基于模糊PID控制器的流量控制設(shè)計(jì)

韓斌

【摘 要】由于流量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以建立，并且大多數(shù)流量控制系統(tǒng)存在著非線性問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析和實(shí)踐，可以通過(guò)將常規(guī)的PID控制算法進(jìn)行模糊自整定的方式解決這些問(wèn)題?；诖?，論文首先分析了模糊PID設(shè)計(jì)原理，然后根據(jù)原理確定出PID參數(shù)的模糊化規(guī)則，并根據(jù)該規(guī)則進(jìn)行PID參數(shù)的模糊化及反模糊化，最后設(shè)計(jì)出基于模糊PID控制器的流量控制系統(tǒng)。

【Abstract】 It is difficult to establish mathematical model of the flow control system， and most of the flow control system has nonlinear problem， through analysis and practice， these problem can be solved by using the fuzzy self-tuning method on conventional PID control algorithm. Based on this， paper firstly analyzes the design principle of fuzzy PID， then determines the fuzzy rules of PID parameters according to this principle， and carries out the fuzzification and defuzzification of PID parameters according to the rule， finally ， paper designs a flow control system based on fuzzy PID controller.

【關(guān)鍵詞】非線性；PID控制算法；整定；模糊PID控制器；流量控制

【Keywords】nonlinear； PID control algorithm； setting； fuzzy PID controller； flow control

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP13 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0125-02

1 引言

現(xiàn)在的流量控制系統(tǒng)很多都在使用常規(guī)的PID控制器，這種控制器雖然簡(jiǎn)單，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線自整定，而且，對(duì)于非線性的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，常規(guī)PID控制器根本無(wú)法達(dá)

到要求，因此，流量控制系統(tǒng)應(yīng)該利用模糊PID控制器。通過(guò)對(duì)PID算法中的參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，既可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，又可以降低流量控制系統(tǒng)的延遲，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的較好控制。

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)原理

模糊PID控制器是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上通過(guò)模糊規(guī)則對(duì)PID算法中的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行模糊推理，從而解決了常規(guī)PID不能很好地控制非線性系統(tǒng)以及不能對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行在線整定的問(wèn)題，提高了PID的性能[1]。

2.1 模糊PID的理論計(jì)算與分析

同理，利用以上算法可以對(duì)和進(jìn)行模糊化整定。

2.4 反模糊化

實(shí)現(xiàn)了模糊PID控制器的控制作用，之后就需要對(duì)輸出的模糊子集的隸屬度與精確的調(diào)整值進(jìn)行對(duì)應(yīng)，也就是根據(jù)模糊化規(guī)則進(jìn)行逆向推導(dǎo)，從而計(jì)算出輸出的確定值。下面對(duì)具體的計(jì)算步驟進(jìn)行分析。

首先，需要得到工作過(guò)程中的任意時(shí)刻流量的實(shí)際值與設(shè)定值，計(jì)算出二者的差值e和二者差值的變化率ec，然后通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理從而分別繪制出e和ec的隸屬度函數(shù)曲線，最終由此得到二者的隸屬度；接下來(lái)再根據(jù)模糊規(guī)則表推理出mp、mI、mD對(duì)應(yīng)于模糊化系數(shù)的隸屬度；之后經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，分別得出三者的修正值Δmp、ΔmI、ΔmD，再將其帶入（2）式就可以得到mp、mI、mD的精確調(diào)整值。在模糊PID控制器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可以分別求出模糊化的數(shù)值對(duì)應(yīng)的精確值，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)做成模糊控制表，這樣，控制系統(tǒng)就可以參照模糊控制表實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定。[2]

3 基于模糊PID控制器流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

流量控制器是為了使實(shí)際的流量穩(wěn)定在設(shè)定流量值的附近，且流量的上下波動(dòng)保持在一定范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，需要在流量控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置流量采集單元，通過(guò)流量采集單元采集到實(shí)際的流量，模糊PID控制器在工作的過(guò)程中根據(jù)實(shí)際的流量與控制器中設(shè)置的流量的差值e和差值變化率ec，在相應(yīng)軟件中在線計(jì)算并整定比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)，從而降低流量控制器的延遲，縮短系統(tǒng)相應(yīng)的滯后時(shí)間，提高系統(tǒng)的精確度[3]。其具體的控制過(guò)程如下所述。

在對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)之前，當(dāng)流量值較大時(shí)，此時(shí)應(yīng)該加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，與此同時(shí)要避免調(diào)節(jié)過(guò)度并消除穩(wěn)態(tài)誤差，所以，此時(shí)的mp應(yīng)該較大，mD應(yīng)該偏小，mI應(yīng)該很小。

流量調(diào)節(jié)中，當(dāng)實(shí)際流量與設(shè)置的流量之間的差值e處于中等大小時(shí)，系統(tǒng)已接近設(shè)定值，這時(shí)的比例系數(shù)mp應(yīng)該取值很??；而系統(tǒng)最容易出現(xiàn)的問(wèn)題就是過(guò)度調(diào)節(jié)，因此，mD和mI的取值要適中。

在流量調(diào)節(jié)后期，當(dāng)實(shí)際流量與設(shè)置的流量之間的差值較小時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有較好的動(dòng)態(tài)特征，以避免系統(tǒng)大幅度振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，這時(shí)，mp與mI都應(yīng)該取值大些，而mD需要保持中等大小。

基于以上的設(shè)計(jì)分析，可以將此過(guò)程減縮為直觀的原理圖（在此不做設(shè)計(jì)），參照原理圖并綜合其他方面的技術(shù)就能將模糊PID控制器應(yīng)用于流量控制系統(tǒng)中。

4 結(jié)果討論

根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用模糊自整定PID控制算法的流量控制系統(tǒng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的調(diào)節(jié)，具有較好的控制效果。與高精度流量計(jì)相比，基于模糊PID控制器的流量控制系統(tǒng)滿足精度的要求，流量變化趨勢(shì)與高精度流量計(jì)相接近。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用模糊PID控制算法對(duì)流量進(jìn)行控制能夠解決流量控制系統(tǒng)普遍存在的非線性問(wèn)題，而且使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了控制系統(tǒng)的性能。模糊PID控制原理是在常規(guī)PID控制原理基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，在今后的實(shí)踐中，相關(guān)技術(shù)人員要不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以總結(jié)，力圖使PID控制器趨于完善。模糊PID控制器應(yīng)該在流量控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，最大程度發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)性能。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王俊士.基于模糊PID控制的網(wǎng)絡(luò)異常流量監(jiān)控設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2016，32（5）：142-146.

【2】陳明新，唐鈴鳳，胡建.基于模糊PID控制的泵流量控制系統(tǒng)研究[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，31（4）：36-40.

【3】廉振芳，蘇挺.基于模糊PID的鋼鐵表面滲氮流量控制研究[J].熱加工工藝，2013，42（10）：163-165.