２０１７年第２期 ＮＯ．２。２Ｏ１７ 九江学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｊｉｕｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ｎａｔｕｒａｌ ｓｃｉｅｎｃｅｓ）（总第１１７期） （Ｓｕｍ Ｎｏ．１１７） 模糊自适应ＰＩＤ控制器的设计 李志杰 （湄洲湾职业技术学院自动化工程系 福建湄洲 ３５１２５４） 摘要：单纯的常规ＰＩＤ控制和模糊控制对于复杂的系统控制效果较差。文章针对这一 问题，设计了一款自适应模糊ＰＩＤ控制器，将模糊技术与ＰＩＤ控制相结合，使用了自适 应模糊ＰＩＤ模糊算法，实现了参数的在线整定。 关键词：自适应，模糊控制，ＰＩＤ 中图分类号：ＴＰ ２７３．４ 文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－－９５４５（２０１７）０２－－００２４－－（ｏ４） １模糊自适应ＰＩＤ控制原理 常见系统控制策略的分析可以得出，ＰＩＤ控 制虽然易于控制，但是会产生较大的超调量和较 的变化率ＥＣ作为模糊系统的输入，三个ＰＩＤ参 数Ｋ。、ＫＩ和Ｋ 的变化值作为输出，根据事先确 定好的模糊控制规则作出模糊推理的参数校正， 在线改变ＰＩＤ参数的值，从而实现ＰＩＤ参数的自 适应 。 长的过渡时间。而模糊控制若采用误差和误差变 化率作为输入时，即相当于一个ＰＤ控制器。这 一类模糊控制器虽然有着优良的动态性能，但是 ２模糊自适应ＰＩＤ控制器设计 会存在一定的静态误差ｎ］。 文章采用将ＰＩＤ控制技术与模糊控制技术相 从理论上讲，高维度的模糊控制模型有利于 增加系统的控制精度，然后高维度会造成控制规 则的过于复杂，导致控制算法难以实现等一系列 问题，文章综合分析电烘箱控温干燥木材的控制 特性，采用目前广泛应用的二位模糊控制器作为 基于模糊ＰＩＤ的电烘箱温度控制系统的控制器Ⅱ］。 结合的方式，取长补短，探讨一种基于模糊控制 和ＰＩＤ控制相结合的参数模糊自适应ＰＩＤ控制算 法。 参数模糊自适应ＰＩＤ控制系统能在控制过程 中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进 行检测分析，应用模糊推理控制的方式使ＰＩＤ三 个参数Ｋ 、Ｋｉ和Ｋ 实现在线自适应 ］。该控制 系统的结构如图ｌ所示。 （１）确定系统的输入输出变量。由图１关于 模糊自适应ＰＩＤ控制系统设计可知，电烘箱温度 控制系统的核心控制项目——温控控制，依然是 由ＰＩＤ控制器接管，而ＰＩＤ控制参数的调整部分 则由模糊控制器进行自适应调整。依据基于模糊 ＰＩＤ的电烘箱温度控制系统控制特性，文章选取 温度误差ｅ和温度误差变化率ｅｃ作为模糊控制器 的输入量，ＰＩＤ控制参数的的变化量△Ｋ 、△Ｋ 、 图１模糊自适应ＰＩＤ控制系统 △Ｋ 作为模糊控制器的输出量。 （２）定义模糊子集以及量化因子和比例因子。 文章依据上述分析，定义模糊控制器输入量温度 误差Ｅ和温度温差变化量ＥＣ、输出控制量△Ｋ 、 分析图１可知，基于模糊自适应ＰＩＤ控制系 统可分为ＰＩＤ控制器控温部分和模糊控制器调参 部分。模糊控制器调参部分中，将偏差Ｅ和偏差 收稿日期：２０１７—１—８ 通讯作者：李志杰（１９８３一），男，讲师，研究方向为自动控制和电力系统。Ｅｍａｉｌ：６８７０６４０９＠ｑｑ．ｃｏｍ。 第２期 李志杰：模糊自适应ＰＩＤ控制器的设计 ・ ２５ ・ △Ｋ 、△Ｋ 的模糊子集为： ｛ＮＢ（负大），ＮＭ（负中），ＮＳ （负小），ＺＥ （零），ＰＳ（正小），ＰＭ（正中），ＰＢ （正大））定 控制系统的核心控制算法是通过检测各个节点的 温度误差Ｅ和温度温差变化量ＥＣ，在依据模糊控 制原理对ＰＩＤ控制参数进行在线修正。图２为电 义温度误差Ｅ和温度温差变化量ＥＣ、 输出控制量 烘箱系统输出响应曲线。 △Ｋ，、ＡＫ 、ＡＫ 的模糊论域为： ｛一６，一５，一４，一３，一２，一１，０，１，２， ｛ＩＩＩ） ３，４，５，６｝ 由于文章研究的设定温度变化实际范围为 ［一６Ｏ℃，＋６Ｏ℃］，△Ｋ 的基本论域为［一０．６， ０．６３、△Ｋ 的基本论域为［一０．０１２，０．ｏ１２３、△Ｋ 的基本论域［一１．２，１．２３，所以温度误差Ｅ和温 度温差变化量ＥＣ相应的量化因子为６／６０—０．１， 图２ 电烘箱系统输出响应曲线 ６／ｌｏ—Ｏ．６，输出控制量△Ｋ 、△Ｋ 、△Ｋ 相应的 电烘箱温度控制在第｛Ｉ）阶段时，由于偏侧 比例因子为０．６／６—０．１，０．０１２／６—０．００２，１．２／６ ｅ在很短的时间内瞬间变大，容易引起微分过饱 —０．２。 和，使得系统控制超出可控范围，所以应当采用 （３）确定隶属函数。语言变量论域上的模糊 较大的Ｋ。和较小的Ｋ ；同时，为了去除系统控 子集由隶属函数来描述，隶属函数可分为线性和 制产生的积分作用，减小系统超调，可加工积分 非线性两种，常见的隶属函数主要有三角型、高 控制Ｋ 取零。 斯型以及梯形，隶属函数的形状对控制效果影响 电烘箱温度控制在第｛ＩＩ）阶段时，为了使控 很大。 制系统有较好的响应速度和较小的系统超调，可 文章综合分析电烘箱温度控制系统特点，把 将比例控制Ｋ。值取得减小，但需要保证Ｋｉ值和 握针对大系统误差，采用低分辨率模糊集合，小 Ｋａ值大小适中。 系统误差，采用高分辨率模糊集合的隶属函数选 电烘箱温度控制在曲线第｛ＩＩＩ）阶段时，为 择原则，确定选择三角形隶属函数（１）。 提升系统的抗干扰性能，防止出现不必要的震荡， ｆｌ 二旦 一 ａ ｘ ０≤＜ ＜ｂ 微分控制Ｋ 值需要取得时钟，同时当误差变化率 Ｍ（ｚ）：ｊ （１） ｅｃ较小时，微分控制Ｋ 值适当增大；反之，则将 Ｉｌ ￡，一Ｃ ｂ≤ｚ＜ｃ Ｋ 适当减小。 （４）建立温度模糊控制规则表。模糊自适应ＰＩＤ 根据上述的ＰＩＤ调节规律，结合本设计中实 际电烘箱温度对象的控制特点，建立了如下关于 ＰＩＤ控制三个参数的控制规则表，如表１、表２和 表３所示。 表ｌ △Ｋ，的模糊规则控制表 ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＳ ＮＢ ＮＢ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＳ Ｚ０ ＰＳ ＮＭ ＮＳ ＮＳ Ｚ０ Ｚ０ ＮＭ ＮＳ Ｚ０ ＰＳ ＮＳ Ｚ０ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＭ Ｚ０ ＰＳ ＰＭ ＰＭ ＰＢ ・ ２６ ・ 九江学院学报（自然科学版） ２０１７年第２期 ６ ６ （５）模糊推理模糊决策及解模糊。由上文分 析，文章采用Ｍａｍｄａｎｉ推理方法进行推理（极大 ∑ｋ Ｕ一旦－｝一 （２） 极小值法），针对ＰＩＤ三个控制参数变量各自可以 输出一个模糊集合。由于ＰＩＤ控制器只能对确定 ∑ｋ Ｊ一１ 量做出反应，所以文章选择加权平均法对模糊量 进行解模糊，如式（２）所示： 根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模 糊控制模型，应用模糊合成推理设计参数的模糊 矩阵表，如表４、表５和表６所示。 表４ ＡＫ 的模糊矩阵表 一６ ５ ４ ６ ６ ６ ５ ４ ３ ６ ６ ６ ５ ４ ３ ５ ５ ５ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ３ ３ ３ ３ ３ ３ ２ ０ —４ ４ ３ ３ ２ Ｏ 一一３ ３ ２ Ｏ ２ ２ Ｏ ２ ０ 一０ ０ 一—２ ０ ——３ ２ ５ ４ ３ ４ ４ ３ ３ ３ ２ ２ ２ Ｏ １ ｌ ３ ３ ３ ３ ３ ４ —ｌ ３ ３ —１ １ ３ ３ ３ —一一—１ Ｏ １ ２ ２ ２ ３ ３ ３ ３ —３ ３ ３ ——３ ３ ３ ３ ３ ２ ２ Ｏ —～３ ２ ０ 一２ Ｏ １ １ １ ————３ ３ ３ ４ ６ ５ ６ １ ２ ３ ４ ５ ６ ～１ ———～——３ ２ Ｏ ３ ２ ０ —２ ３ ３ ３ ３ —２ ３ ———３ ３ ３ ４ ——１ ２ ２ ２ —１ ３ ３ ３ ————３ ３ ４ ——～ｌ ｌ ２ ———３ ３ ——４ —１ １ 一ｌ —２ ——————４ ５ ～一一—～～—３ ——４ —６ ——第２期 李志杰：模糊自适应ＰＩＤ控制器的设计 ．２７． 查出修正参数代入下式计算： Ｋｐ—Ｋｐｏ＋｛Ｅ，ＥＣ）ｐ ３结论 文章将模糊技术与常规ＰＩＤ控制相结合，使 用了模糊自适应整定ＰＩＤ模糊算法，实现了参数 的在线整定。与常规ＰＩＤ控制相比，模糊自适应 Ｋ ＝Ｋｆａ＋（Ｅ， ） Ｋ —Ｋ ＋｛Ｅ，ＥＣ）ｄ 在线运算时，系统通过对规则的结果处理查 表和运算，完成对ＰＩＤ参数的在线自适应。 ＰＩＤ控制能够根据系统响应实时地自动调整ＰＩＤ 参数，实用性较好具有一定的应用价值。 参考文献： ［１］白志刚．．自动调节系统解析与ＰＩＤ整定ＥＭ］．北京：化学工业出版社，２０１４．３８． ［２］黄卫华．模糊控制系统及其应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１２．１２３． （责任编辑宁梵西）
