基于模糊—PID智能化控制系统的应用

任黎明　张凤营　于红

摘要：随着先进控制技术的发展，模糊控制理论和模糊控制技术成为最广泛最有前景的应用分支之一。模糊控制器是一种专家型控制系统，它的优点是不需要知道被控对象的精确数学模型，而是只利用专家己有的知识和经验，更重要的是当系统为非线性系统时，模糊控制器还可以产生非线性控制作用。但经过深入研究，发现常规模糊控制存在着其控制品质粗糙和精度不高等弊病，因此，可将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活、适应性，又具有PID控制精度高的特点。

关键词：PID控制；模糊控制器；模糊—PID控制器

1PID控制器

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。传统的PID控制器以其结构简单、工作稳定、适应性好、精度高等优点成为过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器。

1.1PID的组成

控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

1.2PID的特点

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。另外，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定，如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

2模糊控制器

模糊控制器是一种专家型控制系统，它的优点是不需要知道被控对象的精确数学模型，而是只利用专家己有的知识和经验，更重要的是当系统为非线性系统时，模糊控制器还可以产生非线性控制作用。它运用语言知识模型进行控制算法的设计，可用来对不能精确建模或难以建模系统进行控制，使生产过程平稳、高效、安全地运行。

模糊控制器是模糊控制系统的核心部分，也是和其它控制系统区别最大的环节，它由模糊化、知识库、模糊推理、解模糊化四个基本部分组成。

模糊控制器通常由计算机（或单片机）实现，计算机通过传感器经过采样和A/D转换获得被控量的精确值，然后将定量与设定值比较得到偏差信号，一般选偏差信号与偏差变化率作为模糊控制器的输入量，由模糊控制器的输入接口将该精确量转化为相应的模糊量，偏差的模糊量可用相应的模糊语言子集E来表示，偏差变化率的模糊量可用相应的模糊语言子集来表示。根据推理合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量，将模糊控制量转化为精确量，由模糊控制器的输出接口作去模糊化处理，得到精确的数字控制量后再经过D/A转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。

3模糊控制和PID控制结合

从模糊控制技术应用于控制领域开始，就有许多模糊和PID相结合的控制器相继出现。模糊控制与经典控制理论有机地结合起来，可构造一类新型的控制系统，即模糊-PID复合控制系统。因此在模糊—PID复合控制系统中模糊控制并不是代替常规PID控制，而是对常规PID控制的拓展。常规PID控制器与模糊控制器的结合有两种结构形式：串联结构和并联结构。

3.1串联结构模糊—PID控制器

当系统的偏差信号大于某一设定值时，在控制过程中，开关接通，模糊控制器发挥控制作用，PID控制器的输入信号，即，对PID控制器产生较强的控制信号，系统的动态响应较快；而当偏差信号小于某一设定值时，模糊控制器通过开关断开，模糊控制器不发挥控制作用，这时，只有偏差信号进入PID控制器，由于此时系统的输出和给定值己经很接近，所以能很快地趋于给定值，消除稳态误差。这种结构的模糊控制器产生阶梯状的非线性控制信号作用于PID控制器，依靠调节PID输入信号的突然变化来提高动态响应速度，往往易造成PID控制作用的误调节。

3.2并联结构模糊—PID控制器

并联结构如图所示。它是将模糊控制器和PID控制器并联起来对系统进行控制，即有模糊和PID两种模态，其中模糊控制器采用常规模糊控制器，输入变量为偏差和偏差变化率，输出为，模糊控制规则采用形式，推理合成采用算法，去模糊化则采用系数加权平均法。这种模糊控制器本质上是PD型控制器，由于缺乏积分环节，系统有稳态误差，为此在偏差大于或等于某一设定值时，控制器切换为模糊控制器；当偏差小于某一设定值时，控制器切换至常规PID控制器，从而使得这种双模控制器具有响应快，稳态精度高的特点，应用性好。

由上述可知，在智能控制系统运行过程中，当进行生产和加工时，由于偏差和它的变化率均较大，因此起主要作用的是模糊控制器；只有当对产品进行精加工时，由于工件的偏差和它的变化率均很小，常规PID控制器起主要作用。模糊—PID控制器在生产和加工阶段保留了模糊控制器的快速性和稳定性的优点，同时在精加工阶段保留了常规PID控制器具有高精度的特性。由此，实现了从一种控制方式到另一种控制方式的平稳过渡，避免了一般控制器按某一设定值进行切换的弱点。又由于模糊—PID控制器算法简单、高效控制效果较好，各种动态性能指标参数能进行自行调整，可使智能控制系统达到更理想的控制效果。

参考文献：

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