基于膜計算的自整定PID控制器研究

王海　高杰

【摘 要】基于膜計算的自整定PID控制器是利用膜計算分布性、并行性的計算能力實時的對PID的三個參數進行實時整定，從而達到預期的目的。現將基于膜計算的自整定PID控制器拆分為兩個部分，基于膜計算的PID參數整定和PID控制器兩個部分，兩個部分協同工作，以達到預期目的。

【關鍵詞】膜計算；PID控制器；分布性；并行性

中圖分類號： TD67 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）17-0049-001

Research on Self-tuning PID Controller Based on Membrane Calculation

WANG Hai GAO Jie

（School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，

Huainan Anhui 232001，China）

【Abstract】Based on membrane computing of self-tuning PID controller is calculated by use of membrane distribution，parallelism， real-time computing power to adjusting the three parameters of PID，so as to achieve the desired purpose.Now will be calculated based on the membrane of self-tuning PID controller is broken down into two parts， the PID parameter setting and the PID controller based on membrane computing two parts，two parts work together，to achieve the intended purpose.

【Key words】Membrane calculation；PID controller；Distribution；Parallelism

0 引言

PID控制中的核心問題是控制器的比例系數、積分時間、微分時間整定。PID控制器整定的優劣會直接影響控制質量，有時對控制器的魯棒性能也造成困擾。另外，現代工業控制系統中存在著許多的不確定性因素，這些因素有可能造成數學模型的參數變化和結構突變，使得控制器原比例系數、積分時間、微分時間無法保證系統繼續正常工作，此時就要求控制器有良好的在線修正功能，以期能夠更好地解決問題。

本文基于膜計算模型提出的基于膜計算的自整定PID控制器，在傳統的PID控制算法的基礎上，增加了膜計算PID參數控制器，引入系統誤差和其它相關因素為輸入變量，為PID控制器的三個參數進行在線整定。該控制器能顯著提高控制系統的控制質量，達到預期要求。

1 膜計算

膜計算作為計算機科學的一個新研究領域，它同時也是自然計算的一個嶄新分支。它從生物中抽象出新的計算模型，比如從活細胞、細胞群、神經元等結構中抽象，所得出的計算概念和模型在實際的運用過程中，得到了良好結果。膜計算是一種分布、并行的計算模型，就現在而言它主要有3類計算模型：以單個細胞作為載體的細胞型計算模型、以細胞群作為載體的組織型計算模型、以神經元作為載體的神經型計算模型。

膜結構、進化規則和對象多重集是膜系統（也稱P系統）的三個組成部分。從往常經驗來看，膜結構中膜的大小和在空間上的布局并不重要，膜系統看重要的是膜之間的邏輯關系，這種邏輯關系包括相鄰、包含與被包含。作為一個膜系統，它必需有唯一的外層膜（也稱表層膜）；如果膜中沒有其它膜結構則成為表層膜；膜與膜之間的相鄰關系稱為鄰膜；膜內的空間稱為區域；所有的膜都應該有標記，它也是膜對應區域的標記；所有的膜結構都應該存在自己的環境。

在膜系統中，所有的膜與其包圍的區域之間都是一種一一對應的關系。由于這種關系得存在，所以膜的標記也就是區域的標記，則膜的對象就是區域的對象。從目前的研究來看，膜都是一種理想化的概念，它沒有組成材料，也沒有任何內部結構。

2 自整定PID

自整定PID就是根據情況選擇適當PID參數。從控制系統的穩定性、響應速度，超調量和穩態精度等各方面考慮具體的考慮問題。PID三參數的作用可以總結如下：

（1）比例參數Kp的作用是加快控制系統的響應速度，提高控制系統的調節精度。

（2）積分作用參數Ti的一個最主要作用是消除系統的穩態誤差。

（3）微分作用參數Td的作用是改善系統的動態性能，其主要作用是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。

3 基于膜計算的自整定PID控制器設計

基于膜計算的PID參數整定是在PID算法的基礎上，通過計算當前系統的偏差等，利用膜計算的分布性、并行性、可拓展性，對PID參數進行實時的調整。

算法主要步驟為：膜計算PID控制器讀取參數，各膜內子系統通過膜內規則進行進化，膜與（下轉第2頁）（上接第49頁）膜之間交流。

4 結論

經試驗證明，當常規PID控制器的參數調到一個適當的范圍內時，常規PID控制器的控制效果也基本令人滿意，這充分說明PID算法所具有的優勢，但應用在非線性系統上，則存在非常大的不確定性。在引進膜計算概念后，依靠膜計算強大的分布性、并行性能力，更好地處理自整定PID全過程。

基于膜計算的自整定PID控制器，將生物細胞機理和PID算法有機的結合起來，從而基于膜計算的自整定PID控制算法有響應速度更快、超調量更小和跟蹤性能更好的特點，具有較強的自適應能力、參數調整能力和魯棒性，而且也具有較強的抗干擾能力，基本可以完成對系統的無差控制，從而減弱了一些非線性被控系統的滯后性。從理淪上講，基于膜計算的自整定PID控制器能很好的解決非線性系統中的難題，取得了令人滿意的效果。

【參考文獻】

[1]張葛祥，潘林強.自然計算的新分支膜計算[J].計算機學報，2010（2）：208-214.

[2]黃亮.膜計算優化方法研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[3]付杰.受膜計算啟發的優化算法研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[4]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2003.endprint