基于PID的人工智能算法研究

摘要：本文簡要的介紹了PID，分析了常規PID控制算法，然后分析了常規PID控制與人工智能控制相結合所形成的人工智能PID控制算法的優勢。

關鍵詞：PID；人工智能；算法

隨著智能控制技術的高度發展，先進的算法也不斷推出，但是技術發展對被控制對象的需求也越來越復雜，傳統的算法在很多方面不能適應技術參數的變化需求。人工智能控制技術的不斷發展，為被控制對象提供了新的理論支撐，以及提高抗干擾性能，先進的人工智能算法可以對參數進行自動適應調整，使控制系統獲得較為準確的數學模型，同時也可以改善傳統控制系統的性能。因此，開發人工智能控制新算法，并使之與傳統算法相兼容對于智能控制發展具有重要的意義。

1 PID概述

工程控制和數學物理 PID（比例積分微分）英文全稱為Proportion Integration Differentiation，PID是比例、積分、微分控制的簡稱。[1]PID由8位端口優先級標識符加端口號組成，端口號占低位，默認端口號優先級128。[1]

PID實現控制的關鍵問題是控制器的參數整定。PID的先進之處是按一定算法進行操作，并將這些算法通過輸入/輸出算法的變換和物理方式實現智能控制。[2]PID控制器參數的整定是根據控制器的參數與系統動態性能和穩態性能之間的定性關系，用實驗的方法來調節控制器的參數。 PID控制器參數是綜合性的，并且各參數之間互相影響。

2 常規PID分析

常規的PID是根據控制系統的相應特性曲線來進行參數整定范圍。整個系統實現的關鍵是控制誤差e（t），有：

e（t）=r（t）c（t）

式中r（t）是設定值，c（t） 是輸出值。[2]

針對控制系統的控制量的獲得，是通過對控制偏差進行比例取值、積分、微分等的操作結構進行疊加以獲得，進而再應用于實際控制。

現在，國內外常規PID參數整定的研究方法主要有：規則法和辨識法。規則法是被控對象的數學模型不需要事先知道參數的整定方法，相當于操作人員有一定的整定經驗，并對參數進行手動整定。當然，規則法開發到廣泛應用的這些過程中，不斷的進行優化和發展研究。但是，對于規則的整定效果，參數整定算法主要取決于開發者對控制回路參數整定的經驗，因此參數整定會出現精度不夠準確，難度也比較大，經驗值也要求較高等缺陷。辨識法是被控對象的數學模型要首先被獲得，然后再采用以模型為基礎計算PID控制器的調節參數。當然，在辨識法的應用和發展過程中，也被國外學者們不斷的進行優化和發展研究。許多學者進行了相關方面的研究工作，整定方法的研究取得了越來越多的研究成果。

PID控制器因它諸多的優點成為一種應用廣泛的控制器。但是，隨著科學技術發展的需求，控制信號出現的非線性、時變性等特征越來越復雜。[2]常規PID控制常常會由于環境、操作等因素的影響，使得參數整定會出現不良效果，從而影響控制系統性能。這就需要通過對PID的參數進行更優良的整定，急需我們尋找出更優的智能化算法模型，為了更進一步降低誤差，減小響應時間，以提升PID控制的精準度，使我們生產出更優的工業產品。

因此，將人工智能控制與常規PID控制相結合所形成的人工智能PID控制系統，會凸顯先進技術的強大優勢。

3 PID的人工智能算法

人工智能（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI，它是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。[3]人工智能是對人的意識、思維的信息過程的模擬，但卻能像人那樣思考、也可能超過人的智能。人工智能算法，就是人類通過計算機實現或者模擬智能控制功能的算法，即人類通過計算機來模仿人腦的思考、識別、推理和解決問題等思維活動。人工智能算法有遺傳算法、進化算法、專家系統、神經網絡等。

隨著智能控制理論的不斷發展，對于復雜被控對象的控制，迎來了新機遇，如：無人駕駛、無人機控制、智能生活方式等人工智能在交通、軍事、醫學、生活、工業、航空航天等相關領域都有了廣泛的應用及設想。但是PID控制受產品功能復雜化，控制器與計算機配置之間的兼容性等因素的影響，使得人工智能控制算法在工業控制生產上的實現是我們進一步需要大力開發的關鍵問題。因此，為了實現工業生產控制具有更小的誤差，更短的響應時間，更易實現的控制要求，更強的適應能力，我們把人工智能算法與PID相結合。在PID控制器的參數整定中將智能計算技術引入，形成了智能PID控制，它可以極大程度的簡單化復雜的建模程序，并且可以使PID參數對控制系統具有更強的自適應調整功能，使常規PID控制系統的控制品質顯著地得到了提高， PID控制器的性能得到改善。[4]另外，專家和學者將人工智能算法與其他技術（模糊技術、神經網絡技術等）相結合，使工業控制問題分析、求解等方面能力得到更好的擴展和提升，這方面在技術已經取得豐碩的成果。

4 總結

人工智能算法會在一定程度上彌補傳統PID算法的缺陷，但是不論哪種算法都有一定的缺陷，我們應該根據實際問題，分析并選擇出最適合的算法，以實現更為先進、更為合理、更為兼容、更能保證在復雜工況條件下具有足夠的穩定性和精準性。人工智能算法在科學理論和工程上的開發和應用，已經成為了學者和專家們研究控制領域的熱點。

參考文獻：

[1]沈乾坤.基于PLC的智能PID方法研究與實現[D].西安理工大學，201706.

[2]高美春.基于人工智能的改進PID糾偏算法分析[J].信息通信，2013（7）.

[3]李輝.人工智能算法在自動控制中的應用[J].信息技術.

[4]李文惠，劉嵩.基于遺傳算法的人工智能分析[J].計算機光盤軟件與應用，20130101.

[5]楊平，鄧亮，徐春梅，李芹.PID控制器參數整定方法及應用[M].中國電力出版社.

作者簡介：劉禎（1997），男，本科，河南大學國教學院2015級計算機科學與技術專業。