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《中南大学》 2010年
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新型PID模糊控制器的结构分析及应用研究

李庆春  
【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己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。
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