基于模糊控制理論的PID控制器設計

蘇興華

[摘? ? 要] 常規PID控制在穩定環境下已經可以滿足系統的控制要求，但是在負載較重、干擾因素復雜、極限速度的條件下，系統會表現出不穩定的現象，需對PID的各個參數進行不斷的實時調整。經過多次實驗數據分析，這些參數的變化不能建立有效的數學模型，因此需要選用智能控制器來調節，而模糊控制符合工具實驗系統的整體要求，可以使整個系統達到最佳的控制效果。

[關鍵詞] PID參數;模糊控制;規則;仿真

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 03. 055

[中圖分類號] TP273+.4? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）03- 0136- 04

0? ? ? 前? ? 言

在實際工程閉環控制中，應用最為廣泛的調節器控制規律為PID控制。雖然常規的PID控制在穩定環境下已經可以滿足系統的控制要求，但是在負載工作的條件下，由于干擾因素復雜，負荷可能產生變化，而且在極限速度下，系統會表現出不穩定的現象，這就需要對PID的各個參數進行不斷的在線調整。但經過多次實驗數據的分析，這些參數的變化沒有確定不變的數學模型和規律可以遵循，因此，需要選用智能控制器來調節，而模糊控制器有著魯棒性好、適應性強的優點，非常便于計算機軟件實現，符合鉆井工具實驗系統的整體要求，以充分發揮PID控制器的優良控制作用，力求使整個系統達到最佳的控制效果。

1? ? ? 結構及工作原理

模糊控制是一種基于規則的控制，它直接采用語言型控制規則，出發點是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。由工業過程的定性認識出發，比較容易建立語言控制規則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取，動態特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。基于模型的控制算法及系統設計方法，由于出發點和性能指標的不同，容易導致較大差異;但一個系統語言控制規則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優于常規控制器。模糊控制是基于啟發性的知識及語言決策規則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統的適應能力，使之具有一定的智能水平。模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。

基于模糊自適應 PID 控制器的結構如圖1所示，其中二維模糊控制器采用了雙輸入三輸出的模式，它以偏差e，ec為模糊控制器的輸入，以 PID 控制器的三個參數比例系數 Kp，微分系數 Kd，積分系數 Ki為輸出，以滿足系統對PID 參數整定的要求。從而使被控對象有更優良的動態響應和靜態響應。

3? ? ? 模糊控制表的制定

模糊控制規則是模糊控制器的核心，它相當于傳統控制系統中的校正裝置或補償器（如 PID 控制器），是設計控制系統的主要內容。模糊控制規則的生成方法大體上有兩種：一種是根據操作人員或專家對系統進行控制的實際經驗和知識，歸納總結得出的;另一種是對系統進行測試試驗，從分析系統的輸入輸出數據中，歸納總結出來的。

模糊規則是由一系列的模糊條件語句組成的，即由許多模糊蘊含關系構成。這些條件語句是大量實驗觀測和操作經驗的歸納總結，在近似推理中認為它們是可靠的依據，是推理的出發點和得到的正確結論的根據和基礎。每條模糊條件語句都給出模糊蘊含關系，即一條控制規則。若有 n 條規則，就把它們表達的 n個模糊蘊含關系（i=1，2，…，n）做并運算，構成系統總的模糊蘊含關系 R：

利用MATLAB的SIMULINK 仿真工具，對三階對象進行了仿真，如圖4、圖5所示，表明普通PID 難以做到很好的控制效果，同時三個參數也不易確定，但是采用模糊理論基礎的PID 控制就能達到很好的控制效果。從系統的仿真性能來看，這種控制器有著良好的快速性與穩定性，動態性能好，魯棒性強，是一種較為理想的控制方案。

主要參考文獻

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