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1、 水下推进器控制系统设计 摘要：文中就水下推进器控制系统提出了模糊PID参数自适应整定控制，并进行了基于MATLAB/Simulink的建模与仿真。通过对仿真结果的比较和分析得出模糊PID参数自适应整定控制的控制效果明显优于常规PID控制和模糊自适应控制，是具有良好的鲁棒性和实时性的智能控制系统。关键词：PID控制，模糊自适应控制，建模与仿真 UNDERWATER THRUSTER CONTOL SYSTEM DESIGN Kunlun mountains in qinghai university college Automation level 2009 luocaibao Instruc
2、tor xuezhibinAbstract: The Fuzzy PID parameters adaptive adjusting control is put forward for underwater propulsion control system and simulation based on MATLAB/Simulink are done. Analyzing by the simulation results can conclud that the Fuzzy PID Parameters Adaptive adjusting control of the control
3、 effect is superior to conventional PID control and Fuzzy control,and it is a good robustness and real-time intelligent control system.Keywords:PID control,Fuzzy adaptive control,Modeling and simulation 1引言 设计研究的主要对象是水下推进器直流电机调速系统的控制1。对于水下推进器控制系统的常规控制方式一般采用PID控制，PID控制凭借自身算法简单，控制性能优越，可靠性高等优点，在控制领域中一直
4、占有非常重要的地位。可对于复杂、非线性、时变、耦合的控制机构，常规PID控制是很难达到理想的控制效果的，近些年来随着人工智能的问世，出现了譬如模糊控制2、神经网络控制、专家系统等一系列的新型智能控制方法。对于水下推进器控制系统非线性、时变、耦合及参数和结构不确定性的复杂特点，常规PID控制达不到控制要求，然而智能控制在控制非线性、时变、耦合、参数不确定等方面却拥有的一定的优势，恰好能够较好地解决复杂机构的控制问题，可以弥补常规PID控制的一些不足之处，设计提出了模糊PID参数自适应整定控制来实现对水下推进器直流电机调速系统的控制。2 模糊PID参数自适应整定控制器设计2.1 模糊PID参数自适
5、应整定控制器的结构及原理设计的模糊PID参数自适应整定控制器以常规PID控制为基础，结合模糊控制自适应控制以偏差e和偏差变化率ec作为输入，根据不同时刻的偏差e和偏差变化率ec对PID三个控制参数进行在线自适应整定，这样便构成了模糊PID参数自适应整定控制器。如图1所示为模糊PID参数自适应整定控制器3原理结构框图。PID控制器 模糊推理对象d/dt Kp Ki Kd rin + e yout - ec 图1 模糊PID参数自适应整定控制器原理结构图模糊PID参数自适应整定控制器的控制原理：通过将输入到PID 控制器的偏差e和偏差变化率ec同时输入到模糊控制器中，通过模糊逻辑推理得出三个修正参
6、数Kp、Ki、Kd，再将其分别输入到PID控制器中，然后，分别与PID控制器的初始值Kp、Ki、Kd相加后得到新的参数Kp、Ki、Kd值再输入到PID控制器中实现参数实时在线修正，即Kp=Kp+Kp；Ki=Ki+Ki；Kd= Kd+Kd，进而使利用PID良好的控制性能进行控制。2.2 模糊PID参数自适应整定控制器算法的实现2.2.1 模糊论域及隶属函数的确定设计以实践经验数据为依据，结合专家控制经验来确定偏差及偏差变化率的基本论域范围，再通过确定量化因子，将其影射到模糊论域。在这里将给定的转速值和实际输出转速值的差值及其变化率作为模糊PID自适应整定控制器的输入变量，经量化因子转换至输入变量
7、论域范围内之后根据相应的隶属函数转换到模糊控制器输入论域中。 设系统响应偏差和偏差变化率的模糊子集为：E、EC、Kp、Ki、Kd=“正大（PB）”，“正中(PM)”，“正小（PS）”，“零（ZO）”，“负小（NS）”，“负中（NM）”，“负大（NB）”。 E、EC的隶属函数赋值表如表l所示。 表1 模糊集E、EC的隶属函数赋值表 EEC-6-5-4-3-2-10123456PB00000000000.20.71.0PM0000.00000.20.71.00.50PS0000000.20.71.00.70.200ZO00000.20.21.00.70.20000NS000.20.71.00.70
8、.2000000NM00.51.00.70.200000000NB1.00.70.200000000002.2.2 模糊控制规则表的建立 参数的整定规则是模糊控制器的核心，通过工程操作人员和专家经验知识的总结，得到的Kp模糊控制规则表如下： 表2 Kp的模糊控制规则表 EKpECNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB2.2.4 仿真模糊控制器的编辑 （1）进入FIS编辑器。在MATL
9、AB的命令窗（command window）内键入fuzzy命令并运行4，弹出一个模糊推理系统编辑器界面，建立一个新的FIS文件。具体如图2所示。 图2 模糊逻辑编辑器编辑界面 (2)进入隶属度函数编辑器。文中的模糊PID自适应整定控制器（如图1）中的模糊控制器以e、ec作为输入，以PID参数的调节量Kp、Ki、Kd作为控制器输出的二输入、三输出的控制器。其中E、EC的隶属函数分布曲线和量化区间分别如下图3所示： (a) E隶属函数分布曲线和量化区间 （b）EC隶属函数分布曲线和量化区间 图3 E、EC的隶属函数分布曲线和量化区间 （3）进入规则编辑器。将控制规则写成启发式语句形式，模糊控制规
10、则表中的每一条语句都决定一个模糊关系，它们共有49条。详细表示如下：1 If (E is NB) and (EC is NB) then (Kp is PB ) and (Ki is NB) and (Kd is PS)2 If (E is NB) and (EC is NM) then (Kp is PB ) and (Ki is NB) and (Kd is NS)3 If (E is NB) and (EC is NS) then (Kp is PM ) and (Ki is NM) and (Kd is NB).4 If (E is PB) and (EC is PB) then (K
11、p is NB ) and (Ki is PB) and (Kd is PB)添加到模糊规则编辑器中如图4所示。 图4 模糊控制规则编辑器4 基于MATLAB/Simulink的控制系统建模与仿真 设定被控对象为：。4.1 常规PID控制系统Simulink模型的建立与仿真 针对被控对象G（S）建立常规PID控制系统的阶跃响应模型5，其中PID控制器的参数设定为：Kp=3、Ki=0.2、Kd=0.4，阶跃信号幅值给定为1500（即给定速度为1500r/min），具体系统模型如图5所示。 图5 常规PID控制系统模型 常规PID控制器对控制对象的速度跟踪仿真结果如图6所示： 图6 常规PID控制
12、系统阶跃响应结果4.2 模糊控制系统Simulink模型的建立与仿真 针对被控对象G（s）建立模糊控制系统的阶跃响应模型，其中设定阶跃信号幅值为1500（即给定速度为1500r/min），具体系统模型如图7所示。 图7 模糊控制系统仿真模型 调整好模糊控制器对应参数后，启动模糊控制器，并调用模糊控制规则进行仿真，得到的控制对象的速度跟踪仿真结果如下图8所示。 图8 模糊控制系统速度阶跃响应跟踪结果4.3 模糊PID参数自适应整定控制系统Simulink模型的建立与仿真针对被控对象G（s），结合模糊控制、PID控制和自会适应整定控制建立模糊PID参数自适应整定的阶跃响应控制系统模型6如图9所示。
13、 图9 模糊PID参数自适应整定控制系统得到控制对象的速度跟踪仿真结果如下图10所示。 图10 模糊PID参数自适应控制系统速度阶跃响应跟踪结果 4.4 三种控制器的速度跟踪阶跃响应仿真结果比较及分析由图6、图8和图10可以得出模糊控制器与常规PID控制器的控制效果相比较而言，超调量更小，并且调节时间更短，系统的稳定性和快速性要好。可就控制的准确性而言，PID控制的效果要好。模糊PID参数自适应整定控制器克服了模糊控制准确性不高和常规PID控制超调量大、快速性差的不足之处，结合二者优点在超调量和调节时间上的控制效果均要比其他两种控制器的控制效果好，并且系统更趋平稳，即模糊PID参数自适应整定控
14、制实现了控制系统稳、准、快三项基本性能，能满足控制要求。模糊PID参数自适应整定控制能进行参数自适应调节，从仿真结果曲线图很容易得出，模糊PID自适应控制系统反应灵敏，动作迅速，调节精度提高了，鲁棒性也较好，这是常规PID控制难以实现的，它的一个很重要的特点就是系统的过渡过程明显变短，这在实际控制过程中将有重大的意义。5 结束语从仿真模型和仿真结果可以得出，常规PID控制具有结构简单，调整简便等优点，可控制效果不是特别理想，尤其是碰到非线性、时变、耦合的被控对象时，常出现超调量大，过渡过程长等不足，而模糊PID参数自适应整定控制，结合了PID控制和模糊自适应控制，控制效果明显比常规PID控制要
15、好。设计出的控制系统更能适应水下环境的要求，为水下推进器控制系统提供了一套可以在实际控制过程中采用的控制方法或理论支持及研究动向。 参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统M.北京:机械工业出版社, 2012.1:1-45.2 E.H.Mandani.Appliation of Fuzzy Algorithms for the Control of a Dynamie PlantJ. Acta Automatica,1974,12(6):56-60.3 王广义.水下推进器的自适应PID控制D.青岛:中国海洋大学,2007.12.4 张志涌，杨祖樱等.MATLAB教程R2011aM.北京：北京航空航天大学出版社，2011.7： 257-285. 5 胡寿松.自动控制原理M.北京:科学出版社,2007:386-426.6 袁海涛.电动机自适应PID控制D.山东:山东科技大学,2011.
