一种应用于分布参数系统的三域模糊PID控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种应用于分布参数系统的三域模糊ＰＩＤ控制方法，其特征在于，误差ｅ（ｚ，ｔ）及误差的导数＊（ｚ，ｔ）分别经输入增益Ｋ↓［ｅ］（ｚ）和Ｋ↓［ｄ］（ｚ）后得到的量化值Ｅ（ｚ，ｔ）和Ｒ（ｚ，ｔ）作为三域模糊逻辑控制器的输入，经三域模糊逻辑控制器的三域模糊化、三域模糊推理和三域解模糊化后，得到三域模糊逻辑控制器的精确输出ｕ（ｚ，ｔ）经比例－积分后得到三域模糊ＰＩＤ控制器的输出Ｕ↓［ＰＩＤ］（ｚ，ｔ），最后经空间降维后，得到最终只随时间ｔ变化的控制量Ｕ（ｔ）给被控对象。该控制方法不仅考虑了空间信息，而且不依赖于被控对象的数学模型、鲁棒性好、结构简单、应用方便，应用效果好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业过程控制领域，涉及一种应用于分布参数系统的三域模糊PID控 制方法。
技术介绍
分布参数系统，也称时空耦合系统，其明显的特征是系统的状态、输出、参数及 控制不仅随时间f变化，而且还随空间z变化。分布参数系统通常采用非线性偏微分方 程表示。分布参数系统广泛应用于热工、化工、半导体制造、航天、航空等工程系统， 例如电磁场、引力场、温度场等物理场，弹性梁的运动体型，大型加热炉，水轮机和汽轮机，化学反应器中的物质分布状态，长导线中的电压和电流等控制对象。因此，对于 分布参数系统的控制是一个非常重要的问题。针对分布参数系统，传统的控制方法有两种 一种是集中参数控制系统，另一种 为分布参数控制系统。集中参数控制系统仅考虑系统的状态随时间变化，不考虑空间 信息，造成系统的空间信息丢失，使得控制性能变差，进而引起产品质量变差。而传 统的分布参数控制系统比较复杂，需要更多的空间信息、精确的数学模型及复杂的控 制理论，然而实际系统存在参数不确定性、复杂非线性等情况，很难建立精确的数学 模型，即使获得也很难进行有效的控制。近年来发展的智能控制，有传统的模糊控制和三维模糊逻辑控制。传统的模糊控 制由于只包含时间信息，不考虑空间信息，在本质上不具备控制分布参数系统的能力。 虽然目前的三维模糊逻辑控制是针对分布参数系统的，但目前还是处于理论研究的初 级阶段，距离实际工业应用还有一定距离。因此，针对工业中的分布参数系统，建立一个方法简便、控制性能优越、鲁棒性 好的控制系统，能弥补现有控制器和控制方法的不足，提高对于分布参数系统地控制4性能，并有着广阔的工业应用前景。
技术实现思路
为了克服传统控制器和控制方法在分布参数系统控制中的不足，并提高对于分布 参数系统的控制性能，本专利技术提供了一种应用于分布参数系统的三域模糊PID控制方 法，该控制方法不仅考虑了空间信息，而且不依赖于被控对象的数学模型、鲁棒性好、 结构简单、应用方便，应用效果好。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为一种应用于分布参数系统的三域模糊PID控制方法，其特征在于，误差e(z，t)及误 差的导数纟(z，/)分别经输入增益K 和Kd (z)后得到量化值E(z,t)和R(z，t) ， E(z，t)和R(z，t)作为三域模糊逻辑控制器的输入，E(z,t)和R(z,t)经三域模糊逻辑控制器的三域 模糊化、三域模糊推理和三域解模糊化后，得到三域模糊逻辑控制器的输出u(z，t); u(z，t)经比例-积分后得到输出f/^(z，t);输出t/wD(z，t)再经空间降维后，得到最终只随 时间f变化的控制量t/(0给被控对象；所述的误差e(z，t)、误差的导数《z力、三域模糊 逻辑控制器均包含有空间参数z。所述的三域模糊逻辑控制器的输入变量E(z，t)和R(z，t)的语言变量都选择7个，艮P:负大NL、负中NM、负小NS、零ZR、正小PS、正中PM和正大PL;输出变量w(z，t)的语言变量选择13个，即负额外-特大NXXL、负额外大NXL、负大NL、负中NM、 负小NS、负额外小NXS、零ZR、正额外小PXS、正小PS、正中PM、正大PL、正 额外大PXL和正额外-特大PXXL。输入变量Efet)和Rfet)的隶属度函数都选择空间三棱柱隶属度函数，隶属度函数 之间的距离为」，则其模糊论域为;输出变量"(z，t)的隶属度函数选择空间模 糊单点集，宽度为5，其模糊论域为[-6B，65所述的空间降维方法为假设在空间[a, M内的点^，^，…，^处依次布置n个测量传感器，则只与时间/有关的控制量t/(/)的表达式为式中Az,为离散区间，且z,〉a， z <〃， z +1-/ ， Az,=zw-z,; / = 1,2,..-，"三域模糊PID控制器采用的变量为三域模糊变量，即在传统模糊变量基础上加入空间信息。所以，三域模糊变量有三个坐标变量x (E(z，t)/R(z,t)/u(z，t))、空间域z (三域模糊PID的其中一域为空间域z，不限定为一维的，可以是多维的。只是二维及以上空间不能用图直观的描述，所以图中以一维为例子进行描述。)和隶属度函数Mx，z)，如图1所示。本专利技术的三域模糊PID控制器结构原理如图2所示。误差e(z，t)及误差的导数《z，/)分别经输入增益K。(z)和Kd("后得到其量化值E(z，t)和R(z，t)。三域模糊逻辑控制器的输入为E(z，t)和R(z，t),经三域模糊化、三域模糊推理和三域解模糊化后，得到三域模糊逻辑控制器的输出u(z，t)。 u(z，t)分别经积分项及输出增益《。(力和输出增益《(力后(即比例-积分)，得到三域模糊PID控制器的输出f/^(z，t)。再经空间降维后，得到最终只随时间f变化的控制量C/(0。具体步骤如下-1)三域模糊PID控制器结构的确定A、三域模糊逻辑控制器的结构三域模糊逻辑控制器采用两输入单输出结构，输入变量为误差e(z，t)及误差的导数6(z，t)的量化值E(z,t)和R(z，t)，输出为控制量"(z,t)。其中e(z,t)-r(z,t)-y(z,t)E(z,t)-Ke(z)e(z,t)R(z，t) = Kd(z)《z，t)式中r(z，t)为系统输入；y(z，t)为系统输出；K。(》和Kd(z)为输入增益。B、三域模糊PID控制器的结构获得三域模糊逻辑控制器的输出"(z,t)后，"(z,t)分别经积分项及输出增益A(z)和输出增益&(z),得到三域模糊PID控制器的输出C/^(z，t)。其中f/柳(z， t) = K。(z) p(z， t)cfr +《(z)m(z， t)式中K。(z)、《(z)为输出增益。2)三域模糊逻辑控制器的输出"(z，t)A、三域模糊化输入E(z,t)和R(z，t)的语言变量都选择7个，B卩负大(NL)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZR)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PL)。 w(z，t)的语言变量选择13个，即*.负额外-特大(NXXL)、负额外大(NXL)、负大(NL)、负中(NM)、负小(NS)、负额外小(NXS)、零(ZR)、正额外小(PXS)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)、正额外大(PXL)和正额外-特大(PXXL)。输入E(z^)和R(z,t)的隶属度函数都选择空间三棱柱，隶属度函数之间的距离为^(如图3),则其模糊论域为。输出"(z，t)的隶属度函数选择空间模糊单点集，宽度为万(如图4、则其模糊论域为[-6B，65。对于一语言变量Z，如图3所示，空间域z的取值范围为式中《、 -分别为空间取值范围的上限和下限。7我们假定语言变量丄的(除i^和户丄外)左端点、顶点及右端点的值分别JC,，A，:v其具体值如表1所示。表l语言变量与端点值<table>table see original document page 8</column></row><table>则输入E(Z,O对于语言变量￡的隶属度为://￡C￡(z，/)，z)=-爿恥力爿例如对于正小(PS),即Z^尸S，其左端点、即《=();X2=』；JC3 = 2爿，所以输入E(z，f)对于正小(PS)的隶属度为<formula&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于分布参数系统的三域模糊ＰＩＤ控制方法，其特征在于，误差ｅ（ｚ，ｔ）及误差的导数＊（ｚ，ｔ）分别经输入增益Ｋ↓［ｅ］（ｚ）和Ｋ↓［ｄ］（ｚ）后得到量化值Ｅ（ｚ，ｔ）和Ｒ（ｚ，ｔ），Ｅ（ｚ，ｔ）和Ｒ（ｚ，ｔ）作为三域模糊逻辑控制器的输入，Ｅ（ｚ，ｔ）和Ｒ（ｚ，ｔ）经三域模糊逻辑控制器的三域模糊化、三域模糊推理和三域解模糊化后，得到三域模糊逻辑控制器的输出ｕ（ｚ，ｔ）；ｕ（ｚ，ｔ）经比例－积分后得到输出Ｕ↓［ＰＩＤ］（ｚ，ｔ）；输出Ｕ↓［ＰＩＤ］（ｚ，ｔ）再经空间降维后，得到最终只随时间ｔ变化的控制量Ｕ（ｔ）给被控对象；所述的误差ｅ（ｚ，ｔ）、误差的导数＊（ｚ，ｔ）、三域模糊逻辑控制器均包含有空间参数ｚ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李涵雄，段小刚，唐彪，沈平，
申请(专利权)人：中南大学，香港城市大学，
类型：发明
国别省市：43[]