基于模糊—PID智能化控制系統的應用

任黎明　張鳳營　于紅

摘要：隨著先進控制技術的發展，模糊控制理論和模糊控制技術成為最廣泛最有前景的應用分支之一。模糊控制器是一種專家型控制系統，它的優點是不需要知道被控對象的精確數學模型，而是只利用專家己有的知識和經驗，更重要的是當系統為非線性系統時，模糊控制器還可以產生非線性控制作用。但經過深入研究，發現常規模糊控制存在著其控制品質粗糙和精度不高等弊病，因此，可將模糊控制和PID控制兩者結合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活、適應性，又具有PID控制精度高的特點。

關鍵詞：PID控制；模糊控制器；模糊—PID控制器

1PID控制器

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。傳統的PID控制器以其結構簡單、工作穩定、適應性好、精度高等優點成為過程控制中應用最廣泛最基本的一種控制器。

1.1PID的組成

控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。

1.2PID的特點

雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了。另外，PID參數Kp，Ki和Kd可以根據過程的動態特性及時整定，如果過程的動態特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動態特性變化，PID參數就可以重新整定。

2模糊控制器

模糊控制器是一種專家型控制系統，它的優點是不需要知道被控對象的精確數學模型，而是只利用專家己有的知識和經驗，更重要的是當系統為非線性系統時，模糊控制器還可以產生非線性控制作用。它運用語言知識模型進行控制算法的設計，可用來對不能精確建模或難以建模系統進行控制，使生產過程平穩、高效、安全地運行。

模糊控制器是模糊控制系統的核心部分，也是和其它控制系統區別最大的環節，它由模糊化、知識庫、模糊推理、解模糊化四個基本部分組成。

模糊控制器通常由計算機（或單片機）實現，計算機通過傳感器經過采樣和A/D轉換獲得被控量的精確值，然后將定量與設定值比較得到偏差信號，一般選偏差信號與偏差變化率作為模糊控制器的輸入量，由模糊控制器的輸入接口將該精確量轉化為相應的模糊量，偏差的模糊量可用相應的模糊語言子集E來表示，偏差變化率的模糊量可用相應的模糊語言子集來表示。根據推理合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量，將模糊控制量轉化為精確量，由模糊控制器的輸出接口作去模糊化處理，得到精確的數字控制量后再經過D/A轉換變為精確的模擬量送給執行機構，對被控對象進行控制。

3模糊控制和PID控制結合

從模糊控制技術應用于控制領域開始，就有許多模糊和PID相結合的控制器相繼出現。模糊控制與經典控制理論有機地結合起來，可構造一類新型的控制系統，即模糊-PID復合控制系統。因此在模糊—PID復合控制系統中模糊控制并不是代替常規PID控制，而是對常規PID控制的拓展。常規PID控制器與模糊控制器的結合有兩種結構形式：串聯結構和并聯結構。

3.1串聯結構模糊—PID控制器

當系統的偏差信號大于某一設定值時，在控制過程中，開關接通，模糊控制器發揮控制作用，PID控制器的輸入信號，即，對PID控制器產生較強的控制信號，系統的動態響應較快；而當偏差信號小于某一設定值時，模糊控制器通過開關斷開，模糊控制器不發揮控制作用，這時，只有偏差信號進入PID控制器，由于此時系統的輸出和給定值己經很接近，所以能很快地趨于給定值，消除穩態誤差。這種結構的模糊控制器產生階梯狀的非線性控制信號作用于PID控制器，依靠調節PID輸入信號的突然變化來提高動態響應速度，往往易造成PID控制作用的誤調節。

3.2并聯結構模糊—PID控制器

并聯結構如圖所示。它是將模糊控制器和PID控制器并聯起來對系統進行控制，即有模糊和PID兩種模態，其中模糊控制器采用常規模糊控制器，輸入變量為偏差和偏差變化率，輸出為，模糊控制規則采用形式，推理合成采用算法，去模糊化則采用系數加權平均法。這種模糊控制器本質上是PD型控制器，由于缺乏積分環節，系統有穩態誤差，為此在偏差大于或等于某一設定值時，控制器切換為模糊控制器；當偏差小于某一設定值時，控制器切換至常規PID控制器，從而使得這種雙模控制器具有響應快，穩態精度高的特點，應用性好。

由上述可知，在智能控制系統運行過程中，當進行生產和加工時，由于偏差和它的變化率均較大，因此起主要作用的是模糊控制器；只有當對產品進行精加工時，由于工件的偏差和它的變化率均很小，常規PID控制器起主要作用。模糊—PID控制器在生產和加工階段保留了模糊控制器的快速性和穩定性的優點，同時在精加工階段保留了常規PID控制器具有高精度的特性。由此，實現了從一種控制方式到另一種控制方式的平穩過渡，避免了一般控制器按某一設定值進行切換的弱點。又由于模糊—PID控制器算法簡單、高效控制效果較好，各種動態性能指標參數能進行自行調整，可使智能控制系統達到更理想的控制效果。

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