智能PID控制綜述

摘 要：在復雜工業控制系統中應用傳統PID控制存在一定的局限性，在這種情況下，科技人員以傳統PID控制為核心，應用智能控制技術，研制了智能PID控制器，從而有效改善傳統PID控制器的特性，提高系統的控制效果。本文主要介紹了專家PID控制、模糊PID控制、神經網絡PID控制和智能PID自學習控制等目前常見的幾種智能PID控制器。

關鍵詞：數字PID；超調控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 24-0000-01

PID控制因其具有結構簡單、穩定性好、可靠性高等優點，而被廣泛應用在工業控制領域。但是，現代的工業控制過程中，許多被控對象機理復雜，具有嚴重的非線性、時變不確定性和純滯后性，采用傳統PID控制不能達到理想的控制效果，這種情況下，智能PID控制應運而生。

一、傳統PID控制

（一）控制原理

PID控制規律是比例（P）、積分（I）和微分（D）控制，根據系統的產生誤差，利用比例（P）、積分（I）和微分（D）算法，計算出控制調節量進行控制的。

（二）PID控制的特點

1.比例（P）控制

比例（P）控制是最基本、也是最簡單的控制方式，控制器的輸出信號成比例反映輸入信號。只要系統有誤差，控制器就會起控制作用，減小系統的穩態誤差。比例系數KP決定比例控制的強弱，增大KP能提高系統開環增益，提高系統的控制精度，但是KP過大，又會降低系統的相對穩定性，甚至導致閉環系統不穩定。

2.積分（I）控制

積分（I）控制的輸出與輸入誤差的積分成正比關系。對于有差系統，要消除穩態誤差，就必須在控制器中加入積分項，積分項隨著時間的增加而加大，使系統的穩態誤差進一步減小，直到為0，消除穩態誤差。通常，積分（I）控制的主要作用使系統沒有穩態誤差，但是積分作用會產生相位滯后，因此如果積分作用太強，會使被控系統的穩定性變差。

3.微分（D）控制

微分（D）控制的輸出與輸入誤差的微分成正比關系。微分（D）控制能夠反映誤差的變化率，只要系統有誤差，而且誤差隨時間變化時，控制器對誤差進行微分，提前抑制誤差，避免被控系統產生過大的超調量。但是對于無變化或是變化緩慢的控制對象，微分（D）控制不起作用。

由于比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制都有優缺點，因此，在工業控制系統中，多采用組合控制—PI、PD或是PID控制?？刂破鞲鶕豢貙ο蟮奶匦裕{整PID的三個參數，使系統達到滿意的控制效果。

（三）控制算法介紹

計算機PID控制系統中使用數字PID控制器。目前經常使用的有位置式PID控制算法、增量式PID控制算法。（1）位置式PID控制算法。該算法的優點是原理簡單、使用方便；不足是對e（k）的累加增大了計算機的存儲量和運算的工作量；u（k）的直接輸出易造成執行機構的大幅度變化。（2）增量式PID控制算法。該算法的優點是：只計算增量，計算精度對控制量的影響較?。徊粚ζ罾奂?，不易引起積分飽和；得出的是控制量的增量，誤動作影響??；易于實現手動到自動的無沖擊切換。缺點是有靜態誤差、積分截斷效應大、溢出影響大。

二、智能PID控制

傳統PID控制算法簡單，調整參數方便，且具有一定的控制精度，所以在生產實際中，有95%以上的工業控制使用PID控制。但是，隨著工業控制系統的越來越復雜，傳統PID控制器的弊端也越來越明顯。比如，傳統PID控制只有用在時不變系統時，才能達到滿意的效果；對于非線性或是不確定性系統，則可能致使系統性能變差甚至造成系統的不穩定。因此，工程技術人員在使用傳統PID控制的同時，也對其進行了多種改進，其中，智能PID控制器就是眾多控制系統中較為典型的新一代控制器。

智能PID控制是以傳統PID控制為核心，應用智能控制技術研發的新型控制器。具備兩者的優點，既具有傳統PID控制器結構簡單、可靠性高和整定方便的特點，又具備智能控制系統自學習、自適應、自組織的功能，能夠在線調增PID控制器的三個參數，以適應過程參數變化。

智能PID控制根據智能技術的類別主要分為三類：專家PID控制、模糊PID控制、神經網絡PID控制。下面主要介紹一下幾種智能PID控制器的特點。

（一）專家PID控制

專家PID控制的實質是通過人工智能技術組織和利用被控對象和傳統PID控制規律的專家知識，求得被控系統盡可能的實用化和優化。專家PID控制采用傳統PID控制形式，根據專家知識和經驗，在線調整PID三個參數，使響應曲線達到某種最佳響應曲線。專家PID控制具有良好的控制特性，能應付控制過程中出現的不確定性。但是，專家PID控制，進行實時自適應控制的依據是專家知識或是大量經驗。因此，獲取專家知識和總結實驗經驗尤為重要，是設計控制器的重點也是難點。

（二）模糊PID控制

模糊PID控制器優點是不需要被控對象的數學模型，而是依據現有的控制系統知識，運用模糊控制方法建立控制決策表，由該表決定控制量的大小。模糊PID控制既具備模糊控制靈活和適應性強的特點，又具備傳統PID控制器結構簡單、精度高的優點。模糊PID控制系統的控制效果在于如何建立模糊控制器規則和確保模糊關系的真實性，但是建立模糊規則通常帶有主觀性，這就一定會影響到系統的動態特性，因此，一些學者在模糊控制器設計中增加自學習的功能，使系統能夠自我完善。

（三）神經網絡PID控制

基于神經網絡的PID控制與模糊PID控制和專家PID控制不同，是直接利用神經網絡作為控制器。神經網絡作為在線估計器，控制信號由常規控制器發出。首先，神經網絡通過學習算法進行離線學習，然后介入控制系統，間接地調整PID參數，給出最佳控制規律下的PID控制器的參數，同時，繼續自學習，根據受控對象不斷變化調整神經網絡的權系數，獲得最理想的控制效果。

不論是何種智能控制PID控制方式都是基于傳統PID控制基本原理，將智能控制技術與傳統PID控制結合，直接或間接地動態整定PID參數，使控制達到更優的效果。

三、結束語

智能控制理論研究的深入，必將帶動智能PID控制器的研發，從而完善PID控制性能，提高控制效果。

參考文獻：

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