PID控制方法的研究現(xiàn)狀及應用展望

樊大勇

（河鋼集團唐鋼公司信息自動化部，唐山 063000）

工業(yè)控制環(huán)節(jié)中離不開控制器，PID調(diào)節(jié)器屬于使用范圍最為廣泛的控制器之一。其控制精髓便是設(shè)置調(diào)整好其PID參數(shù)，來滿足預先設(shè)定好的各種控制性能。但是基于控制情況多種多樣，許多被控過程具有機構(gòu)復雜、非線性程度高、純時滯以及時變不確定這些特征。尤其當控制器外界環(huán)境處于較大擾動或者較大噪聲時，此時模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及預先設(shè)定參數(shù)均會由外界環(huán)境的改變發(fā)生改變。

1 智能PID控制

現(xiàn)階段智能控制器展現(xiàn)出空前的發(fā)展與應用水平。其主要結(jié)構(gòu)分成兩大層，上部分利用配備的智能技術(shù)將整個系統(tǒng)狀態(tài)整體把控，隨時根據(jù)需要對于參數(shù)進行調(diào)節(jié)。下部分會動態(tài)將被控對象進行控制。不同于傳統(tǒng)的PID控制器，智能控制器對于系統(tǒng)精確微分方程下的模型要求度不高，因此智能控制器擁有更加良好的魯棒性以及高實現(xiàn)性，應用前景更高。以下為智能開發(fā)方面的具體介紹：

由智能技術(shù)現(xiàn)階段的分類可知，智能PID控制主要有三大類別，第一種為：基于專家系統(tǒng)的智能PID控制器；第二種為：基于模糊邏輯的智能PID控制器；第三種為：基于神經(jīng)網(wǎng)絡的智能PID控制器。人們利用多種智能技術(shù)來應用并創(chuàng)造出智能程度更高的PID控制器。

1.1 基于專家系統(tǒng)的智能PID控制器

專家控制的本質(zhì)是基于控制對象和控制規(guī)律的各種專家知識。通過人工智能技術(shù)的應用，可以盡可能地優(yōu)化和應用受控對象。對于許多復雜的工業(yè)問題，在大多數(shù)情況下，很難做出準確的描述和嚴格的分析。該專家系統(tǒng)可以更好地預測上述問題，并找到合適的解決方法。此外，專家系統(tǒng)還可以處理具有一些錯誤或缺陷的一類數(shù)據(jù)。

1.2 基于模糊控制的智能PID控制器

模糊控制器相關(guān)的知識庫需要根據(jù)模糊規(guī)則表進行構(gòu)建，根據(jù)模糊控制器在輸入時記錄進行模糊以及清晰兩者數(shù)量上的收集，模糊邏輯為其整個過程的推理原理。將模糊PID控制器應用于PID控制當中變形成了模糊控制，該種方式主要能夠在時變、高階以及非線性等對象中使用到。

以模糊規(guī)則表的形式建立了模糊控制器的知識庫。在數(shù)據(jù)庫中收集模糊控制器輸入的清晰數(shù)或模糊量，其推理機制由模糊邏輯組成。模糊控制，即模糊PID控制器，引入了PID控制，可用于高階、時變和非線性控制對象。模糊PID控制方式主要有模糊PID控制器模糊（PID）2控制器等多種。

該控制器的基本設(shè)計思想如下：首先基于原有的PID控制理論以及方法，利用相關(guān)知識理論構(gòu)建出模糊控制的具體規(guī)則庫，接著獲取模糊PID控制形式，然后輸入模糊控制器。給予。最后，離散模糊控制器需要根據(jù)模糊處理過后的控制輸出得到，其控制參數(shù)表現(xiàn)為非線性，此外該控制器依然和傳統(tǒng)PID擁有一樣的線性形式，兩者控制效果相差不大。均有著一階加純延遲后的過程對象，同時也需看到高階系統(tǒng)整體呈現(xiàn)出的控制效果要比PID控制器的效果好，特別是對于非線性等復雜物體，由于控制器的輸入矢量被分割，很難將模糊PID控制器應用于傳統(tǒng)的PID控制器。將不同的控制規(guī)則應用于不同的區(qū)域，并獲得令人滿意的控制結(jié)果。模糊PID控制器是傳統(tǒng)PID的延伸。通過模糊規(guī)則來表達人的經(jīng)驗，調(diào)整PID參數(shù)，突破傳統(tǒng)PID的局限性。

1.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的智能PID控制器

該控制器的參數(shù)可以根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡自帶的學習能力進行調(diào)整穩(wěn)定，此外神經(jīng)網(wǎng)絡還有著強大的非線性函數(shù)能力一樣可以輔助PID控制器進行參數(shù)調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)和輸入?yún)⒖夹盘柕淖兓?。能夠抵抗外界的干擾。在實際應用中，神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的確定、權(quán)系數(shù)初值的確定和輸入模式的選擇有時對控制結(jié)果起著重要的作用。

根據(jù)控制器的結(jié)構(gòu)，神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器可分為兩種：一種是神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器的輸出參數(shù)，稱為顯式控制器，另一種是神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器的輸出控制。它被稱為隱式控制器。前者的物理意義清晰，易于工程師理解和操作。利用PID控制的思想，后者不再局限于控制器形式的PID項的簡單線性組合。它是一種更先進的PID控制形式。

2 智能PID控制器應用展望

控制方法不僅僅局限于上述三種，還有人類控制、學習控制以及專家控制等。免疫算法都處于開發(fā)過程中。綜觀近年來智能PID控制的發(fā)展，我們可以總結(jié)出以下特點：

（1）通常對于控制器性能的提高途徑可以選擇使用智能復合控制器。近些年逐漸呈現(xiàn)出神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制兩者互相融合這種智能系統(tǒng)研究新方向。此外在神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器權(quán)重方面會經(jīng)常使用到遺傳算法來進行有效的優(yōu)化，并且把模糊控制利用遺傳算法進行分析應用，證明了遺傳算法是一種有效的規(guī)則和隸屬函數(shù)調(diào)整方法。

（2）控制理論領(lǐng)域中的專家阿思特羅姆曾經(jīng)提出，控制工程在將來一段時間內(nèi)將會繼續(xù)產(chǎn)生并發(fā)揮其應有的作用，不論精度多高的控制器均不能離開控制器這一基礎(chǔ)單元。我國吳宏鑫學者提出一種“特征建?！崩碚?，該理論將PID控制器體現(xiàn)出的應用理論基礎(chǔ)進行了有效的證實，并且證明其具有其他控制器無法替代的優(yōu)勢。它將成為復雜系統(tǒng)智能控制中最基本的子控制單元。

（3） 在理論研究方面，特別是在應用方面，中外差距明顯。日本，歐洲和美國不僅處于理論研究的前沿，而且還成功應用了橫河電機，富士電機等產(chǎn)品，模糊邏輯和標準PID控制相結(jié)合來抑制超調(diào)，成功實現(xiàn)。然而，在中國有更多的重復研究，較少的創(chuàng)新研究和較少的工程應用，特別是運行時間長的智能PID控制器可以說很少。這種情況需要廣大理論家和工程師的共同努力，盡快改變這種狀況。

3 結(jié)束語

隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，智能PID技術(shù)將不斷完善。智能控制與PID控制的結(jié)合是智能控制技術(shù)發(fā)展的潛在方向。