PID控制參數在線自整定方法綜述

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 黎殿來 董士崔 宋向華

PID控制參數在線自整定方法綜述

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 黎殿來 董士崔 宋向華

本文介紹了幾種常見的PID控制參數在線自整定方法，分析其各自特點，并對PID控制參數在線自整定方法的發展趨勢進行介紹。

PID控制；自整定；智能控制；復合控制

1　前言

常規PID控制方法應用于噪聲和負載復雜的工業生產環境中，過程參數過于依賴對象數學模型，不能實現在線整定，無法滿足穩定、快速控制的要求。PID控制參數在線自整定方法具有自學習、自適應、自組織的能力，能夠在線整定PID模型參數，以適應對象模型參數的不斷變化。下面介紹幾種PID控制參數在線自整定方法。

2　專家PID控制方法

專家PID控制方法的實質是利用受控對象及控制規律的各種經驗知識，設計PID參數可調的控制器。專家PID控制方法的原理框圖如圖1所示。專家PID控制方法的設計思路是根據受控對象的經驗總結和專家知識，選取能夠反映被控對象特征的特征參數存入專家知識庫中；然后在控制過程中實時采集各測量值或者計算各參數值，存入數據庫中；利用這些測試值或者參數值，結合專家知識庫中的經驗規律，根據某種邏輯推理機制，得出PID控制器的參數或者參數變化量，不斷迭代計算，從而得到滿意的控制結果。

圖1　專家PID控制方法原理框圖

專家PID控制方法實際上是依據預先設定好的參數值來判斷受控對象的當前情況，再根據專家經驗整定PID參數的。預先設定的參數值通常來源于經驗知識，如果這些經驗值設定不合理，則無法得到期望的控制結果。

3　模糊PID控制方法

模糊PID控制方法將操作人員或專家的整定經驗和技術知識總結成為模糊規則模型，運用模糊推理實現PID參數的自整定。模糊PID控制方法原理框圖如圖2所示。模糊PID控制方法過程是，運用模糊數學的基礎理論和方法，把規則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則以及有關信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，自動實現對PID參數的最佳調整。

圖2　模糊PID控制方法原理框圖

模糊PID控制方法以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的要求，利用模糊控制規則實時對PID參數進行修改[7]。

模糊PID控制方法中專家經驗的提取比較困難，并且控制過程不具備自學習能力，過程變量的隸屬度函數選取的好壞對系統影響較大。

4　神經網絡PID控制方法

神經網絡PID控制方法就是將神經網絡理論應用于PID控制中。神經網絡PID控制方法原理框圖如圖3所示。基于神經網絡的PID控制方法通過BPNN網絡神經的在線估計與自學習功能，可以實時調整訓練輸出層神經元輸出參數所對應的PID控制器的三個控制參數，從而實現受控對象的有效控制[8]。

圖3　神經網絡PID控制方法原理框圖

神經網絡PID控制方法可以任意非線性逼近而且調節過程不依賴于系統模型等特點，適用于非線性不確定系統的控制。神經網絡PID控制方法構造比較復雜，實現的難度及代價都比較大，且具有普通神經網絡固有的缺點：收斂速度慢、涉及不確定參數多、易限如局部極小點等。

5　遺傳PID控制方法

遺傳PID控制方法只依賴于適應度函數，不需要知道受控對象的全部信息，可以根據受控對象的輸出情況對PID三個控制參數進行優化，利用群體優化機制可以找到全局最優解。

遺傳方法主要包含幾個步驟：①將PID的三個控制參數Kp、Ki、Kd進行編碼，生成一條染色體；②生成初始化群體；③計算適應度；④通過選擇算子，交換算子和變異算子等算子更新種群；⑤結束進化過程。從理論上看，遺傳算法更具靈活性、適應性、全局性和魯棒性，但是，其自身也存在一些固有問題，如成熟前收斂和收斂速度太慢等問題。

6　PID控制參數在線自整定方法的發展趨勢

雖然，PID控制參數在線自整定方法在理論研究方面取得了很大的進步，但是重復性研究居多，創造性研究偏少，大多都停留于仿真結果，而實際工程應用的偏少，特別是長時間運行的參數自整定PID控制器微乎其微。將PID控制參數在線自整定方法應用于工程實踐應用中仍是廣大理論工作者和工程技術人員不斷努力的方向。

7　結束語

本中介紹了幾種PID控制參數在線自整定方法，給出了其對應的構成方式，并分析了將來的發展趨勢。隨著智能控制理論和計算機軟硬件技術的不斷發展，PID控制參數在線自整定方法必將成為智能控制領域的一個極具發展潛力的研究方向。

[1]須田信英.PID控制理論與實務[M].臺北:全華科技圖書股份有限公司,1992.

[2]ASTROM K J,HAGGLUNG T.PID Controllers:Theory,Design,and Tuning. 2nd ed.NC,Research Triangle Park:Instrument Society of American,1995.

[3]WENDELL S R.Take control of PID tuning,Plant Engineering, 2005,59(9):57-60.