組成。

（2）模糊自整定PID控制。模糊控制具有2個(gè)極明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先模糊控制可以依靠人們在生產(chǎn)實(shí)踐中的控制經(jīng)驗(yàn)，這種情況下完成控制任務(wù)就不用去建立被控對象的精確模型；其次，模糊控制的穩(wěn)定性強(qiáng)，響應(yīng)速度快、超調(diào)量小，適用于控制具有滯后性的系統(tǒng)。其缺點(diǎn)也是顯而易見的，總結(jié)模糊控制規(guī)則比較困難，一旦規(guī)則建立不能在線更改，另外由于模糊控制器沒有積分環(huán)節(jié)，因此穩(wěn)態(tài)精度不高。

因此，采用模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，運(yùn)用模糊自整定PID參數(shù)的方法進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，從而快速、精確地完成控制任務(wù)。模糊控制器根據(jù)輸入量e和ec進(jìn)行模糊推理，輸出精確的PID控制參數(shù)KP、KI和KD，再由PID控制器對溫室溫度進(jìn)行控制。

3 模糊PID控制在溫控中的效果

試驗(yàn)中分別采取常規(guī)PID控制和模糊自整定PID控制兩種方法，并分別記錄下了最終的控制效果。統(tǒng)計(jì)溫度計(jì)顯示的數(shù)據(jù)，每30秒記錄一次，并根據(jù)這一數(shù)據(jù)繪制出了控制效果圖。

圖2的（a）和（b）分別是設(shè)定溫度為30℃時(shí)的常規(guī)PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖，通過分析發(fā)現(xiàn)，模糊自整定PID控制可以有效改善了常規(guī)PID控制的超調(diào)過大的問題，最終趨于穩(wěn)定的時(shí)間也有所縮短，并且最終結(jié)果滿足誤差在±2℃范圍以內(nèi)的要求。

圖3的（a）和（b）分別是設(shè)定溫度為80℃時(shí)的PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖。通過比較圖（a）和（b）可以看出，后者比常規(guī)PID控制的曲線顯得圓滑，不那么突兀，超調(diào)量比PID控制要小，動(dòng)態(tài)特性也相對較好。同時(shí)由于絕緣油與室溫的溫差較大，散熱效果較好，降溫所需時(shí)間明顯減少。

4 結(jié)論

通過仿真分析，利用模糊自整定的PID控制進(jìn)行溫度控制與常規(guī)的PID控制相比，具有更好的魯棒性和可靠性。它可以有效地實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物發(fā)酵過程中對溫度的精準(zhǔn)控制，具有非常重要作用。

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