Simulink的加热炉温度控仿真比较与分析

题目：设加热炉传递函数为Gs=0.660s+1?-6s,即该对象K=0.6，T=60, τ=6，设计常规PID控制器、模糊控制器和PID控制器进行仿真，比较仿真结果并进行分析：

1. 常规PID控制器：

常规PID控制器是建立在数学模型基础上的，根据被控对象的静态和动态特性，按照偏差的比例(P-Proportional)、积分(I-Integral)和微分(D-Derivative)的线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

常规PID控制器的模型为

图3 常规PID控制的模型

参数选择：

参数分别选择为：kp=2.22

结果分析：

      常规PID控制的上升时间为52秒，超调量12.1%，调节时间160秒。由于对象选择的是比较简单，PID控制法所选用的各个环节的参数比较容易调得，波形相对稳定，但是波形峰值相对较大，超调量较大，调节时间较长。

常规PID控制器无自适应能力，不能根据现场的情况进行在线自整定参数且当参数变化范围太大时，系统性能会明显变差。另外，常规PID控制器一般只适用于线性时不变空间，在非线性时变且滞后较大的系统中，其鲁棒性不强，控制效果不理想。

1. 模糊PID控制器

模糊PID控制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化，以达到较为理想的控制效果。计算机根据所设定的输入和反馈信 ，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化de，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。

模糊PID控制器的模型为

图1 模糊PID控制器的模型

系统输出为图中的红色线：

图2 模糊PID控制器的仿真结果

模糊PID控制的上升时间为50秒，超调量0.1%，调节时间100秒。

1. 两种模型的控制效果比较：

两种控制器控制效果对比的模型为

图1 两种控制器对比模型

系统输出波形：

性能对比结果：

常规PID控制器的算法简单实用，且具有良好的控制效果和鲁棒性。但常规PID控制器无自适应能力，不能根据现场的情况进行在线自整定参数且当参数变化范围太大时，系统性能会明显变差。另外，常规PID控制器一般只适用于线性时不变空间，在非线性时变且滞后较大的系统中，其鲁棒性不强，控制效果不理想。

模糊控制能较好的控制系统的输出，减小超调，调节时间等参数，使得系统能够更快，更稳，更准。模糊控制的突出优点是能够比较容易地将人的控制经验融入到控制器中，但若缺乏这样的控制经验，很难设计出高水平的模糊控制器。而且，由于模糊控制器采用了IF-THEN控制规则，不便于控制参数的学习和调整，使得构造具有自适应的模糊控制器较困难。

相比而言，模糊PID控制器具有控制灵活、鲁棒性好且适应性强的优点。其控制算法相对简单，执行快，适用于复杂的系统，且不依赖被控对象的数学模型。根据图中的结果对比可以发现，用了模糊PID控制之后可以明显看出超调量小，调节时间变短。此外，模糊PID控制器的结构简单，系统的软硬件实现都比较方便。基本的模糊控制器在实际运行时，只需进行简单的查表运算，其它的过程都可以离线进行。

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