基于MATLAB的模糊PID控制器设计与仿真研究
2002年第 5期 机 车 电 传 动
2002年 9月 10日 ELECTRIC DRIVE FOR ~ MOTIVES
№ 5，2002
Sep．10，2002
研
究
开
发
基予~ TLAB均 模糊mD接制器
设 计 与 ?仿 真 研 究
常满波 ，胡鹏 飞
(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031 )
摘 要 ：针 对在 复杂 系统 中实现 自组 织 参数 的 PID 控制 问 题 ，介绍 了一 种 基 于模 糊控 制 原
理的 PID参数 自组织 控制器 的设计方 案 ， 同时 利用 MATLAB中 的 SIMULINK和 FUZZY工具 箱
进 行 了仿 真研 究 ，仿 真 结果 表 明 ，参数 自组织 模 糊 控 制 系统 比参 数 固定 的 系统 的 控制 效 果 好 。
关键词 ：PID 控制器 ；MATLAB；模糊 控制 ；仿 真
中图分类 号 ：TP391．9 文献标 识码 ：A 文章编号 ：1000—128X(2002)05—0034—03
作者简介 ：常满 波 (1976一)．
男 ， 西 南 交通 大 学 电 气 工
程 学 院 硕 士研 究 生 ， 主要
从 事 计 算 机 应 用技 术 的研
究 一
Design and sim ulation research of PID fuzzy controller based on M ATLAB
CHANG M an-bo，HU Peng-fei
(School of Electric Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 61003 1，China)
Abstract：Aiming at the problem of realizing PID control with self-organizing parameters in complex system，a design scheme of PID
parameter self-organ izing controller based on fuzzy control principle is put forward．Simulation study is made with the too lboxes of SIM ULINK
and FUZZY inside M ATLAB．Comparisons show a better control result of fuzzy control system with self-organ izing parameter than with fixed
parameter system ．
Key words：PID controller；M ATLAB；fuzzy control；simulation
根据 偏 差 的 比例 (P)、积 分 (I)、微分 (D )进行 控
制 (简 称 PID控 制 )，是 控 制系 统 中应 用 最 为广 泛 的一
种 控 制 规 律 。但 是 ，要 想 取 得 好 的控 制 效 果 ，必 须 离
线或 者 在 线整 定 PID控 制 器 的参 数 ，使 之具 有 合理 的
数 值 实 际 上 ，任 何 一 个 有 效 的 控 制 设 计 都需 要 包 含
人 的 经 验 知 识 、判 断技 巧 和直 觉 推 理 能 力 。基 于 这 一
想 法 ，本 文 根据 模 糊 控 制 原 理 ，设 计 了一 种 参 数 自组
织 PID控 制 器 ，试 图 把人 的判 断技 巧 与推 理 能 力 参 与
到 控 制 系统 设 计 中去 。该 控制 方 案 既对 PID 算法 加 以
保 留和改 进 ，又运用 模 糊 控制 原 理在 线 整 定 PID控 制
器 的 参 数 。这 样 得 到 的控 制 系统 在 理 论 上 具 有 超 调
小 、稳 态 控 制 精 度 高 等 特 点 。
1 模糊控 制器的 实现
一 般 来 说 ，PID 控 制 器 的 结 构 和 算 法 已经 确 定 ，
控 制 品 质 的好 坏 主要 取 决 于 控制 参 数 选 择 是 否 合理 。
通 常 ，不 同的偏 差 和偏差 变 化率 I Ae I，对 PID
控 制器 参数 。、 、 的整定要 求 不 同。
(1)当 I eI较 大 时 ，为 _『加 快 系统 的 响应 速 度 ，应
收稿 日期 ：2002—03—19；收修改稿 日期 ：2002 06—10
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取较 大 的 K。；但为 了避 免 由于开 始时 的偏差 的瞬 时
变 大 可 能 出现 的 微 分 过 饱 和 而 使 控 制 作 用 超 出许 可
的范 围 ，应 取 较 小 的 K ；同 时为 了防止 系 统 响应 出现
较 大 的超 调 ，产生 积 分饱 和 ，应 对积 分 作用 加 以限制 ，
通 常取 K。=0。
(2)当偏 差 IeI处 于 中等 大小 时 ，为 使 系统 响应 具
有 较 ／J,09超调 ， 。应 取得 小些 ， 。的取 值要 适 当 ；在这
种 情 况 下 的取 值 对 系统 影 响 较 大 ，取 值 要 大 小 适
中 ，以保 证 系统 的 响应 速 度 。
(3)当 偏差 IeI较 小 即接 近 于设 定 值 时 ，为使 系统
具 有 良好 的稳 态特 性 ，应 增加 。和 。的 取 值 。同时 为
避 免 在 系统 的设 定 值 附近 出现 振荡 ，应增 强 系统 的抗
干 扰性 能 。当 I△P I较 小 时 ， 可取 值大 些 ；当 I△P I较
大 时 ， 。应 取 小些 。
根据 以上 原 则 ，可 以 采 用模 糊 推 理 的方法 设 计 参
数 自调 整 的模糊 PID控 制 器 。其 结 构框 图 如 图 1所 示 ：
选 择 偏 差 绝 对 值 E和偏 差 变 化 率 绝 对 值 E 作 为
语 言输 入 变量 。 与 的语 言 值选 为 、 、 、z 四
档 ，论域 {0，a。，a ，a，l，Ec={0，b。，b ，b，l。变量 E各
语 言 值隶 属 函数 如 图 2所示 ，变 量 ￡ 各语 言 值 隶 属 函
数 如 图 3所 示 。输 出语 言 变量 为 、 和 ，他们
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第 5期 常满波 ，胡鹏飞 ：基 MATLAB的模糊 PID控制器设计 与仿真研究
图 1 控制 器 的结构框 图
的语 言 值 也选 为 B
～
、
M
～
、
S
～
、
Z
～
四档 ，论 域 分 别 为 Kp=
{0，Cp-， ， }，Ki={0，CI。，Cn， }， ={0， 。， ，
C。，}。各语 言值 的隶 属 函数见 图 4(图 中'『依次 为 、 、
)。
图 4 、 、Da的隶属 函数
根 据 以 上 分 析 和语 言 变 量 的 设 定 ，可 以 总 结 出
、 和 的 自调整 控制 规 则 (见表 1)。
表 1 、 ．和 的调整规 则表
例 如 ：对 应 于第 一栏 中 M 、Z、S中 K 对 应 的调 整
规 则 (M )的隶 属 度 计 算 方 法 是 ：
。 (cP)= (Ca)-／z~(a) 雎c(b)
依 此类 推 ，可 以分别 求得 参 数 。、 和 在不 同
偏差 和偏差变化下 ，按照模糊规则调整的隶属度 ，也
就可以求 得此 时参数 的调整值 。以 。为例 ：
∑ pJ(c )
K = l_———一 ???????????(1)
∑ (c )
j=l
式 中 (Ca)('『=1，2，? ，，l，规 则 条 件语 句 的数
量 )是 由 当前 偏 差 和偏 差 变 化 测 量值 的绝 对 值 经量 化
后 的 和 c对 应 的隶 属 度 函数 (口)和 ( 求 得 的
对应 于表 1中 的关 于 的隶属 度 。 为 参数 所取 的
模 糊 子 集 的模 糊 论 域 中心 值 。
同理 ，可 以得 到参 数 。、 ：
∑ (ct)
Ki=上l-——一 ????????????(2)
∑ (ct)
y=l
∑．“ dJ(c。)
K =上 ———一 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3)
∑ dJ(c。)
j=l
由于 PID参数 自调整模 糊控 制器 在参数 、 、
与偏 差 和 偏 差 变化 之 间建 立 了在 线 自调 整算 法 ，满 足
了系统在不 同 的偏差 和偏差 变化下对控 制参数 的不
同要 求 ，所 以可 以取 得 优 于 常规 PID控 制 器 的效果 。
2 仿真研 究
为 了验 证 PID参 数 自调 整模 糊 控制 器 的效果 ，我
们 在 MATLAB中利用 SIMULINK和FUZZY 2个工具箱
对 2个 不 同 阶次 的被 控 制 对 象 进 行 仿 真研 究 。
设 被 控 对 象 的 数 学 模 型 为
1
Gl( )=—s2 +2
。_
s+
一
l
，’1d
G ( ) ．／
一 35 —
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机 车 电 传 动 2002年
在 MATLAB中创建 图 5所示 的模 糊控 制系统 仿真
模 型 ，该 方 框 图 中的 PID控 制 器 和模 糊 控 制器 分 别 是
封装好 的子 系统 ，其 内部模 型如 图 5～图 7所示 ，其 中图
7中 的模 糊 逻辑控 制 器 中 隐含 了输 入输 出关 系的 FIS，
需 要利 用行 命 令 或者 GUI编辑 函数事 先 建立 。
仿 真 运 行 后 得 到 图 8、图 9所 示 的 结 果 (阶跃 响
应 )。显 然 参 数 自组 织 模 糊 控 制 系 统 比参 数 固定 的 系
统 的控 制 效 果 好 得 多 。
表 2中列 出 了模 糊 控制 与 常规 PID控 制 (Zeigler—
Nichols方法 )的性 能指 标 。表 中 J，o。表示 最大 超调 的百
分 比 ，丁 代 表 稳 定 时 间 。从 所 得数 据 分 析也 可 以得 到
参 数 自组 织 模 糊 控 制 系 统 控 制 性 能 更 好 的 结 论 。
图 8 G ( )仿真结果 图9 G2(s)仿真结果
表 2 仿真 结 果分析
3 结束 语
本文将模糊控制理论和MATLAB有机结合 ，通过
对 PID参 数 自组 织模 糊 控 制 器 的设 计 与仿 真 研 究 ，介
绍 了对 复 杂 系 统实 现 模 糊 控 制 的一 般 方 案 。这 种设 计
方 法 的本 质 是 对 复杂 系 统 进 行 了非 线 形 处理 ，从 而提
高 了 系 统 的鲁 棒 性 与智 能 性 。
参 考 文 献 ：
[1]李人厚 ．智能 控制理 论 和方法 【M 】．西安 ：西 安 电子科 技大学 出版
社 。1999．
[2]张志涌．精 通MATLAB[M]．北京：北京航空航天 大学 出版社 ，2000．
[3]肖 建．现代 控制 系统 综合 与设计 【M】．北 京：中国铁道 出版社 ，
2000．
[4]陈 曦 ，李 炜 ．制 冷 空调系 统 的模 糊 控制实 现 【J】．电子 技术 应
用 ．2000．(1Ol
(上 接 第 3 3页 )
3 结 论
本 文 研 究 了适应 低 压 大 电流 要 求 ，具 有 较 高 动态
响应 速 度 、稳 压 精 度 、功 率 密 度 和功 率 变 换 效 率 的交
错 并联 SR—BUCK变 流器 电路 和 V 控 制方 法 。研 究结
果 表 明 ：相对 于 常规 SR—BUCK变 流器 电路 ，交 错 并
联 SR—BUCK变流 器 电路 的 输 出 电流 i。的纹 波 幅值 减
小 ，等 效 频 率 提 高 ，从 而 易 于 设 计 输 出 电压 纹 波 小 、
动 态 响应 速 度 快 、功率 密度 高 的 开 关 电 源 。相 对 于 常
规 电压 型 控 制 和 电流 型控 制 方 法 ，V 控制 方 法 可 以显
著 改 善 开 关 变 流 器 的输 入 和 负 载 响 应 速 度 。
参 考 文 献 ：
[1] Xunwei Zhou，Xingzhou Zhang．Investigation of Candidate VRlVl To-
pologies for Future Microprocessors[C]．IEEE Applied Power Electron—
icsConferenceProc ．1998，l3(1)：123一l28．
[2] XueweiZhou，ThomasGWang，FredCLee．OptimizingDesignforLow
VoltageDC-DCConverters[C]．IEEEAppliedPowerElectronicsConfer—
enceProc．1997，12(2)：612-616．
[3] George Schuellein．Current Sharing of Redundant Synchronous Buck
Regulators Powering High Perform an ce M icroprocessors using the V
Control M ethod[C]．IEEE Applied Power Electronics Conference Proc．
1998，13(2)：853-859．
[4] 王凤岩 ，许建平 ，吴松 荣．开关 电源 V：控 制方法研 究 ? ．机车 电
传 动 ，2001，(3)：22—24．
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