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马梓豪:基于MATLAB仿真的室内温度控制算法

时间: 2018-12-09阅读:

摘 要本文主要研究了各类模糊PID算法,介绍了各类模糊PID算法的原理,并将各种迷糊PID算法应用到系统中,观察系统阶跃响应曲线,分析算法的性能。算法参数调整好后,加入干扰观察系统的抗干扰能力,改变算法的控制对象,考察算法的鲁棒性。

【关键词】模糊PID 阶跃响应曲线 鲁棒性

1 模糊PID的由来

由研究可知模糊控制系统存在静差,为了改善模糊控制的性能,提出模糊PID的思想。要提高模糊控制的精度和跟踪性能,就要对语言变量取更多的语言值,分档越细,性能越好,但规则数和计算量也随之增加,从而使调试更加困难,控制器的实时性难以满足要求。因此想到将模糊控制器和常规的PID并联,达到两种控制器性能的互补。

2 各类模糊PID的简介

模糊PD和精确积分即模糊控制中模糊控制器的输入为E和DE,相当于PID控制中的比例微分项。因此将模糊控制视为模糊PD控制。该系统只是增加了积分项,模糊控制规则并没有改变。但能做到系统阶跃响应时稳态无静差。这就是模糊控制结合PID控制的优点。模糊PD和模糊PI即将模糊PD和模糊PI并联。其输入为误差E。模糊PID是一个二输入三输出控制器,输入为误差E和误差的变化DE,输出为PID的参数。但此时还需将这三个参数精确化,即乘上一个精确化因子。此时的,,。较模糊控制,模糊PID控制器的输入变量没有变化但输出变量增加到三个。

3 各类模糊PID算法在室内温度控制系统中仿真应用

各类模糊PID控制系统阶跃响应曲线:

如图1所示。

由阶跃响应曲线可以看出,模糊PD和精确积分对于二阶被控对象

階跃响应存在稳态误差。将被控对象变为

,其余参数不变换,再次观察系统的阶跃响应曲线。此时的阶跃响应曲线稳态时无静差,说明该控制器对于被控对象为一阶惯性系统时能满足控制要求。考察该系统的抗扰能力,在30ms时向系统加入一脉冲信号,观察原系统的响应去曲线和被控对象降阶后的响应曲线。由系统的阶跃响应曲线可以看到,到系统受到干扰时,将产生较大的扰动,对系统可能产生破坏。现对象变为

其他不变。由阶跃响应曲线可以观察到,当系统受到扰动时,会有小幅度的超调,但短时间内即会恢复正常。由模糊PD和模糊PI仿真响应曲线可知,系统稳态时存在静差,但系统稳定。将被控对象变为

由响应曲线可以看出,系统响应时间降低,响应加快。但系统稳态时仍存在静差。在原系统仿真进行30ms时加入一脉冲信号观察此时系统的响应曲线。由其阶跃响应曲线可以看到,该系统抗扰能力差。将被控对象降为

由曲线可以看到该系统具由抗扰能力。扰动发生时系统会产生小的波动。但短时间内会恢复正常。但系统稳态时还是有静差。由模糊PID仿真响应曲线可以看到,该系统的稳态时无静差且系统的响应时间短。将被控对象变为

,其他参数不变,继续观察其响应曲线。可以看到系统几乎无超调,稳态性能满足要求。此时系统的参数鲁棒性较强。在原系统加入干扰,由响应曲线可以看到系统具有较好的抗扰能力,扰动发生时只在短时间内有波动,系统的鲁棒性强。再次将被控对象变为

,观察其抗扰能力。由响应曲线可以看出系统的抗干扰能力强。

4 总结

由上述的阶跃响应可见,模糊PD和精确积分及模糊PD和模糊PI对于一阶环节的被控对象具有较好的控制能力,且系统的鲁棒性较强,两种算发下的控制系统对于二阶系统发生扰动时产生较大的超调。而模糊PID无论对一阶环节或二阶环节的被控对象,抗干扰能力强,控制性能好。但模糊PID的模糊规则较模糊PD和精确积分、模糊PD和模糊PI控制系统的模糊规则增多,计算量加大,复杂度也提高。在选择算法时考虑系统的要求尽量做到计算量小且能达到控制要求。

参考文献

[1]李迎霞,杜尚丰.中国温室环境智能控制算法研究进展[J].农业工程学报,2011(20):2.

[2]屈毅,宁铎,刘飞航.模糊PID控制器的设计及其仿真[J]. 计算机仿真,2011(26):12.

[3]阚丹青,唐良宝,赵智林.基于MATLAB的空调房间温控系统的仿真研究[J].世界科技研究与发展,2014(33):1.

[4]刘雁征,滕光辉,刘世荣.温室环境控制系统的发展及现存问题[J].中国农学通报,2007,23(10):154--157.

作者单位

安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽省芜湖市 241000

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