恒壓供水模糊自適應PID控制器的設計、仿真

摘 要：對遺傳算法和傳統PID控制作簡要的介紹，針對工程整定方法整定的初始值超調量較大，調節時間較長的問題，利用遺傳算法對其初值進行整定。利用遺傳算法整定出的一組性能較優良的PID初值，結合模糊控制的思想，利用專家系統直接建立模糊規則，進行模糊自適應PID控制器的初步設計，并對恒壓供水系統進行仿真，仿真結果滿足設計要求。

關鍵詞：模糊控制；PID控制器；恒壓供水；Matlab

中圖分類號： TP312 文獻標識碼：A

1 引 言

目前恒壓供水技術在農業、工業和民用供水系統中已廣泛使用，由于系統的負荷變化的不確定性，采用傳統的PID算法實現壓力控制的動態特性指標很難收到理想的效果。在大多數恒壓供水系統中采用傳統意義的PID調節器，系統的動態特性指標總是不穩定，通過實際應用中的對比發現應用模糊控制理論形成的控制方案在恒壓供水系統中有較好的效果。本方案在常規PID控制器基礎上引入模糊控制器，實現被控制對象參數變化在一定范圍內模糊PID控制，使恒壓供水系統動態靜態性能指標保持最優。

2 模糊控制的結構與原理

模糊控制系統是以模糊集理論，模糊語言變量和模糊邏輯推理為理論基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有閉環結構的數字控制系統，它從行為上模仿人的模糊推理和決策過程，它的組成核心是具有智能性的模糊控制器［1］。模糊邏輯控制的實質是利用模糊邏輯建立一種“自由模型”的非線性控制算法，在那些采用傳統定量技術分析過程過于復雜的過程，或者提供的信息是定性的、非精確的、非確定的系統中，其控制效果是相當明顯的。

模糊控制的基本原理框圖如圖1所示［3］。它的核心部分為模糊控制器，如圖1中點劃線框中所示，模糊控制器的控制規律由計算機的程序實現。實現一步模糊控制算法的過程描述如下：微機經中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E，一般選誤差信號作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可用相應的模糊語言表示，得到模糊語言集合的一個子集e（e是一個模糊矢量），再由e和模糊關系R根據推理的合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量u。模糊控制器通常由模糊化接口、推理機、知識庫和解模糊等四部分組成。

由圖1可知，模糊控制系統與通常的計算機數字控制系統的主要差別是采用了模糊控制器。模糊控制器是模糊可控制的核心，一個模糊控制系統性能的優劣，主要取決于模糊控制器的結構、所采用的模糊規則、合成推理算法及模糊決策的方法等因素。

3 模糊自適應PID控制器的結構與原理

在工業生產過程中，許多被控對象受負載變化或干擾因素影響，其對象特性參數或結構易發生改變。自適應控制運用現代控制理論在線辨識對象特性參數，實時改變其控制策略，使控制系統品質指標保持在最佳范圍內，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復雜系統是非常困難的。因此，在工業生產過程中，大量采用的仍然是PID算法。PID參數的整定方法很多，但大多數都以對象特性為基礎。

隨著計算機技術的發展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調整經驗作為知識存入計算機中，根據現場實際情況，計算機能自動調整PID參數，這樣就出現了專家PID控制器。該控制器把古典的PID控制與先進的專家系統相結合，實現系統的最佳控制。這種控制方法必須精確地確定對象模型，將操作人員(專家)長期實踐積累的經驗知識用控制規則模型化，并運用推理對PID參數實現最佳調整。

由于操作者經驗不易精確描述，控制過程中各種信號量及評價指標不易定量表示，專家PID方法受到局限。模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運用模糊數學的基本理論和方法，把規則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則及有關信息(如評價指標、初始PID參數等)作為知識存人計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況(即專家系統的輸入條件)，運用模糊推理，即可自動實現對PID參數的最佳調整，這就是模糊自適應PID控制。模糊自適應PD控制器目前有多種結構形式，但其工作原理基本一致。

參數自整定模糊PID控制系統如圖2所示。模糊自調整PID控制在PID算法的基礎上，通過計算當前系統偏差和偏差變化，用模糊推理的方法對PID參數kp，ki，kd進行在線自整定，查詢模糊矩陣表對PID控制器參數進行調整。模糊規則根據人們實際經驗而獲得。模糊自調整PID控制基本設計思想是將模糊決策理論與PID控制結合起來，發揮兩者的優點，其響應特性優于數字PID控制［4，5］，對于非線性和時變性的被控對象，可得到較滿意的控制效果。