唐昌明+王文標(biāo)+鄒陽陽+李傳金

摘 要：針對常規(guī)PID控制器對水浴溫控系統(tǒng)存在處理滯后和快速性難以同時保證，抗干擾能力、適用性差等問題，在常規(guī)PID控制器基礎(chǔ)上對其比例-積分-微分項引入模糊環(huán)節(jié)，形成參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器。通過分析水浴溫控系統(tǒng)的特性得到對積分-微分項的改進(jìn)及量化因子的優(yōu)化方法；在應(yīng)用中證明了參數(shù)自適應(yīng)模糊PID不僅具有不完全微分PID輸出穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特性，還同時提高了系統(tǒng)控制效率及適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：PID；抗干擾；模糊自適應(yīng)；量化因子的優(yōu)化

引言

水浴溫控系統(tǒng)具有不對稱、大滯后等特點(diǎn)，常規(guī)的PID無法做到在線的實時調(diào)整，仿真效果良好但實際應(yīng)用中具有較大的挑戰(zhàn)，很難得到良好的控制效果。隨著模糊理論逐漸的成熟，建立模糊庫進(jìn)行實時的模糊推理進(jìn)而對常規(guī)PID進(jìn)行實時的在線調(diào)節(jié)，形成模糊PID系統(tǒng)，在保證了原有PID系統(tǒng)較高魯棒性等優(yōu)勢的同時，調(diào)節(jié)靈活、實用性強(qiáng)，具有更好的精度和適應(yīng)性。一般常見的模糊PID系統(tǒng)分成三大類：增益調(diào)整型、直接控制量調(diào)節(jié)型、混合型（傳統(tǒng)與模糊結(jié)合或增益與直接型結(jié)合），文章采用增益調(diào)整型的模糊PID系統(tǒng)[1-4]，能夠更便捷的針對性的解決水浴溫控系統(tǒng)的問題。通過OPC通訊接口以上位機(jī)為媒介實現(xiàn)與控制器的直接結(jié)合可以更好的驗證和修改模糊推理和量化因子自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程。

1 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)

1.1 PID控制系統(tǒng)

1.2 模糊控制系統(tǒng)

1.2.1 模糊化

針對于水浴溫控系統(tǒng)選用不對稱的？駐ki的隸屬函數(shù)，以便在前期能夠獲得更大的積分動力，加快前期的效率，中后期對？駐ki進(jìn)行大幅縮減甚至是反向幫助微分同時抑制前期加強(qiáng)造成的更大的超調(diào)，這也是后期量化因子優(yōu)化要考慮的地方。

1.2.2 模糊控制規(guī)則庫建立

參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器就是找出在不同時刻PID三個參數(shù)與e（k）和？駐e（k）之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e（k）和？駐e（k），根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)行實時修改，以滿足不同e（k）和？駐e（k）對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能[5]。

（1）當(dāng)偏差e（k）較大時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的kp值，同時為了避免由開始時偏差e（k）的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的kd；同時針對于水浴溫控系統(tǒng)為了使系統(tǒng)響應(yīng)更快，刻意產(chǎn)生積分飽和，積分作用較大。

（2）當(dāng)e（k）和？駐e（k）處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，kp值相對前期的較大出現(xiàn)減弱趨勢，ki的取值為防止超調(diào)從最初的飽和回到初始給定或者更小，這種情況kd取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，取值要大小適中，保證響應(yīng)速度。

（3）當(dāng)e（k）較小即接近于設(shè)定值時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能相對于中等誤差時應(yīng)增加kp的取值，本應(yīng)該也相應(yīng)增加ki值但為防止前期飽和造成的動力過足只稍微回調(diào)ki值，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，一般是當(dāng)？駐e（k）較小時， kd可取大一些；當(dāng)？駐e（k）較大時， kd應(yīng)取小一些。

（4）偏差變化量？駐e（k）的大小表明偏差變化速率，？駐e（k）值越大，kp的取值越小，ki取值越大[6]。

考慮到被控對象的遲滯性以及在通過實驗的總結(jié)對規(guī)則進(jìn)行修改，最終形成控制規(guī)則表（表1、表2、表3）：

1.3 量化、比例因子確定及優(yōu)化

2 實驗結(jié)果與分析改進(jìn)

根據(jù)PID參數(shù)的整定方法Ziegler-Nichols[8]的方法整定出的結(jié)果和多次實驗的調(diào)整選擇較為理想的kp、ki、kd參數(shù)作為常規(guī)調(diào)節(jié)的參數(shù)，并且也作為自調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行對比實驗，參數(shù)

加入模糊在同等初始條件和階躍下的效果圖如圖6所示。

結(jié)果分析：圖5和圖6的輸出量波動均在0.3左右可以加入死區(qū)限制，控制時間圖5不完全微分PID在23分鐘進(jìn)入基本穩(wěn)定，33分鐘完全穩(wěn)定，改為圖6的不完全微分模糊自適應(yīng)PID后改善到6-7分鐘完全穩(wěn)定，同時滿足對低頻干擾的不敏感性。結(jié)果證明了增加參數(shù)自適應(yīng)的模糊不完全微分PID控制器比之傳統(tǒng)的PID具有更好的抗干擾能力，面對時滯不對稱系統(tǒng)建立的模糊規(guī)則具有更好的專家性、適用性。

3 結(jié)束語

水浴溫控系統(tǒng)特性復(fù)雜有別于一般的無滯后對稱系統(tǒng)。需要更加有針對性的控制系統(tǒng)，文章將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，既具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID控制精度高的特點(diǎn)，同時借鑒專家經(jīng)驗、系統(tǒng)特性，以及不完全微分等成功算法完善完成模糊規(guī)則庫的建立優(yōu)化，通過在線自調(diào)整控制參數(shù)，有效地處理控制系統(tǒng)的時滯、不對稱與不確定性，提高系統(tǒng)的控制性能，并使其具有較好的魯棒性能?，F(xiàn)階段對象單一，需要更多的實驗應(yīng)用建立起對規(guī)則庫的自調(diào)節(jié)功能，以便更好的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]沈國江.典型大時變時滯系統(tǒng)的魯棒fuzzy-PID控制及應(yīng)用[J].控制理論與應(yīng)用，2002（06）：892-896.

[2]劉紅軍，韓璞.灰色預(yù)測模糊PID控制在汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004（8）.

[3]張弘.大滯后系統(tǒng)控制中專家-模糊PID方法的應(yīng)用[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2009（28）：244-245.

[4]Song Ji-jiang，Niu Yi-xia.Temperature controller of heating furnace of crude oil based on fuzzy control and expert system [A].International Symposium on Test Automation and Instrumentation[C].2006：697-702.

[5]武新偉，狄全熙.模糊自適應(yīng)PID控制器在液壓伺服系統(tǒng)的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動化，2007：107-108，112.

[6]Murat Akgul，Omer Morgul.Fuzzy Controller Design for Parametric Contrllers [J].Proceedings of the 12 th IEEE，1997：12，67-72.

[7]劉慧博，王靜，吳彥合，無刷直流電機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制研究與仿真[J]. 控制工程，2014，21（4）：583-587.

[8]Juan J. Gude and Evaristo Kahoraho，Modified Ziegler-Nichols method for fractional PI controllers [J]. IEEE Conference Publications，2010.