Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Chen G.R.Fuzzy PID controllers for industrial applications

.pdf
Скачиваний:
32
Добавлен:
23.08.2013
Размер:
3.11 Mб
Скачать

Introduction to Fuzzy PID Controllers

A. Discretization of Convetional PID Controllers

First, digitize the conventional analog PID controllers by

2 z 1

S = T z +1

where T > 0 is the sampling time. For the PI controller:

u(nT) = u(nTT) + T u(nT)

~

~

 

KI

 

u(nT) = KP v(nT) +

 

e(nT)

T

 

 

e(nT)

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

u(nT)

 

 

+

 

 

 

u(nT)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

v(nT)

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K P

 

 

 

 

 

 

u(nTT)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

Figure 8. The digital PI controller

Similarly, for the PD controller:

u(nT) =

~

~

KP d(nT) +

K D v(nT)

where

e(nT ) + e(nT T )

d(nT) =

T

e(nT ) − e(nT T )

v(nT) =

T

1

+T

+

z−1

e(nT)

z−1

+

1

T

d(nT) ~ K P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

u(nT)

 

 

+

 

 

 

 

u(nT)

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(nTT)

v(nT) ~ KD

Figure 9. The digital PD controller

B. Example: Designing the Fuzzy PI Controller

r(nT) e(nT)

 

 

1

 

d(nT)

 

Ki

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

-

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

+ u(nT)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KuPI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fuzzy PI

 

Process

y(nT)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

Controller

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kp

 

 

 

 

 

 

 

 

z-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ev(nT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 10. The Fuzzy PI control system

Fuzzification and Defuzzification fuzzy membership functions

negative

1

 

positive

 

 

 

 

 

0.5

 

-L

0

L

uPI (nT )

Figure 11. Output membership functions

negative

1

 

positive

 

 

 

 

 

0.5

 

-L

0

L

ep, ev

Figure 12. Input membership functions

 

 

K p ev (nT )

 

IC18

IC12

L IC11

IC17

IC13

IC4

IC3

IC10

 

 

 

IC5

IC2

Ki d (nT )

-L

 

 

L

IC14

IC6

IC1

IC9

 

 

 

IC7

IC8

 

 

-L

 

 

IC19

IC15

IC16

IC20

Figure 13. IC regions for the fuzzy PI controller

uPI (nT ) =

L[K i d (nT ) + K p ev

(nT )]

,

2(2 L K i

 

d (nT )

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

L[K i d (nT ) +

 

K p ev (

 

nT )]

,

(

 

ev (nT )

 

)

 

 

 

 

 

2 2L K p

 

 

 

 

 

=

 

1

[

]

,

 

 

 

2

L + K p ev (nT)

 

 

 

 

 

 

=

 

1

[L + K i d (nT )],

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

=

 

1

[

 

 

],

 

 

 

 

2

L + K pev (nT)

 

 

 

 

 

 

=

 

1

[L + K i d (nT )],

2

 

 

 

 

 

=

0,

 

 

 

=

L ,

 

 

 

=

 

L ,

 

 

 

in IC1, IC2, IC5, IC6

in IC3, IC4, IC7, IC8

in IC9, IC10

in IC11, IC12

in IC13, IC14

in IC15, IC16

in IC18, IC20

in IC17

in IC19

Note: Rigorous stability can be guaranteed

Some Successful Examples of Applications

There are many successful examples of fuzzy PID controllers.

1. Robotics

* Six-legged Insect Robot

(Dr. P. Sooraksa, G. R. Chen, and students)

King Mongkut’s Institute of Technology, Bangkok, Thailand

* Multi-purpose Autonomous Robust Carrier for Hospitals (MARCH)

(Dr. P. Sooraska, Prof. S. K. Tso, Dr. B. L. Luk, G. R. Chen, and students)

Centre for Intelligent Design, Automation and Manufacturing City University of Hong Kong

*Uncertain Robot-Arm Control

(next page)

(G. R. Chen and students) University of Houston, Texas, USA

*Uncertain Double-Pendulum Control

(DEMO)

(Prof. Edgar Sanchez, G. R. Chen, and students) CINVESTAV, Mexico

2.Temperature Control

(next page)

(G. R. Chen and students) University of Houston, Texas, USA

Other Application Examples

A.Process Control (temperature, flow rate, injection)

B.Vehicles Control (parking, docking, backing truck-trailers)

C.Electronic Appliances (washer, dryer, camcorder-camera)

D.Life-Support Systems (space shuttle, submarine)

E.… … many more … …

Fig. 8. Block diagram and physical setup for the robot arm experiment.

376

IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL. 5, NO. 3, MAY 1997

Fig. 10. Tracking performance of the fuzzy PID-controlled system (I).

Fig. 11. Tracking performance of the conventional PID-controlled system (II).

Соседние файлы в предмете Электротехника