模糊PID復合控制算法的有效改進

馬小雨

摘 要： 分析當前模糊PID復合控制算法的控制特性及不足，提出優化改進的算法，即基于梯形隸屬函數的模糊切換算法及仿人智能思想的在線調整算法，進而實現了自適應的模糊PID復合控制算法。通過實驗研究，得到優化改進的模糊PID復合控制算法。該算法具有較好的穩定性、動態性、無靜差等優點，其控制品質優于常規模糊PID復合控制算法，具有推廣應用的價值。

關鍵詞： PID； 模糊控制算法； 改進算法； 途徑

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0153?03

Abstract： The control characteristics and shortcomings of the current fuzzy and PID compound control algorithm are analyzed. The optimized and improved algorithm is proposed， which is based on the fuzzy switching algorithm with trapezoidal membership function and online adjustment algorithm with artificial intelligent thought to realize the adaptive fuzzy and PID compound control algorithm. The experimental study results show that the optimized and improved fuzzy and PID compound control algorithm has perfect stability and dynamics， and no static error. Its control quality is better than that of conventional fuzzy and PID compound control algorithm. The algorithm is worth popularizing and applying.

Keywords： PID； fuzzy control algorithm； improved algorithm； approach

0 引 言

模糊控制與PID控制屬于較常用的兩種不同控制方法，它們各有自己的特點。其中模糊控制的穩態精度較低，而PID控制也容易產生超調。長期以來，常規的符合控制往往由于不恰當選擇切換點，其量化因子與比例因子屬于一次性確定，并不能夠適應對象的大幅度變化，導致控制上存在缺陷，進而影響了控制效果。對此，可在線調整以上參數，提高模糊控制器的在線自適應性，從而彌補常規模糊控制中所存在的缺陷。本文則利用變論域思想設計在線調整量化因子及比例因子的智能調整機，擴大其應用。

1 PID控制算法與模糊控制算法

PID控制算法調節的實質是依據所輸入的偏差值，根據比例、微分及積分的函數關系來給予運算，并將所運算的結果應用到控制系統中，對位置型的PID算法給予更換。一般情況下，對控制算法要求較高的系統則往往采用位置型算法[1]。模糊控制算法則是利用計算機來完成人們用語言無法描述的控制活動，模糊控制有著較好的特性，并不需要事先知道對象的數學模型，具有較快的系統響應、較小的超調等特點。模糊控制器的基本構成如圖1所示。

2 模糊PID復合控制算法的優化改進

利用變論域思想，采用梯形隸屬函數的模糊切換算法，從而實現模糊PID符合控制。小偏差采用PID控制，進而消除穩態誤差；而大偏差則采用模糊控制，確保快速性及抑制超調。以上兩種控制方式的切換則是根據偏差的大小來進行：

已有研究表明：根據所控制的需求，使模糊控制器輸入及輸出論域，能夠在一定準則內不斷的變化，從而有效地控制性能[2]。量化因子與比例因子的取值均能夠引起論域的變化。如果可以實現在線調整以上參數，則可提高其品質。對于雙輸入及單輸出的模糊控制器，輸入為控制偏差e及其變化率為Δe。

綜合考慮到量化因子及比例因子對系統的影響，且兩者之間是相互制約的關系；對此，設計了仿人智能調整機。控制決策的制定可依據變論域的思想來得到：若控制偏差e較小時，系統則會越接近穩態，若適當減小Ke，可擴大論域，減弱控制作用，以免發生超調；控制偏差e較大時，可適當增加Ke，進而縮小論域，增強控制作用，消除誤差。

PCR芯片可實現快速分子生物學檢測的新技術，工作中特異性DNA片段擴增反應可在3段不同的溫度下進行，從而使得DNA量獲得指數型倍增。在反應過程中，需要對PCR芯片溫度的精確度及其均一性，控制升降速度。單純的PID控制及其模糊控制已難以滿足需求[3?4]，因此，需要采用模糊PID符合控制。通過制定以下分段控制策略：在升降溫的前期及中期，擁有較大的溫差時，可采用模糊控制，確保溫度的升降，最終減少超調。

根據制定的控制策略，并結合以上優化改進算法，從而制定自適應模糊PID復合控制器，實現兩者的結合。然后根據溫度偏差的大小，利用模糊切換來整合控制器的輸出，實現在線調整，其結構如圖2所示。

該模糊控制采用雙輸入二維增量型模糊控制器，所隸屬的函數選擇全對稱及全交疊的連續三角形，并利用推理的方法[5?6]，模糊控制規則如表1所示。根據應用經驗，從而確定量化因子及比例因子數，靈活調整控制器參數。

3 改進后控制算法的實驗研究

為了完成以上控制器在設計后的應用效果，特選取PCR芯片溫度控制系統來實現實驗研究。為了進一步驗證模糊切換的自適應模糊PID控制器，將其與普通的模糊控制器進行了比較，在線檢測到所使用的PCR芯片，其阻值為62.52 Ω，室內溫度為25.12 ℃，所設定的溫度為96.12 ℃，其曲線如圖3、圖4所示。

根據圖3可得到：常規控制器系統所響應的曲線可計算得到超調量為5，其上升時間約為5 s，而穩態誤差約為1.3 ℃。從整體上來看，系統的動態特性及其穩態性不符合要求。利用優化改進的模糊算法后，從圖4可得到該曲線可有效抑制系統的超調，其上升時間約為20 s，調節時間僅僅為20 s，穩定誤差在0.5 ℃。通過以上敘述可知，優化改進的算法與常規模糊算法相比較，可在一定程度上改善系統的動態性能，提高系統的控制精度。若將工作狀態設定在80 ℃時，該系統進入到穩定的工作狀態后，利用風扇給芯片進行吹風，人為地加入了干擾信號，其系統的控制響應曲線可得到優化改進后的模糊PID控制可有效抑制外界的隨機干擾，并在最短的時間內進入到穩定工作點，有著較強的在線自適應能力。

4 結 語

綜上所述，改進后的自適應模糊PID復合控制算法有著較好的動態性能和穩態性能，且控制器有著較強的魯棒性，在一定程度上最大限度提高控制器的抗干擾能力，可有效應用到控制系統中。通過上述實驗的研究，有效地驗證了以上結果。因此，在今后的應用中，可將自適應模糊PID復合控制算法用于實踐中，提高控制器的水平。

參考文獻

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