基于模糊PID控制器的流量控制設計

韓斌

【摘 要】由于流量控制系統的數學模型難以建立，并且大多數流量控制系統存在著非線性問題，經過分析和實踐，可以通過將常規的PID控制算法進行模糊自整定的方式解決這些問題。基于此，論文首先分析了模糊PID設計原理，然后根據原理確定出PID參數的模糊化規則，并根據該規則進行PID參數的模糊化及反模糊化，最后設計出基于模糊PID控制器的流量控制系統。

【Abstract】 It is difficult to establish mathematical model of the flow control system， and most of the flow control system has nonlinear problem， through analysis and practice， these problem can be solved by using the fuzzy self-tuning method on conventional PID control algorithm. Based on this， paper firstly analyzes the design principle of fuzzy PID， then determines the fuzzy rules of PID parameters according to this principle， and carries out the fuzzification and defuzzification of PID parameters according to the rule， finally ， paper designs a flow control system based on fuzzy PID controller.

【關鍵詞】非線性；PID控制算法；整定；模糊PID控制器；流量控制

【Keywords】nonlinear； PID control algorithm； setting； fuzzy PID controller； flow control

【中圖分類號】TP13 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0125-02

1 引言

現在的流量控制系統很多都在使用常規的PID控制器，這種控制器雖然簡單，但無法實現參數的在線自整定，而且，對于非線性的控制系統來說，常規PID控制器根本無法達

到要求，因此，流量控制系統應該利用模糊PID控制器。通過對PID算法中的參數進行模糊化處理，既可以消除穩態誤差，又可以降低流量控制系統的延遲，實現對流量的較好控制。

2 模糊PID控制器的設計原理

模糊PID控制器是在常規PID控制器的基礎上通過模糊規則對PID算法中的比例、積分、微分系數進行模糊推理，從而解決了常規PID不能很好地控制非線性系統以及不能對相關系數進行在線整定的問題，提高了PID的性能[1]。

2.1 模糊PID的理論計算與分析

同理，利用以上算法可以對和進行模糊化整定。

2.4 反模糊化

實現了模糊PID控制器的控制作用，之后就需要對輸出的模糊子集的隸屬度與精確的調整值進行對應，也就是根據模糊化規則進行逆向推導，從而計算出輸出的確定值。下面對具體的計算步驟進行分析。

首先，需要得到工作過程中的任意時刻流量的實際值與設定值，計算出二者的差值e和二者差值的變化率ec，然后通過對這些數據進行整理從而分別繪制出e和ec的隸屬度函數曲線，最終由此得到二者的隸屬度；接下來再根據模糊規則表推理出mp、mI、mD對應于模糊化系數的隸屬度；之后經過精確計算，分別得出三者的修正值Δmp、ΔmI、ΔmD，再將其帶入（2）式就可以得到mp、mI、mD的精確調整值。在模糊PID控制器實際運行過程中，可以分別求出模糊化的數值對應的精確值，然后根據這些數據做成模糊控制表，這樣，控制系統就可以參照模糊控制表實現PID參數的在線自整定。[2]

3 基于模糊PID控制器流量控制系統的設計方案

流量控制器是為了使實際的流量穩定在設定流量值的附近，且流量的上下波動保持在一定范圍內。為了實現上述目的，需要在流量控制系統內設置流量采集單元，通過流量采集單元采集到實際的流量，模糊PID控制器在工作的過程中根據實際的流量與控制器中設置的流量的差值e和差值變化率ec，在相應軟件中在線計算并整定比例、積分、微分三個參數，從而降低流量控制器的延遲，縮短系統相應的滯后時間，提高系統的精確度[3]。其具體的控制過程如下所述。

在對流量進行調節之前，當流量值較大時，此時應該加快系統的響應速度，與此同時要避免調節過度并消除穩態誤差，所以，此時的mp應該較大，mD應該偏小，mI應該很小。

流量調節中，當實際流量與設置的流量之間的差值e處于中等大小時，系統已接近設定值，這時的比例系數mp應該取值很??；而系統最容易出現的問題就是過度調節，因此，mD和mI的取值要適中。

在流量調節后期，當實際流量與設置的流量之間的差值較小時，系統應具有較好的動態特征，以避免系統大幅度振蕩現象的發生，同時也使系統具備較強的抗干擾能力，這時，mp與mI都應該取值大些，而mD需要保持中等大小。

基于以上的設計分析，可以將此過程減縮為直觀的原理圖（在此不做設計），參照原理圖并綜合其他方面的技術就能將模糊PID控制器應用于流量控制系統中。

4 結果討論

根據大量的實驗結果證明，采用模糊自整定PID控制算法的流量控制系統能夠在較短時間內實現對流量的調節，具有較好的控制效果。與高精度流量計相比，基于模糊PID控制器的流量控制系統滿足精度的要求，流量變化趨勢與高精度流量計相接近。

5 結語

綜上所述，采用模糊PID控制算法對流量進行控制能夠解決流量控制系統普遍存在的非線性問題，而且使系統更加穩定，提高了控制系統的性能。模糊PID控制原理是在常規PID控制原理基礎上的創新，在今后的實踐中，相關技術人員要不斷發現問題并加以總結，力圖使PID控制器趨于完善。模糊PID控制器應該在流量控制系統中得到廣泛應用，最大程度發揮其優勢性能。

【參考文獻】

【1】王俊士.基于模糊PID控制的網絡異常流量監控設計[J].科技通報，2016，32（5）：142-146.

【2】陳明新，唐鈴鳳，胡建.基于模糊PID控制的泵流量控制系統研究[J].新鄉學院學報，2014，31（4）：36-40.

【3】廉振芳，蘇挺.基于模糊PID的鋼鐵表面滲氮流量控制研究[J].熱加工工藝，2013，42（10）：163-165.