分析模糊自適應PID控制器的設計及應用

摘 要：基于目前模糊自適應PID控制器設計應用過程中存在的問題影響，文章分析了模糊自適應PID控制器設計應用現狀與優化設計過程，并提出了設計技術作用于系統仿真方式方法，其目的是為相關建設者提供一些理論依據。

關鍵詞：模糊模型；PID控制器；MATLAB/Simulink環境；系統仿真分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.007

0 引言

隨著我國市場經濟發展進程的不斷加快，工業建設用戶對PID控制器的應用效果需求越來越大。然而，傳統的PID控制方式，已經不能滿足參數整定要求。針對這一問題，相關建設人員應從PID控制器設計應用現狀出發，以優化模糊自適應PID控制器的設計過程，從而作用于實際環境下系統的仿真分析。這是促進現代化經濟建設背景下工業快速穩定發展的關鍵，相關建設人員應將其重視起來。

1 模糊自適應PID控制器設計應用現狀

PID控制已經被廣泛應用于工業建設中，然而，傳統的PID控制要想保證良好過程模型與在線尋找，比較困難，即使是插入測試信號，也會存在一定程度的干擾問題。這種情況下，PID參數自整定在工業發展中就難以發揮出持續的自適應控制作用。此外，PID控制器也不能區分干擾或是過程動態特性帶來的影響。由此可見，雖然PID控制的應用范圍廣，但因其自身限制，使得難以滿足當前工業快速發展背景下的用戶需求。在模糊控制方面，目前，其仍處在人工經驗的基礎上，這就使得對其得定義只能從廣義角度出發。即是以模糊理論、模糊語言以及推理作為基礎控制方法的。經實踐證實，其最大優勢主要體現在適應性好，但其對輸入量的處理是離散狀態的。這就意味著其無法進行積分或是消除誤差操作[1]。為此，相關建設人員應將現有的科學技術成果充分利用起來，以滿足用戶對模糊自適應PID控制器的設計應用需求。

2 模糊自適應PID控制系統設計過程

首先，設計人員要明確模糊PID控制系統應用的性能要求。即在目前控制系統建設規模不斷擴大的情況下，PID控制器較強的自適應性存在難以實現參數整體問題。例如，當系統的參數發生變化，其控制能也會隨之出現較大的變化，從而導致控制特性出現偏差，嚴重的甚至會降低系統作用的穩定性。而自適應模糊PID控制器的設計，是對其變化進行在線校正的有效研究，其需結合傳統的控制理論，形成自適應模糊PID控制器，從而實現控制器參數自動整定的設計目標[2]。

其次，分析系統結構組成。參數自適應模糊PID控制系系統是由模糊控制與參數可調PID系統共同組成。具體結構組成，如圖1所示。

其次，PID控制器算法應用，主要根據如下公式進行計算。其中u（t）為，控制器的輸出量，e（t）誤差信號，ec（t）為誤差變化率，而Ki、Kp、Kd分別為，積分系數、比例系數以及微分數。

最后，對于PID參數的自整定規則，則應采用最為精確的數學模型以及按照人工控制規則來建立控制決策表。這樣一來，就能根據決策表來設置控制量的大小。此外，當系統產生誤差時，控制器就會立即發揮出相應的控制作用[3]。

3 模糊自適應PID控制器系統仿真分析實例

模糊自適應PID控制器設計人員，對MATLAB/Simulink環境條件下，進行了系統仿真分析。首先，設計人員應確定模糊控制器類型與結構。具體來說，就是利用運行Fuzzy 函數，分別取max和min的方法，確定選用Mamdani型的控制器。其中仿真合成方法為max，仿真推理方法為min，而去模式化，則是應用重心平均法。即通過選擇Addinput與Ad-doutput選項，來確定模糊控制器的結構，即：三輸出、兩輸入。為建立起FIS系統文件，設計人員除了好確定好輸出與輸入的變量名，還要將文件保存為 PID.fis格式。其次，編輯出隸屬函數和對應模糊控制的規則。具體來說，就是通過輸入“mfedit”或者在FIS編輯器雙擊圖標，來激活隸屬度函數編輯器，從而選擇Add mfs。而后，在以此輸入：e，ec，kp、ki 和 kd，即雙擊模糊控制的規則圖標，打開El，就能將相應的控制規則，輸入到系統中[4]。最后，對系統仿真結構進行分析，如圖2所示，為常規PID與模糊自適應PID相應曲線。

由圖中可以看出，與傳統的PID控制相比，模糊自適應PID控制器設計應用，不僅能夠大幅度減少超調量，還能具備抗干擾能力、穩定性高以及實時性高等功能。因此，工業建設發展研究人員應不斷對模糊自適應PID控制器的設計進行了完善，從而滿足日趨多元化的市場環境需求。

4 結束語

總體而言，模糊自適應PID控制器的設計應用不僅能夠實現降低超調量的控制目標，還能提高系統作用的穩定性、實時性以及抗干擾能力。為此，研究人員應在明確模糊PID控制系統應用的性能要求、分析系統結構組成以及相關算法的情況下，來滿足工業發展對PID控制器的自動化需求。

參考文獻：

[1]田烈余，洪剛，李衛華.模糊自適應PID控制器在型材冷彎機送料機構的應用[J].液壓氣動與密封，2011（01）：10-13.

[2]鄒云峰，鄒靜波.基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器的設計[J].科技創新導報，2011（05）：121-123.

[3]楊菲，巴力登.基于MATLAB的模糊自適應PID控制器的設計與仿真[J].信息與電腦（理論版），2011（09）：59-60.

[4]許紅，李著信，李媛媛，龔利紅，劉澤山.基于模糊自適應PID控制器的差壓式管道檢測機器人速度控制系統設計[J].化工自動化及儀表，2014（09）：1019-1022.

作者簡介：王忠超（1988-），吉林農安人，本科，初級職稱，研究方向：模糊PID 。