基于模糊—PID智能化控制系統的應用

任黎明　張鳳營　于紅

摘要：隨著先進控制技術的發(fā)展，模糊控制理論和模糊控制技術成為最廣泛最有前景的應用分支之一。模糊控制器是一種專家型控制系統，它的優(yōu)點是不需要知道被控對象的精確數學模型，而是只利用專家己有的知識和經驗，更重要的是當系統為非線性系統時，模糊控制器還可以產生非線性控制作用。但經過深入研究，發(fā)現常規(guī)模糊控制存在著其控制品質粗糙和精度不高等弊病，因此，可將模糊控制和PID控制兩者結合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活、適應性，又具有PID控制精度高的特點。

關鍵詞：PID控制；模糊控制器；模糊—PID控制器

1PID控制器

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。傳統的PID控制器以其結構簡單、工作穩(wěn)定、適應性好、精度高等優(yōu)點成為過程控制中應用最廣泛最基本的一種控制器。

1.1PID的組成

控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。

1.2PID的特點

雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了。另外，PID參數Kp，Ki和Kd可以根據過程的動態(tài)特性及時整定，如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動態(tài)特性變化，PID參數就可以重新整定。

2模糊控制器

模糊控制器是一種專家型控制系統，它的優(yōu)點是不需要知道被控對象的精確數學模型，而是只利用專家己有的知識和經驗，更重要的是當系統為非線性系統時，模糊控制器還可以產生非線性控制作用。它運用語言知識模型進行控制算法的設計，可用來對不能精確建?；螂y以建模系統進行控制，使生產過程平穩(wěn)、高效、安全地運行。

模糊控制器是模糊控制系統的核心部分，也是和其它控制系統區(qū)別最大的環(huán)節(jié)，它由模糊化、知識庫、模糊推理、解模糊化四個基本部分組成。

模糊控制器通常由計算機（或單片機）實現，計算機通過傳感器經過采樣和A/D轉換獲得被控量的精確值，然后將定量與設定值比較得到偏差信號，一般選偏差信號與偏差變化率作為模糊控制器的輸入量，由模糊控制器的輸入接口將該精確量轉化為相應的模糊量，偏差的模糊量可用相應的模糊語言子集E來表示，偏差變化率的模糊量可用相應的模糊語言子集來表示。根據推理合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量，將模糊控制量轉化為精確量，由模糊控制器的輸出接口作去模糊化處理，得到精確的數字控制量后再經過D/A轉換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機構，對被控對象進行控制。

3模糊控制和PID控制結合

從模糊控制技術應用于控制領域開始，就有許多模糊和PID相結合的控制器相繼出現。模糊控制與經典控制理論有機地結合起來，可構造一類新型的控制系統，即模糊-PID復合控制系統。因此在模糊—PID復合控制系統中模糊控制并不是代替常規(guī)PID控制，而是對常規(guī)PID控制的拓展。常規(guī)PID控制器與模糊控制器的結合有兩種結構形式：串聯結構和并聯結構。

3.1串聯結構模糊—PID控制器

當系統的偏差信號大于某一設定值時，在控制過程中，開關接通，模糊控制器發(fā)揮控制作用，PID控制器的輸入信號，即，對PID控制器產生較強的控制信號，系統的動態(tài)響應較快；而當偏差信號小于某一設定值時，模糊控制器通過開關斷開，模糊控制器不發(fā)揮控制作用，這時，只有偏差信號進入PID控制器，由于此時系統的輸出和給定值己經很接近，所以能很快地趨于給定值，消除穩(wěn)態(tài)誤差。這種結構的模糊控制器產生階梯狀的非線性控制信號作用于PID控制器，依靠調節(jié)PID輸入信號的突然變化來提高動態(tài)響應速度，往往易造成PID控制作用的誤調節(jié)。

3.2并聯結構模糊—PID控制器

并聯結構如圖所示。它是將模糊控制器和PID控制器并聯起來對系統進行控制，即有模糊和PID兩種模態(tài)，其中模糊控制器采用常規(guī)模糊控制器，輸入變量為偏差和偏差變化率，輸出為，模糊控制規(guī)則采用形式，推理合成采用算法，去模糊化則采用系數加權平均法。這種模糊控制器本質上是PD型控制器，由于缺乏積分環(huán)節(jié)，系統有穩(wěn)態(tài)誤差，為此在偏差大于或等于某一設定值時，控制器切換為模糊控制器；當偏差小于某一設定值時，控制器切換至常規(guī)PID控制器，從而使得這種雙?？刂破骶哂许憫欤€(wěn)態(tài)精度高的特點，應用性好。

由上述可知，在智能控制系統運行過程中，當進行生產和加工時，由于偏差和它的變化率均較大，因此起主要作用的是模糊控制器；只有當對產品進行精加工時，由于工件的偏差和它的變化率均很小，常規(guī)PID控制器起主要作用。模糊—PID控制器在生產和加工階段保留了模糊控制器的快速性和穩(wěn)定性的優(yōu)點，同時在精加工階段保留了常規(guī)PID控制器具有高精度的特性。由此，實現了從一種控制方式到另一種控制方式的平穩(wěn)過渡，避免了一般控制器按某一設定值進行切換的弱點。又由于模糊—PID控制器算法簡單、高效控制效果較好，各種動態(tài)性能指標參數能進行自行調整，可使智能控制系統達到更理想的控制效果。

參考文獻：

［1］黃友銳，曲立國主編.PID控制器參數整定與實現［M］.北京：科學出版社，2003.

［2］劉曙光，魏俊民，竺志超編著.模糊控制技術［M］.北京：中國紡織出版社，2001：30-60.

［3］湯兵勇，路林吉編著.模糊控制理論與應用技術［M］.北京：清華大學出版社，2002：71-90.

［4］劉金琨主編.先進PID控制MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.