新型控制策略

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)PID控制在壓力波動(dòng)時(shí)的控制不足，本文提出將PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來引入到恒壓供水的控制系統(tǒng)，形成一種新型的恒壓供水控制策略。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制PID控制

0 引言

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，與此同時(shí)用戶對(duì)供水系統(tǒng)可靠性和供水質(zhì)量的要求也越來越高；另外，資源的緊缺和人們環(huán)保意識(shí)的增加，如何把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求，因此無論是在性能方面考慮還是在節(jié)能方面考慮，供水系統(tǒng)都需要巨大的變革。

1 傳統(tǒng)控制策略

由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有典型的大延遲性、非線性，而且城市用水具有季節(jié)性、時(shí)間性、水壓擾動(dòng)量大等特點(diǎn)。因此，雖然統(tǒng)治工業(yè)控制領(lǐng)域多年的傳統(tǒng)PID控制有很多優(yōu)點(diǎn)并且長期應(yīng)用于供水系統(tǒng)，但是其固定參數(shù)模式致使其不適宜應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)。由于PID控制擁有很多較好的優(yōu)點(diǎn)，諸如：原理簡單，使用方便，適應(yīng)強(qiáng)，魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此在工業(yè)控制中人們往往還是會(huì)想到PID控制。根據(jù)被控對(duì)象的不同制定合適的KP、KI、KD參數(shù)，可以獲得滿意的控制效果。然而，PID控制并非盡如人意，因?yàn)镻ID控制適合系統(tǒng)模型非時(shí)變的情況。對(duì)于一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，由于PID的參數(shù)不會(huì)隨系統(tǒng)變化而動(dòng)態(tài)的調(diào)整KP、KI、KD參數(shù)，這樣會(huì)使控制作用變差，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)PID控制相比，模糊控制具有很多優(yōu)點(diǎn)。模糊控制是建立在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的一種智能控制技術(shù)，可以達(dá)到傳統(tǒng)控制策略無法達(dá)到的效果。模糊控制能較好得跟隨系統(tǒng)狀態(tài)的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整自身控制參數(shù)，不需要建立精確的控制對(duì)象模型，因而在實(shí)際上的應(yīng)用越來越廣泛。

但是作為一門較為新型的控制科學(xué)，還沒有系統(tǒng)的方法來指導(dǎo)設(shè)計(jì)參數(shù)精良的模糊控制器。模糊控制器控制規(guī)則的確定以及其可調(diào)節(jié)性是對(duì)其控制效果影響最大的一方面。尤其是控制規(guī)則的合理制定是模糊控制中的重要部分。目前存在的主要問題是在建立模糊控制規(guī)則時(shí)要考慮若干參數(shù)的選擇是否合適，恰當(dāng)?shù)倪x擇參數(shù)是非常重要的。如在供水系統(tǒng)的水壓控制中，系統(tǒng)誤差和誤差變化率的動(dòng)態(tài)范圍需要反復(fù)多次整定以滿足控制需要。

盡管模糊推理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（隸屬度函數(shù)及模糊規(guī)則的建立）不主要依靠對(duì)象的模型，但是它卻相當(dāng)依靠專家或操作人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。若缺乏這樣的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，則很難期望它能夠得到滿意的控制效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)很好的彌補(bǔ)了這一缺陷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是其自學(xué)習(xí)功能，將這種自學(xué)習(xí)的方法應(yīng)用于對(duì)模糊特征的分析與建模上，產(chǎn)生了自適應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這種自適應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)于模糊系統(tǒng)的模型建立是非常有效的工具。而自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)就是基于數(shù)據(jù)的建模方法，該系統(tǒng)中的模糊隸屬度函數(shù)及模糊規(guī)則是通過對(duì)大量已知數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)得到的，而不是基于經(jīng)驗(yàn)或直覺任意給定的，這對(duì)于那些特性還不被人們所完全了解或者特性非常復(fù)雜的系統(tǒng)尤為重要。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以與模糊控制相結(jié)合組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制，兩者各有所長，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過給定的經(jīng)驗(yàn)集學(xué)習(xí)并生成映射規(guī)則，但其規(guī)則不可見；模糊控制制定的規(guī)則雖然可見，但是其自學(xué)習(xí)能力欠缺，導(dǎo)致其規(guī)則的動(dòng)態(tài)調(diào)整不足。因此有必要將上述兩點(diǎn)結(jié)合。

2 新型控制策略

由于供水系統(tǒng)的非線性、大慣性及純滯后性等特點(diǎn)，很顯然單純依靠PID、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制都不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果。因此可以考慮應(yīng)用一種綜合的控制策略以實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的良好控制。基于此本文提出了一種新型控制策略——神經(jīng)模糊PID控制算法，該算法可以綜合以上各算法的優(yōu)點(diǎn)，它不僅具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的自學(xué)習(xí)自組織能力，還具有模糊控制的魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，另外還擁有PID控制的實(shí)現(xiàn)簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于以往的算法。

如圖顯示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)框圖，該控制器是由三部分組成：

①神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器：控制模糊規(guī)則的動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，使模糊規(guī)則的生成轉(zhuǎn)變?yōu)榧訖?quán)系數(shù)的確定和調(diào)節(jié)。根據(jù)供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，使供水系統(tǒng)最終達(dá)到最優(yōu)控制。

②模糊控制器：對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出變量進(jìn)行模糊化和歸一化運(yùn)算。這些運(yùn)算的意義是鑒于模糊控制的強(qiáng)魯棒性和非線性控制作用，對(duì)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊規(guī)則進(jìn)行預(yù)處理，避免了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用sigmoid激活函數(shù)時(shí)，由于輸入過大而導(dǎo)致輸出飽和。

③傳統(tǒng)PID控制器：直接對(duì)供水系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行閉環(huán)控制，并且三個(gè)參數(shù)KP、KI、KD實(shí)行在線調(diào)節(jié)，使控制作用時(shí)刻跟蹤系統(tǒng)的變化。

以上過程簡要說來就是使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)與PID控制器的KP、KI、KD參數(shù)相對(duì)應(yīng)，這樣可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)加權(quán)系數(shù)調(diào)整，進(jìn)而使其穩(wěn)定狀態(tài)與PID的最優(yōu)控制相對(duì)應(yīng)，最終利用PID控制器的輸出u來實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的水壓的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉萍麗.交流變頻恒壓供水控制器的設(shè)計(jì).大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005.

[2]謝靜，韋力.新型恒壓供水系統(tǒng)[J].應(yīng)用能源技術(shù)，11，2010：42-45.

作者簡介：

謝靜（1968-），女，陜西省咸陽市人，講師，碩士，研究方向：電工電子、控制工程理論及應(yīng)用

趙瑞林（1976-），男，陜西省寶雞人，講師，碩士，主要從事控制理論及控制工程研究。

基金項(xiàng)目：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2011年院級(jí)科研課題，項(xiàng)目名稱：基于神經(jīng)模糊PID混合控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，項(xiàng)目編號(hào)：ZK11-09