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基于Matlab的模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真
蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 呂帥 江蘇省蘇州市 215000 2020/4/10 13:09:07
摘 要：在以往的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，PID控制一直是應(yīng)用最為廣泛的一種系統(tǒng)，具有算法簡(jiǎn)易、系統(tǒng)成熟的特點(diǎn)，并且有極高的可靠性和精準(zhǔn)性。在現(xiàn)代技術(shù)的影響下，控制系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)都逐漸趨于復(fù)雜，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)精度的要求也不斷提高。如果一直使用以往的控制策略，無法完全滿足人們對(duì)控制系統(tǒng)性能的需求，給部分活動(dòng)的開展帶來了一定的影響。隨著智能算法的不斷普及，傳統(tǒng)算法也開始出現(xiàn)了新的改變，逐漸與智能算法進(jìn)行了深度融合，模糊控制屬于智能控制中的一種有效手段，被廣泛的應(yīng)用在各種工業(yè)實(shí)踐活動(dòng)中。本文深入分析了基于Matlab的模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。
關(guān)鍵詞：Matlab；模糊PID；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；仿真
PID控制理論出現(xiàn)時(shí)間較長(zhǎng)，在不同行業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中都有所應(yīng)用，這主要是由于PID控制理論相對(duì)于其他控制策略來講有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。雖然PID控制理論在操作和實(shí)踐中都能取得不錯(cuò)的效果，但是如果控制對(duì)象具有時(shí)變性或者非線性的特點(diǎn)時(shí)，往往無法取得預(yù)想中的效果，會(huì)給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來一定的影響。模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理與傳統(tǒng)的PID控制理論相似，并且具有智能化的優(yōu)勢(shì)，改變了傳統(tǒng)控制理論的局限性。模糊PID控制理論能夠更加高效的控制系統(tǒng)運(yùn)行，利用Matlab軟件能夠?qū)δ：齈ID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和設(shè)計(jì)，也可以在經(jīng)過仿真后驗(yàn)證這種系統(tǒng)的實(shí)際性能，可以提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作效率。
一、模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，分別是參數(shù)可以調(diào)整的PID以及模糊控制系統(tǒng)[1]。以往所使用的PID控制器在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)問題，在調(diào)定參數(shù)的過程中，控制系統(tǒng)是處于不變狀態(tài)的，但是系統(tǒng)卻又在運(yùn)行過程中極其容易受到外界因素的影響，進(jìn)而使參數(shù)的準(zhǔn)確性也受到了影響，導(dǎo)致系統(tǒng)控制的效果也會(huì)出現(xiàn)下降的狀況。在實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)中，如果控制系統(tǒng)和參數(shù)都處于不穩(wěn)定的狀況，會(huì)給生產(chǎn)活動(dòng)也造成些許影響。為了改善這種局限，技術(shù)人員開始將自動(dòng)化理念融入到設(shè)計(jì)過程中，力求能夠讓參數(shù)可以在系統(tǒng)變化的過程中也不斷的改變，達(dá)到適應(yīng)系統(tǒng)提高控制效果的目的。在20世紀(jì)80年代，模糊PID控制理論被提出并不斷完善，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也逐漸區(qū)域智能化，給工程實(shí)踐活動(dòng)的開展帶來了積極的影響和促進(jìn)作用[2]。模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的控制偏差和實(shí)際偏差兩者之間所產(chǎn)生的變化率進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)也將系統(tǒng)的變化特性融合到設(shè)計(jì)想法中，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際的控制需求和函數(shù)需求主要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
二、基于Matlab的模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
在現(xiàn)代化的控制理論下，模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)容呈現(xiàn)出理性化、抽象化的特點(diǎn)，將集合理論、邏輯推理以及語(yǔ)言變量進(jìn)行了融合，屬于一種智能化的控制。利用這種系統(tǒng)所解決的問題較為復(fù)雜，無法單純的依靠解析來獲得答案，在計(jì)算的過程中需要應(yīng)用到較為復(fù)雜的計(jì)算方法以及軟件編程。如果處理這些問題需要繁雜的程序，給技術(shù)人員帶來了較大的工作量，使得在驗(yàn)證控制方法的過程中出現(xiàn)了各種問題，無法快速的應(yīng)用到工程實(shí)踐之中[3]。
基于Matlab的模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)則改變了這類問題的解決方法，使得控制系統(tǒng)的處理更加智能和高效。Matlab是一種高級(jí)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，在當(dāng)前國(guó)際控制研究方面有較高的地位，并且在工程實(shí)踐和科學(xué)計(jì)算中都具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是各國(guó)技術(shù)人員都承認(rèn)的仿真軟件。Matlab擁有極高的靈活性，能夠和智能系統(tǒng)有效結(jié)合，如智能化的邏輯控制程序，不僅包括模糊控制程序，還具備對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制的程序。模糊邏輯控制程序?yàn)橛脩籼峁┝嘶贛atlab理論的用戶界面，能夠使用戶清晰的了解到系統(tǒng)的運(yùn)行程序。在目前很多實(shí)驗(yàn)室中，并不具備一定的硬件設(shè)施，無法進(jìn)行模糊控制實(shí)驗(yàn)，在這種情況下選擇Matlab進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)不失為是一種較好的選擇。
利用Matlab進(jìn)行仿真的過程中主要分為五個(gè)部分，首先需要準(zhǔn)確建立模型，通過對(duì)被控制的對(duì)象設(shè)計(jì)模型，可以提高仿真效果。其次，應(yīng)當(dāng)對(duì)基本的論域進(jìn)行劃分，能夠提升系統(tǒng)最終的運(yùn)行精度，為了避免系統(tǒng)過于復(fù)雜所帶來的影響，最好設(shè)置7個(gè)區(qū)域[4]。再次，輸入不同的變量，將輸入和輸出的語(yǔ)言變量個(gè)數(shù)進(jìn)行合理化的設(shè)置。再之后，進(jìn)行模糊推理，這一步驟屬于仿真設(shè)計(jì)的核心，能夠得出模糊關(guān)系。最后，將模糊量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成為清晰量，提高最終控制量的精確度。在解模糊的過程中，可以使用最大隸屬度法和重心法。
結(jié)束語(yǔ)：
在信息技術(shù)不斷提高的過程中，自動(dòng)化也逐漸成為了生活和生產(chǎn)活動(dòng)中的主流趨勢(shì)，給各行各業(yè)都帶來了深刻的變革以及重要的發(fā)展推動(dòng)力。通過Matlab仿真能夠展現(xiàn)模糊PID運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用效果，為（未完，下一頁(yè)）
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