基本介紹
- 中文名：模糊自整定
- 外文名：fuzzy self-tuning
- 學科：控制科學與工程
- 類別：模糊控制
- 優勢：回響快、穩定性強
- 主要套用：PID參數調節
基本概念,基本思想,模糊自整定PID控制器的設計,模糊自整定PID控制的優勢,
基本概念
模糊控制理論(Fuzzy Control Theory)，這一概念1974年由L.A.Zadeh教授提出。其核心是對複雜的系統或過程建立一種語言分析的數學模式，使自然語言能直接轉化為計算機所能接受的算法語言。
模糊自整定即根據控制參數的偏差、偏差變化率以及參數間的模糊關係，調整控制參數，常用於PID控制器參數的調節。針對一般PID控制算法線上調整PID的三個參數難度較大的問題，PID控制的參數模糊自整定方法可以根據偏差和偏差變化率與PID三個參數的模糊關係，進行參數模糊自整定。該方法具有通用性和適應性強，參數容易整定，控制效果好等特點。針對一般的PID控制算法線上調整PID參數難度較大的缺點，研究PID控制的參數模糊自整定方法是非常有實際意義的。
基本思想
PID控制是工業控制中套用最廣泛，也是最成熟的控制算法，PID參數整定的情況直接影響控制效果的好壞。參數整定的實質就是用控制器的特性去校正對象的特性，使整個控制系統特徵方程的根全部落入根平面的某一範圍內，從而滿足對穩定性、快速性和準確性的要求。而實際中許多被控對象的模型隨時間或生產工藝狀況的不同會發生變化，這就會造成系統控制質量下降甚至不穩定。要保證控制質量保持不變，就需要及時線上調整PID的三個參數。
PID控制的參數模糊自整定方法的基本思想是：根據偏差e和偏差變化率ec與PID的三個參數的模糊關係，制定模糊規則庫。在實際運行中，不斷檢測e和ec，進行模糊推理，激活相應規則，然後解模糊、輸出控制量。具體實現分五步：
（1）計算偏差e和偏差變化率ec；
（2）偏差e與偏差變化率ec模糊化；
（3）模糊規則庫及模糊推理；
（4）輸出量解模糊；
（5）計算控制增量△u。
模糊自整定PID控制器的設計
圖1
圖1
其設計思想是：先建立PID控制器的三個參數與偏差e和偏差變化率ec的模糊關係即模糊規則，然後以偏差e和偏差變化率ec作為輸入量，通過模糊規則對PID參數進行線上修改以滿足不同時刻偏差e和偏差變化率ec對PID參數自調整的要求在系統中，模糊控制器是設計的核心。
模糊控制器如圖2所示。模糊控制器的工作過程可分為3個過程：模糊化、模糊邏輯推理和精確化。
圖2
圖2
（1）知識庫
知識庫包括模糊控制器參數庫和模糊控制規則庫。模糊控制規則建立在語言變數的基礎上。語言變數取值為“大”、“中”、“小”等這樣的模糊子集，各模糊子集以隸屬函式表明基本論域上的精確值屬於該模糊子集的程度。因此，為建立模糊控制規則，需要將基本論域上的精確值依據隸屬函式歸併到各模糊子集中，從而用語言變數值(大、中、小等)代替精確值。這個過程代表了人在控制過程中對觀察到的變數和控制量的模糊劃分。由於各變數取值範圍各異，故首先將各基本論域分別以不同的對應關係，映射到一個標準化論域上。通常，對應關係取為量化因子。為便於處理，將標準論域等分離散化，然後對論域進行模糊劃分，定義模糊子集，如NB、PZ、PS等。
同一個模糊控制規則庫，對基本論域的模糊劃分不同，控制效果也不同。具體來說，對應關係、標準論域、模糊子集數以及各模糊子集的隸屬函式都對控制效果有很大影響。這3類參數與模糊控制規則具有同樣的重要性，因此把它們歸併為模糊控制器的參數庫，與模糊控制規則庫共同組成知識庫。
（2）模糊化
將精確的輸入量轉化為模糊量F有兩種方法:
a.將精確量轉換為標準論域上的模糊單點集。
精確量x經對應關係G轉換為標準論域x上的基本元素.
b.將精確量轉換為標準論域上的模糊子集。
精確量經對應關係轉換為標準論域上的基本元素，在該元素上具有最大隸屬度的模糊子集，即為該精確量對應的模糊子集。
（3）模糊推理
最基本的模糊推理形式為:
前提1 IF A THEN B
前提2 IF A′
結論 THEN B′
其中，A、A′為論域U上的模糊子集，B、B′為論域V上的模糊子集。前提1稱為模糊蘊涵關係，記為A→B。在實際套用中，一般先針對各條規則進行推理，然後將各個推理結果總合而得到最終推理結果。
（4）精確化
推理得到的模糊子集要轉換為精確值，以得到最終控制量輸出y。常用兩種精確化方法：
a.最大隸屬度法。在推理得到的模糊子集中，選取隸屬度最大的標準論域元素的平均值作為精確化結果。
b.重心法。將推理得到的模糊子集的隸屬函式與橫坐標所圍面積的重心所對應的標準論域元素作為精確化結果。在得到推理結果精確值之後，還應按對應關係，得到最終控制量輸出y。
模糊自整定PID控制的優勢
通過比較，模糊自整定PID控制器優勢如下：
（1）模糊自整定PID控制器的參數調整較快。從系統回響上看，其穩態回響過程比常規PID控制器快。
（2）通過比較可知，模糊自整定PID控制器能有效地抑制隨機干擾，能及時對PID控制器的參數進行線上調整，並以比常規PID控制器更小的誤差和更快的速度重新進入穩態工作點，它的抗干擾特性要優於常規PID控制器。
模糊自整定PID控制器具有方法簡便、調整靈活、實用性強等特點。仿真結果表明，模糊自整定PID控制器線上參數自整定能力強，對抑制干擾和噪聲是有效的，能提高控制系統的品質，具有較強的自適應能力和較好的魯棒性。
