水浴溫控系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID研究與應(yīng)用

唐昌明+王文標(biāo)+鄒陽陽+李傳金

摘 要：針對常規(guī)PID控制器對水浴溫控系統(tǒng)存在處理滯后和快速性難以同時保證，抗干擾能力、適用性差等問題，在常規(guī)PID控制器基礎(chǔ)上對其比例-積分-微分項引入模糊環(huán)節(jié)，形成參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器。通過分析水浴溫控系統(tǒng)的特性得到對積分-微分項的改進(jìn)及量化因子的優(yōu)化方法；在應(yīng)用中證明了參數(shù)自適應(yīng)模糊PID不僅具有不完全微分PID輸出穩(wěn)定、抗干擾能力強的特性，還同時提高了系統(tǒng)控制效率及適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：PID；抗干擾；模糊自適應(yīng)；量化因子的優(yōu)化

引言

水浴溫控系統(tǒng)具有不對稱、大滯后等特點，常規(guī)的PID無法做到在線的實時調(diào)整，仿真效果良好但實際應(yīng)用中具有較大的挑戰(zhàn)，很難得到良好的控制效果。隨著模糊理論逐漸的成熟，建立模糊庫進(jìn)行實時的模糊推理進(jìn)而對常規(guī)PID進(jìn)行實時的在線調(diào)節(jié)，形成模糊PID系統(tǒng)，在保證了原有PID系統(tǒng)較高魯棒性等優(yōu)勢的同時，調(diào)節(jié)靈活、實用性強，具有更好的精度和適應(yīng)性。一般常見的模糊PID系統(tǒng)分成三大類：增益調(diào)整型、直接控制量調(diào)節(jié)型、混合型（傳統(tǒng)與模糊結(jié)合或增益與直接型結(jié)合），文章采用增益調(diào)整型的模糊PID系統(tǒng)[1-4]，能夠更便捷的針對性的解決水浴溫控系統(tǒng)的問題。通過OPC通訊接口以上位機為媒介實現(xiàn)與控制器的直接結(jié)合可以更好的驗證和修改模糊推理和量化因子自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程。

1 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)

1.1 PID控制系統(tǒng)

1.2 模糊控制系統(tǒng)

1.2.1 模糊化

針對于水浴溫控系統(tǒng)選用不對稱的？駐ki的隸屬函數(shù)，以便在前期能夠獲得更大的積分動力，加快前期的效率，中后期對？駐ki進(jìn)行大幅縮減甚至是反向幫助微分同時抑制前期加強造成的更大的超調(diào)，這也是后期量化因子優(yōu)化要考慮的地方。

1.2.2 模糊控制規(guī)則庫建立

參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器就是找出在不同時刻PID三個參數(shù)與e（k）和？駐e（k）之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e（k）和？駐e（k），根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)行實時修改，以滿足不同e（k）和？駐e（k）對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能[5]。

（1）當(dāng)偏差e（k）較大時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的kp值，同時為了避免由開始時偏差e（k）的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的kd；同時針對于水浴溫控系統(tǒng)為了使系統(tǒng)響應(yīng)更快，刻意產(chǎn)生積分飽和，積分作用較大。

（2）當(dāng)e（k）和？駐e（k）處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，kp值相對前期的較大出現(xiàn)減弱趨勢，ki的取值為防止超調(diào)從最初的飽和回到初始給定或者更小，這種情況kd取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，取值要大小適中，保證響應(yīng)速度。

（3）當(dāng)e（k）較小即接近于設(shè)定值時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能相對于中等誤差時應(yīng)增加kp的取值，本應(yīng)該也相應(yīng)增加ki值但為防止前期飽和造成的動力過足只稍微回調(diào)ki值，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，一般是當(dāng)？駐e（k）較小時， kd可取大一些；當(dāng)？駐e（k）較大時， kd應(yīng)取小一些。

（4）偏差變化量？駐e（k）的大小表明偏差變化速率，？駐e（k）值越大，kp的取值越小，ki取值越大[6]。

考慮到被控對象的遲滯性以及在通過實驗的總結(jié)對規(guī)則進(jìn)行修改，最終形成控制規(guī)則表（表1、表2、表3）：

1.3 量化、比例因子確定及優(yōu)化

2 實驗結(jié)果與分析改進(jìn)

根據(jù)PID參數(shù)的整定方法Ziegler-Nichols[8]的方法整定出的結(jié)果和多次實驗的調(diào)整選擇較為理想的kp、ki、kd參數(shù)作為常規(guī)調(diào)節(jié)的參數(shù)，并且也作為自調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行對比實驗，參數(shù)

加入模糊在同等初始條件和階躍下的效果圖如圖6所示。

結(jié)果分析：圖5和圖6的輸出量波動均在0.3左右可以加入死區(qū)限制，控制時間圖5不完全微分PID在23分鐘進(jìn)入基本穩(wěn)定，33分鐘完全穩(wěn)定，改為圖6的不完全微分模糊自適應(yīng)PID后改善到6-7分鐘完全穩(wěn)定，同時滿足對低頻干擾的不敏感性。結(jié)果證明了增加參數(shù)自適應(yīng)的模糊不完全微分PID控制器比之傳統(tǒng)的PID具有更好的抗干擾能力，面對時滯不對稱系統(tǒng)建立的模糊規(guī)則具有更好的專家性、適用性。

3 結(jié)束語

水浴溫控系統(tǒng)特性復(fù)雜有別于一般的無滯后對稱系統(tǒng)。需要更加有針對性的控制系統(tǒng)，文章將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，取長補短，既具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有 PID控制精度高的特點，同時借鑒專家經(jīng)驗、系統(tǒng)特性，以及不完全微分等成功算法完善完成模糊規(guī)則庫的建立優(yōu)化，通過在線自調(diào)整控制參數(shù)，有效地處理控制系統(tǒng)的時滯、不對稱與不確定性，提高系統(tǒng)的控制性能，并使其具有較好的魯棒性能?，F(xiàn)階段對象單一，需要更多的實驗應(yīng)用建立起對規(guī)則庫的自調(diào)節(jié)功能，以便更好的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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