PID控制參數(shù)在線自整定方法綜述

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 黎殿來 董士崔 宋向華

PID控制參數(shù)在線自整定方法綜述

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 黎殿來 董士崔 宋向華

本文介紹了幾種常見的PID控制參數(shù)在線自整定方法，分析其各自特點，并對PID控制參數(shù)在線自整定方法的發(fā)展趨勢進行介紹。

PID控制；自整定；智能控制；復(fù)合控制

1　前言

常規(guī)PID控制方法應(yīng)用于噪聲和負(fù)載復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，過程參數(shù)過于依賴對象數(shù)學(xué)模型，不能實現(xiàn)在線整定，無法滿足穩(wěn)定、快速控制的要求。PID控制參數(shù)在線自整定方法具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力，能夠在線整定PID模型參數(shù)，以適應(yīng)對象模型參數(shù)的不斷變化。下面介紹幾種PID控制參數(shù)在線自整定方法。

2　專家PID控制方法

專家PID控制方法的實質(zhì)是利用受控對象及控制規(guī)律的各種經(jīng)驗知識，設(shè)計PID參數(shù)可調(diào)的控制器。專家PID控制方法的原理框圖如圖1所示。專家PID控制方法的設(shè)計思路是根據(jù)受控對象的經(jīng)驗總結(jié)和專家知識，選取能夠反映被控對象特征的特征參數(shù)存入專家知識庫中；然后在控制過程中實時采集各測量值或者計算各參數(shù)值，存入數(shù)據(jù)庫中；利用這些測試值或者參數(shù)值，結(jié)合專家知識庫中的經(jīng)驗規(guī)律，根據(jù)某種邏輯推理機制，得出PID控制器的參數(shù)或者參數(shù)變化量，不斷迭代計算，從而得到滿意的控制結(jié)果。

圖1　專家PID控制方法原理框圖

專家PID控制方法實際上是依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)值來判斷受控對象的當(dāng)前情況，再根據(jù)專家經(jīng)驗整定PID參數(shù)的。預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值通常來源于經(jīng)驗知識，如果這些經(jīng)驗值設(shè)定不合理，則無法得到期望的控制結(jié)果。

3　模糊PID控制方法

模糊PID控制方法將操作人員或?qū)＜业恼ń?jīng)驗和技術(shù)知識總結(jié)成為模糊規(guī)則模型，運用模糊推理實現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。模糊PID控制方法原理框圖如圖2所示。模糊PID控制方法過程是，運用模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。

圖2　模糊PID控制方法原理框圖

模糊PID控制方法以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求，利用模糊控制規(guī)則實時對PID參數(shù)進行修改[7]。

模糊PID控制方法中專家經(jīng)驗的提取比較困難，并且控制過程不具備自學(xué)習(xí)能力，過程變量的隸屬度函數(shù)選取的好壞對系統(tǒng)影響較大。

4　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于PID控制中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法原理框圖如圖3所示。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法通過BPNN網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)的在線估計與自學(xué)習(xí)功能，可以實時調(diào)整訓(xùn)練輸出層神經(jīng)元輸出參數(shù)所對應(yīng)的PID控制器的三個控制參數(shù)，從而實現(xiàn)受控對象的有效控制[8]。

圖3　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法原理框圖

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法可以任意非線性逼近而且調(diào)節(jié)過程不依賴于系統(tǒng)模型等特點，適用于非線性不確定系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法構(gòu)造比較復(fù)雜，實現(xiàn)的難度及代價都比較大，且具有普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)固有的缺點：收斂速度慢、涉及不確定參數(shù)多、易限如局部極小點等。

5　遺傳PID控制方法

遺傳PID控制方法只依賴于適應(yīng)度函數(shù)，不需要知道受控對象的全部信息，可以根據(jù)受控對象的輸出情況對PID三個控制參數(shù)進行優(yōu)化，利用群體優(yōu)化機制可以找到全局最優(yōu)解。

遺傳方法主要包含幾個步驟：①將PID的三個控制參數(shù)Kp、Ki、Kd進行編碼，生成一條染色體；②生成初始化群體；③計算適應(yīng)度；④通過選擇算子，交換算子和變異算子等算子更新種群；⑤結(jié)束進化過程。從理論上看，遺傳算法更具靈活性、適應(yīng)性、全局性和魯棒性，但是，其自身也存在一些固有問題，如成熟前收斂和收斂速度太慢等問題。

6　PID控制參數(shù)在線自整定方法的發(fā)展趨勢

雖然，PID控制參數(shù)在線自整定方法在理論研究方面取得了很大的進步，但是重復(fù)性研究居多，創(chuàng)造性研究偏少，大多都停留于仿真結(jié)果，而實際工程應(yīng)用的偏少，特別是長時間運行的參數(shù)自整定PID控制器微乎其微。將PID控制參數(shù)在線自整定方法應(yīng)用于工程實踐應(yīng)用中仍是廣大理論工作者和工程技術(shù)人員不斷努力的方向。

7　結(jié)束語

本中介紹了幾種PID控制參數(shù)在線自整定方法，給出了其對應(yīng)的構(gòu)成方式，并分析了將來的發(fā)展趨勢。隨著智能控制理論和計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，PID控制參數(shù)在線自整定方法必將成為智能控制領(lǐng)域的一個極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颉?/p>

[1]須田信英.PID控制理論與實務(wù)[M].臺北:全華科技圖書股份有限公司,1992.

[2]ASTROM K J,HAGGLUNG T.PID Controllers:Theory,Design,and Tuning. 2nd ed.NC,Research Triangle Park:Instrument Society of American,1995.

[3]WENDELL S R.Take control of PID tuning,Plant Engineering, 2005,59(9):57-60.