智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

趙碩偉 新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

趙碩偉 新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

智能PID 調(diào)節(jié)器 設(shè)計(jì)應(yīng)用

1 調(diào)節(jié)器背景

PID 不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

控制的發(fā)展與現(xiàn)狀控制的發(fā)展與現(xiàn)狀“智能控制”一詞早在1967年Leondes和Mendel在他們的“人工智能控制”技術(shù)報(bào)告中正式使用。美籍華裔科學(xué)家傅京孫教授提出了智能控制系統(tǒng)的概念，公開(kāi)指出了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域。智能控制系統(tǒng)具有擬人的智力，在環(huán)境條件變化時(shí)能自主地完成控制目標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它和人工智能的發(fā)展緊密相聯(lián)。智能控制是一門有著極為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域新興的交叉前沿學(xué)科，智能控制是自動(dòng)控制理論發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能是知識(shí)與智力的總和。其中知識(shí)是一切智能行為的基礎(chǔ)，而智力是獲取知識(shí)并運(yùn)用知識(shí)求解問(wèn)題的能力，是頭腦中思維活動(dòng)的具體體現(xiàn)。用來(lái)模擬延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的智能控制是有關(guān)于計(jì)算機(jī)科學(xué)方向的，它試圖理解智力的本質(zhì)，這樣就能夠制造出一種新的智能機(jī)器，這種機(jī)器能以人的智能一樣的方式作出反應(yīng)。在廣義的被控對(duì)象或過(guò)程及其外界條件下，智能控制系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，它結(jié)合控制理論的某些方法和技術(shù)，使用人工智能理論與技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化方法，模仿人的智能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的效果。也可以說(shuō)，智能控制驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)是自主的，是無(wú)需人的干涉的，這也也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個(gè)重要領(lǐng)域，是自動(dòng)控制科學(xué)的最新發(fā)展。本文將介紹智能PID控制器的幾種常見(jiàn)構(gòu)成形式：

2.1 基于模糊控制的智能PID控制器

模糊控制是基于模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理的計(jì)算機(jī)智能控制。模糊控制器知識(shí)庫(kù)包括規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)則庫(kù)是以模糊規(guī)則表的形式建立的，模糊控制規(guī)則是由模糊理論中的模糊條件語(yǔ)句描述的。將要輸入模糊控制器清晰量和模糊量放進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以模糊邏輯的方式構(gòu)建推理機(jī)構(gòu)。在PID控制中引進(jìn)模糊控制，這就組成通常我們所說(shuō)的模糊PID控制器。這種控制器的基本思想是，首先，建立模糊PID控制的形式，這種形式是以模糊控制規(guī)則為基礎(chǔ)的。其次，通過(guò)對(duì)控制器的輸入(誤差和誤差變化)模糊化得到模糊量，對(duì)控制器輸出去模糊得到精確量，這樣就構(gòu)成了我們需要的模糊控制器。這種控制器也是線性形式的但控制器參數(shù)不是一般的常數(shù)。與傳統(tǒng)PID控制器控制相比，這種類型的控制器在控制高階系統(tǒng)是有自己獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的，對(duì)非線性等復(fù)雜對(duì)象控制效果也較好。總的來(lái)說(shuō)，模糊PID控制器的對(duì)象是十分廣泛的，它基于傳統(tǒng)PID進(jìn)行了擴(kuò)展，利用人的技術(shù)構(gòu)成模糊規(guī)則，來(lái)優(yōu)化PID參數(shù)。

2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能PID控制器

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器優(yōu)化PID控制器是以某些指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和非線性映射能力調(diào)整權(quán)值，使PID參數(shù)達(dá)到最佳。在這過(guò)程中唄控對(duì)象結(jié)構(gòu)，參數(shù)還有輸入信號(hào)可能發(fā)生變化，但神經(jīng)PID控制器也能夠進(jìn)行自身的調(diào)整，抗拒干擾。20世紀(jì)80年代末，J．moody和C．Darken提出了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[15]，這種網(wǎng)絡(luò)含有輸入層，單隱層，輸出層得前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)模擬了人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有人腦局部調(diào)整的特點(diǎn)，因此RBF網(wǎng)絡(luò)是一種局部逼近網(wǎng)絡(luò)，它可以以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)。由于工業(yè)生產(chǎn)中往往具有非線性、時(shí)變不確定性，難以確定精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的PID控制器無(wú)法達(dá)到理想的控制效果。

2.3 基于遺傳算法的智能PID控制器

1975年，美國(guó)Michigan大學(xué)J．Holland教授最先提出了遺傳算法，現(xiàn)在遺傳算法有了很大的發(fā)展。遺傳算法是以生物進(jìn)化論中的自然選擇和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)的，它尋優(yōu)的過(guò)程是模擬自然進(jìn)化過(guò)程，這種算法有極強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，是一種全局優(yōu)化算法，這種算法簡(jiǎn)單、計(jì)算時(shí)間少、具有很強(qiáng)的魯棒性，在解決的復(fù)雜性和非線性問(wèn)題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。把PID控制器的比例，微分，積分參數(shù)用相應(yīng)的基因表示，適應(yīng)度函數(shù)選擇PID控制中的最優(yōu)指標(biāo)，利用遺傳算法來(lái)優(yōu)化PID控制器，尋找得到最佳的PID參數(shù)。這樣就構(gòu)成了遺傳算法PID控制器。

3 結(jié)論

提出了一種新的智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法,它僅需要被控對(duì)象的階躍響應(yīng)信息,利用專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整PID調(diào)節(jié)器參數(shù),實(shí)現(xiàn)有效的控制。設(shè)置的監(jiān)督級(jí)保證對(duì)象特性測(cè)試及專家自整定的正常進(jìn)行,并確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)用低成本的MCS-51單片微機(jī)便可實(shí)現(xiàn)。在電阻加熱爐的溫控過(guò)程獲得了良好的控制效果。