基于PID的人工智能算法研究

摘要：本文簡要的介紹了PID，分析了常規(guī)PID控制算法，然后分析了常規(guī)PID控制與人工智能控制相結(jié)合所形成的人工智能PID控制算法的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：PID；人工智能；算法

隨著智能控制技術(shù)的高度發(fā)展，先進的算法也不斷推出，但是技術(shù)發(fā)展對被控制對象的需求也越來越復雜，傳統(tǒng)的算法在很多方面不能適應(yīng)技術(shù)參數(shù)的變化需求。人工智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，為被控制對象提供了新的理論支撐，以及提高抗干擾性能，先進的人工智能算法可以對參數(shù)進行自動適應(yīng)調(diào)整，使控制系統(tǒng)獲得較為準確的數(shù)學模型，同時也可以改善傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能。因此，開發(fā)人工智能控制新算法，并使之與傳統(tǒng)算法相兼容對于智能控制發(fā)展具有重要的意義。

1 PID概述

工程控制和數(shù)學物理 PID（比例積分微分）英文全稱為Proportion Integration Differentiation，PID是比例、積分、微分控制的簡稱。[1]PID由8位端口優(yōu)先級標識符加端口號組成，端口號占低位，默認端口號優(yōu)先級128。[1]

PID實現(xiàn)控制的關(guān)鍵問題是控制器的參數(shù)整定。PID的先進之處是按一定算法進行操作，并將這些算法通過輸入/輸出算法的變換和物理方式實現(xiàn)智能控制。[2]PID控制器參數(shù)的整定是根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實驗的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。 PID控制器參數(shù)是綜合性的，并且各參數(shù)之間互相影響。

2 常規(guī)PID分析

常規(guī)的PID是根據(jù)控制系統(tǒng)的相應(yīng)特性曲線來進行參數(shù)整定范圍。整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是控制誤差e（t），有：

e（t）=r（t）c（t）

式中r（t）是設(shè)定值，c（t） 是輸出值。[2]

針對控制系統(tǒng)的控制量的獲得，是通過對控制偏差進行比例取值、積分、微分等的操作結(jié)構(gòu)進行疊加以獲得，進而再應(yīng)用于實際控制。

現(xiàn)在，國內(nèi)外常規(guī)PID參數(shù)整定的研究方法主要有：規(guī)則法和辨識法。規(guī)則法是被控對象的數(shù)學模型不需要事先知道參數(shù)的整定方法，相當于操作人員有一定的整定經(jīng)驗，并對參數(shù)進行手動整定。當然，規(guī)則法開發(fā)到廣泛應(yīng)用的這些過程中，不斷的進行優(yōu)化和發(fā)展研究。但是，對于規(guī)則的整定效果，參數(shù)整定算法主要取決于開發(fā)者對控制回路參數(shù)整定的經(jīng)驗，因此參數(shù)整定會出現(xiàn)精度不夠準確，難度也比較大，經(jīng)驗值也要求較高等缺陷。辨識法是被控對象的數(shù)學模型要首先被獲得，然后再采用以模型為基礎(chǔ)計算PID控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)。當然，在辨識法的應(yīng)用和發(fā)展過程中，也被國外學者們不斷的進行優(yōu)化和發(fā)展研究。許多學者進行了相關(guān)方面的研究工作，整定方法的研究取得了越來越多的研究成果。

PID控制器因它諸多的優(yōu)點成為一種應(yīng)用廣泛的控制器。但是，隨著科學技術(shù)發(fā)展的需求，控制信號出現(xiàn)的非線性、時變性等特征越來越復雜。[2]常規(guī)PID控制常常會由于環(huán)境、操作等因素的影響，使得參數(shù)整定會出現(xiàn)不良效果，從而影響控制系統(tǒng)性能。這就需要通過對PID的參數(shù)進行更優(yōu)良的整定，急需我們尋找出更優(yōu)的智能化算法模型，為了更進一步降低誤差，減小響應(yīng)時間，以提升PID控制的精準度，使我們生產(chǎn)出更優(yōu)的工業(yè)產(chǎn)品。

因此，將人工智能控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合所形成的人工智能PID控制系統(tǒng)，會凸顯先進技術(shù)的強大優(yōu)勢。

3 PID的人工智能算法

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI，它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學。[3]人工智能是對人的意識、思維的信息過程的模擬，但卻能像人那樣思考、也可能超過人的智能。人工智能算法，就是人類通過計算機實現(xiàn)或者模擬智能控制功能的算法，即人類通過計算機來模仿人腦的思考、識別、推理和解決問題等思維活動。人工智能算法有遺傳算法、進化算法、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

隨著智能控制理論的不斷發(fā)展，對于復雜被控對象的控制，迎來了新機遇，如：無人駕駛、無人機控制、智能生活方式等人工智能在交通、軍事、醫(yī)學、生活、工業(yè)、航空航天等相關(guān)領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用及設(shè)想。但是PID控制受產(chǎn)品功能復雜化，控制器與計算機配置之間的兼容性等因素的影響，使得人工智能控制算法在工業(yè)控制生產(chǎn)上的實現(xiàn)是我們進一步需要大力開發(fā)的關(guān)鍵問題。因此，為了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)控制具有更小的誤差，更短的響應(yīng)時間，更易實現(xiàn)的控制要求，更強的適應(yīng)能力，我們把人工智能算法與PID相結(jié)合。在PID控制器的參數(shù)整定中將智能計算技術(shù)引入，形成了智能PID控制，它可以極大程度的簡單化復雜的建模程序，并且可以使PID參數(shù)對控制系統(tǒng)具有更強的自適應(yīng)調(diào)整功能，使常規(guī)PID控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)顯著地得到了提高， PID控制器的性能得到改善。[4]另外，專家和學者將人工智能算法與其他技術(shù)（模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）相結(jié)合，使工業(yè)控制問題分析、求解等方面能力得到更好的擴展和提升，這方面在技術(shù)已經(jīng)取得豐碩的成果。

4 總結(jié)

人工智能算法會在一定程度上彌補傳統(tǒng)PID算法的缺陷，但是不論哪種算法都有一定的缺陷，我們應(yīng)該根據(jù)實際問題，分析并選擇出最適合的算法，以實現(xiàn)更為先進、更為合理、更為兼容、更能保證在復雜工況條件下具有足夠的穩(wěn)定性和精準性。人工智能算法在科學理論和工程上的開發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)成為了學者和專家們研究控制領(lǐng)域的熱點。

參考文獻：

[1]沈乾坤.基于PLC的智能PID方法研究與實現(xiàn)[D].西安理工大學，201706.

[2]高美春.基于人工智能的改進PID糾偏算法分析[J].信息通信，2013（7）.

[3]李輝.人工智能算法在自動控制中的應(yīng)用[J].信息技術(shù).

[4]李文惠，劉嵩.基于遺傳算法的人工智能分析[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，20130101.

[5]楊平，鄧亮，徐春梅，李芹.PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用[M].中國電力出版社.

作者簡介：劉禎（1997），男，本科，河南大學國教學院2015級計算機科學與技術(shù)專業(yè)。