模糊_PID控制的MATLAB仿真分析

图 ４ ＰＩＤ 和模糊 ＰＩＤ 响应曲线
参考资料 ［１］舒进．电液比例控制多轮独立转向技术研究：［博士学位论 文］． 北京：北京理工大学，２００４ ［２］陈丽兰．模糊 ＰＩＤ 控制器的控制策略研究．煤矿自动化， ２００１．２ ：１ ３ － １ ４ ［３］周恩涛，廖生行，牟丹．电液比例阀控系统模糊 －ＰＩＤ 控 制的研究．机床与液压，２００３．１６ ：２２５－２２７ ［４］张颖超，郭姝梅． ＭＡＴＬＡＢ 及其在模糊控制系统仿真 中的应用． 系统仿真学报，２ ０ ０ １ ． １ １ ：３ １ ９ － ３ ２ ０ ，３ ２ ６ ［５］储岳中，陶永华． 基于 ＭＡＴＬＡＢ 的自适应模糊 ＰＩＤ 控 制系统计算机仿真． 安徽工业大学学报，２ ０ ０ １ ． １ ：４ ９ － ５ ２ ［６］朱摩西 ．模糊 ＰＩＤ 控制器，工业控制计算机，１９９６．３： １９－２０
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科技资讯 Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＆ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ
１．模糊ＰＩＤ控制器的设计 模糊控制器的原理框图如图 １ 所示：
从图 １ 可以看出，模糊推理过程为双输入三输出系统。两个 输入分别为系统误差 Ｅ 以及误差的变化率 ＥＣ，而输出则为 ＰＩＤ 调节器的三个控制参数 Ｋｐ、ＫＩ 和 ＫＤ。 模糊逻辑控制器的工作过程可以描述为：首先将模糊控制器
的输入量转化为模糊量供模糊逻辑决策系统用，模糊逻辑决策器 根据控制规则决定的模糊关系Ｒ，应用模糊逻辑推理算法得出控 制器的模糊输出控制量。最后经精确化计算得到精确的控制值去 控制被控制对象。描述输入变量 Ｅ 和 ＥＣ 以及输出变量 Ｋｐ、ＫＩ 和 ＫＤ 的语言集的模糊子集及其论域定义如下：
Ｐ Ｉ Ｄ 控制是经典控制中用于过程控制最有效的策略之一， 由于其原理简单、技术成熟，在工业控制中得到了广泛的应 用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型，只需 在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数，经过经验进行 调节器参数在线整定，即可取得满意的结果，具有很大的适应 性和灵活性。ＰＩＤ 控制中的中积分作用可以减少稳态误差， 微 分作用可以提高响应速度。但另一方面积分作用容易导致积分 饱和， 使系统超调量增大，微分作用对高频干扰特别敏感， 甚至 导致系统失稳。ＰＩＤ 控制本质上属于线性控制，因此对于具有 很强非线性的对象来说，控制效果具有先天的不足。对于这种 情况，就应该采用具有非线性特性的控制方法，以适应整个系 统的特点。模糊控制是近代提出的一种控制方法，其本质上是 非线性的，并且具有一定的智能性。因此，如果将二者有机的结 合起来，就可以使 ＰＩＤ 控制具有了模糊控制的智能和非线性特 点，同时使模糊控制有了ＰＩＤ 控制的确定结构，发挥其二者的长 处，得到令人满意的控制效果。本文从这一观点出发，力图设计 一种模糊— ＰＩＤ 控制器，来实现对原有 ＰＩＤ 控制性能方面的提 高。在设计了控制器之后，利用 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 进行了仿真， 并对模糊 －ＰＩＤ 和原 ＰＩＤ 系统进行了对比分析。
Ｅ 、Ｅ Ｃ 和 Ｋ Ｐ 的模糊子集为： ｛ Ｎ Ｂ （负大），Ｎ Ｍ （负中），Ｎ Ｓ （负小），Ｚ Ｏ （零）， Ｐ Ｓ （ 正 小 ）， Ｐ Ｍ （ 正 中 ）， Ｐ Ｂ （ 正 大 ）｝ ； Ｋ Ｉ 和 Ｋ Ｄ 只取正值，其模糊子集为： ｛ Ｚ Ｏ ，Ｐ Ｓ ，Ｐ Ｍ ，Ｐ Ｂ ｝； 利用这些模糊语言变量，根据经验和实际情况得到输入量 和输出量的隶属函数及其分布如图 ２ 所示。
１．３ 偏差变化 ＥＣ 的大小表明偏差变化的速率，ＥＣ 越大，ＫＰ 取值越小，ＫＩ 取值越大，反之亦然。
１．４ 微分作用类似于人的预见性，它阻止偏差的变化，有 助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的动 作速度，减小调整时间，改善系统的动态性能。因此，在 Ｅ 较大时，Ｋ Ｄ 取零，实际为 Ｐ Ｉ 控制；在 Ｅ 较小时，Ｋ Ｄ 取一 正直，实行 Ｐ Ｉ Ｄ 控制。
２ 、施工过程质量监控 ２．１ 测量放线与护筒埋设 ２．１．１ 测量放线 测量放线关系到孔位的准确性，钻孔的垂直度以及控制基 准面标高准确与否的关键环节。具体操作中，要采取施工单位 自检及监理人员复核相结合的措施，严格控制其偏差在设计或 规范允许的范围内。在测量放线中应选用高精度的经纬仪及激 光测距仪采用极坐标定位法，充分发挥经纬仪对角度和激光测 距仪对距离控制上的优势。 ２．１．２ 护筒埋设
为了正确的控制输出量，在本文中为 Ｋｐ、ＫＩ 和 ＫＤ，根据 这三个参数对系统的影响情况，结合经验及对系统响应过程的掌 握，采用理论分析加实验“试凑”得到模糊 ＰＩＤ 控制规则，总结 归纳如下：
１．１ 在偏差较大时，为尽快消除偏差，提高响应速度，ＫＰ 取大值，Ｋ Ｉ 取零；在偏差较小时，为继续消除偏差，并防止 超调过大，产生振荡，Ｋ Ｐ 值要减小，Ｋ Ｉ 取小值；在偏差很 小时，为消除静差，克服大超调，使系统尽快稳定，Ｋ Ｐ 值 继续减小，ＫＩ 值不变或稍取大一点。
浅议钻孔灌注桩施工的质量监测
向新生 （广东省工程勘察院 ５１０５１０）
中图分类号： ＴＵ１９ 文献标识码：Ａ
１、 概述 随着国家基本建设投入的增大以及高层建筑的发展，钻孔 灌注桩现在被广泛地应用于高层建筑、公路桥梁等工程的基础 工程。钻孔灌注桩属于隐蔽工程，由于影响灌注桩的施工质量 的因素很多，对其施工过程每一个环节监理都必须要严格要 求，确保其达到设计及规范要求。
护筒埋设应准确、稳定。护筒中心与桩位中心的偏差不得 大于 ５ ０ ｍ ｍ 。护筒一般用 ４ ～８ｍｍ 钢板制作，其内径应大于钻 头直径 １ ０ ０ ｍ ｍ。其上部宜开设 １ ～２ 个溢浆孔。护筒的埋设深 度在粘性土中不小于 １．０ｍ；砂土中不宜小于 １．５ｍ；其高度尚 应满足孔内泥浆面高度的要求。受水位涨落影响或水下施工的 钻孔灌注桩，护筒应加高加深，必要时应打入不透水层。
根据以上的分析，可得各模糊规则如表 １ 。 表１ 模糊规则表
由表１的模糊参数表即可对ＰＩＤ控制的三个参数进行在线调 节，以实现最佳的控制效果。模糊控制的输出得到的仍旧是一个
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科技资讯 ２００６ ＮＯ．３ ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮ ＥＣ 同号时，被控量是朝着偏离给定值的方向变 化，而当 Ｅ 和 ＥＣ 异号时，被控量朝着接近给定值的方向变化。 因此，当被控量接近给定值时，反号的比例作用阻碍几分作 用，避免积分超调及随之带来的振荡，有利于控制；而当被 控量远未接近给定值并向给定值变化时，则由于这两项反向， 将会减慢控制过程。在偏差 Ｅ 较大，偏差变化 ＥＣ 与偏差 Ｅ 异 号时，Ｋ Ｐ 值取零或负值，以加快控制的动态过程。
２．２成孔与清孔质量控制 ２．２．１ 孔的垂直度控制 在准确放样后进行护筒埋设，在护筒上口作好桩中心标记 以便钻机对中。钻机对中过程中，应注意钻机底座的水平问 题。底座本身即与水平面不平行，致使钻杆夹具无法保持水 平，引起钻杆的不垂直，从而影响灌注桩的垂直性，尽管此 时钻头中心与护筒所标设的桩中心重合，而实际桩位已偏斜。 因此在对位及钻孔过程中，均应观测调整钻机的水平和垂直 度。在施工过程中，监理应随时注意观察钻杆的垂直度情况。 ２．２．２ 入岩和终孔 入岩和终孔是影响钻孔灌注桩承载力的重要因素。实际操
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（ａ）ＰＩＤ 控制对阶越输入的响应特性曲线（ｂ）模糊 －ＰＩＤ 控制对节约输入的响应特性曲线
３．结论 模糊 －ＰＩＤ 控制器以数字 ＰＩＤ 控制器为基础，引入模糊控 制方法，实现了对 ＰＩＤ 控制中三个参数的在线调整，以根据系 统偏差 Ｅ 和偏差的变化率 Ｅ Ｃ 来改变 Ｋ Ｐ 、Ｋ Ｉ 和 Ｋ Ｄ ，提高对 系统的控制精度和反应速度。模糊 －ＰＩＤ 控制相对于数字 ＰＩＤ 控 制有以下的优点： ３．１ＫＰ、ＫＩ 和 ＫＤ 三个参数根据系统偏差 Ｅ 和偏差的变化 率 Ｅ Ｃ 动态变化，更符合控制当中的规律和特性； ３．２ 控制精度高，反应时间短，说明模糊 － Ｐ Ｉ Ｄ 的控制指 标优于数字 ＰＩＤ。 综上所述，模糊 － Ｐ Ｉ Ｄ 是一种优良的控制方法，在性能上 比数字 ＰＩＤ 控制器有了提高，但在控制实现的过程当中，也要 综合考虑其它因素的影响，以最大可能的提高控制的性能，即 降低控制系统中的反应时间和减小超调量。
模糊子集，它是反映控制语言的不同取值的一种组合，因此需 要进行反模糊化。应用模糊判决， 即按加权平均法或最大隶属 度函数法或中位方法等原则， 求出相应的控制量。在本文中采 用的是最大隶属度函数法，即取所有规则推理结果的模糊稽核 中隶属度最大的哪个元素作为输出值，即
２．仿真试验 采用阶越输入作为激励和最终输出的目标值，通过 ＰＩＤ 控 制器和模糊－ＰＩＤ控制器对相同输入的响应特性曲线来进行二者 之间的比较。通过运行在 Ｍａｔｌａｂ 中建立的模型，可以得到如 图 ４ 的响应特性曲线。图中（ａ ）为 Ｐ Ｉ Ｄ 控制对阶越输入的响 应特性曲线，（ｂ）为模糊 － Ｐ Ｉ Ｄ 控制对节约输入的响应特性曲 线。从图中可以看出，相对于 Ｐ Ｉ Ｄ 控制来说，模糊 － Ｐ Ｉ Ｄ 控 制有着更快的反应速度，并且没有超调。这表明对于电液比例 控制系统，采用模糊 －ＰＩＤ 控制可以取得更好的性能，基本实 现对电液比例控制系统的快速、准确控制。
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模糊 － Ｐ Ｉ Ｄ 控制的 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 仿真分析
宋子巍 陈思忠 杨林 （北京理工大学 北京 １０００８１）
摘 要：本文针对实际应用 ＰＩＤ控制时所发现的问题，提出了尝试使用模糊－ＰＩＤ 控制的思路，并采用Ｍａｔｌａｂ进行了仿真计算和分析。 经过和原数字 ＰＩＤ 控制性能的对比，得到了模糊 －ＰＩＤ 的控制效果优于数字 ＰＩＤ 的结论，并提出了一些可能出现的消极因素。 关键词：模糊－ＰＩＤ Ｍａｔｌａｂ 仿真分析 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ