分析模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計及應(yīng)用

摘 要：基于目前模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計應(yīng)用過程中存在的問題影響，文章分析了模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀與優(yōu)化設(shè)計過程，并提出了設(shè)計技術(shù)作用于系統(tǒng)仿真方式方法，其目的是為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：模糊模型；PID控制器；MATLAB/Simulink環(huán)境；系統(tǒng)仿真分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.007

0 引言

隨著我國市場經(jīng)濟發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)建設(shè)用戶對PID控制器的應(yīng)用效果需求越來越大。然而，傳統(tǒng)的PID控制方式，已經(jīng)不能滿足參數(shù)整定要求。針對這一問題，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)從PID控制器設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，以優(yōu)化模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計過程，從而作用于實際環(huán)境下系統(tǒng)的仿真分析。這是促進(jìn)現(xiàn)代化經(jīng)濟建設(shè)背景下工業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將其重視起來。

1 模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀

PID控制已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)建設(shè)中，然而，傳統(tǒng)的PID控制要想保證良好過程模型與在線尋找，比較困難，即使是插入測試信號，也會存在一定程度的干擾問題。這種情況下，PID參數(shù)自整定在工業(yè)發(fā)展中就難以發(fā)揮出持續(xù)的自適應(yīng)控制作用。此外，PID控制器也不能區(qū)分干擾或是過程動態(tài)特性帶來的影響。由此可見，雖然PID控制的應(yīng)用范圍廣，但因其自身限制，使得難以滿足當(dāng)前工業(yè)快速發(fā)展背景下的用戶需求。在模糊控制方面，目前，其仍處在人工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，這就使得對其得定義只能從廣義角度出發(fā)。即是以模糊理論、模糊語言以及推理作為基礎(chǔ)控制方法的。經(jīng)實踐證實，其最大優(yōu)勢主要體現(xiàn)在適應(yīng)性好，但其對輸入量的處理是離散狀態(tài)的。這就意味著其無法進(jìn)行積分或是消除誤差操作[1]。為此，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)成果充分利用起來，以滿足用戶對模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計應(yīng)用需求。

2 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)設(shè)計過程

首先，設(shè)計人員要明確模糊PID控制系統(tǒng)應(yīng)用的性能要求。即在目前控制系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模不斷擴大的情況下，PID控制器較強的自適應(yīng)性存在難以實現(xiàn)參數(shù)整體問題。例如，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化，其控制能也會隨之出現(xiàn)較大的變化，從而導(dǎo)致控制特性出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重的甚至?xí)档拖到y(tǒng)作用的穩(wěn)定性。而自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計，是對其變化進(jìn)行在線校正的有效研究，其需結(jié)合傳統(tǒng)的控制理論，形成自適應(yīng)模糊PID控制器，從而實現(xiàn)控制器參數(shù)自動整定的設(shè)計目標(biāo)[2]。

其次，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制系系統(tǒng)是由模糊控制與參數(shù)可調(diào)PID系統(tǒng)共同組成。具體結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

其次，PID控制器算法應(yīng)用，主要根據(jù)如下公式進(jìn)行計算。其中u（t）為，控制器的輸出量，e（t）誤差信號，ec（t）為誤差變化率，而Ki、Kp、Kd分別為，積分系數(shù)、比例系數(shù)以及微分?jǐn)?shù)。

最后，對于PID參數(shù)的自整定規(guī)則，則應(yīng)采用最為精確的數(shù)學(xué)模型以及按照人工控制規(guī)則來建立控制決策表。這樣一來，就能根據(jù)決策表來設(shè)置控制量的大小。此外，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生誤差時，控制器就會立即發(fā)揮出相應(yīng)的控制作用[3]。

3 模糊自適應(yīng)PID控制器系統(tǒng)仿真分析實例

模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計人員，對MATLAB/Simulink環(huán)境條件下，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真分析。首先，設(shè)計人員應(yīng)確定模糊控制器類型與結(jié)構(gòu)。具體來說，就是利用運行Fuzzy 函數(shù)，分別取max和min的方法，確定選用Mamdani型的控制器。其中仿真合成方法為max，仿真推理方法為min，而去模式化，則是應(yīng)用重心平均法。即通過選擇Addinput與Ad-doutput選項，來確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，即：三輸出、兩輸入。為建立起FIS系統(tǒng)文件，設(shè)計人員除了好確定好輸出與輸入的變量名，還要將文件保存為 PID.fis格式。其次，編輯出隸屬函數(shù)和對應(yīng)模糊控制的規(guī)則。具體來說，就是通過輸入“mfedit”或者在FIS編輯器雙擊圖標(biāo)，來激活隸屬度函數(shù)編輯器，從而選擇Add mfs。而后，在以此輸入：e，ec，kp、ki 和 kd，即雙擊模糊控制的規(guī)則圖標(biāo)，打開El，就能將相應(yīng)的控制規(guī)則，輸入到系統(tǒng)中[4]。最后，對系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖2所示，為常規(guī)PID與模糊自適應(yīng)PID相應(yīng)曲線。

由圖中可以看出，與傳統(tǒng)的PID控制相比，模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計應(yīng)用，不僅能夠大幅度減少超調(diào)量，還能具備抗干擾能力、穩(wěn)定性高以及實時性高等功能。因此，工業(yè)建設(shè)發(fā)展研究人員應(yīng)不斷對模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計進(jìn)行了完善，從而滿足日趨多元化的市場環(huán)境需求。

4 結(jié)束語

總體而言，模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計應(yīng)用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)降低超調(diào)量的控制目標(biāo)，還能提高系統(tǒng)作用的穩(wěn)定性、實時性以及抗干擾能力。為此，研究人員應(yīng)在明確模糊PID控制系統(tǒng)應(yīng)用的性能要求、分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及相關(guān)算法的情況下，來滿足工業(yè)發(fā)展對PID控制器的自動化需求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄒云峰，鄒靜波.基于FPGA的溫度模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（05）：121-123.

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[4]許紅，李著信，李媛媛，龔利紅，劉澤山.基于模糊自適應(yīng)PID控制器的差壓式管道檢測機器人速度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2014（09）：1019-1022.

作者簡介：王忠超（1988-），吉林農(nóng)安人，本科，初級職稱，研究方向：模糊PID 。