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(shù)進行實時整定，從而達到預(yù)期的目的。現(xiàn)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(shù)整定和PID控制器兩個部分，兩個部分協(xié)同工作，以達到預(yù)期目的。

【關(guān)鍵詞】膜計算；PID控制器；分布性；并行性

中圖分類號： TD67 文獻標(biāo)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(shù)、積分時間、微分時間整定。PID控制器整定的優(yōu)劣會直接影響控制質(zhì)量，有時對控制器的魯棒性能也造成困擾。另外，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著許多的不確定性因素，這些因素有可能造成數(shù)學(xué)模型的參數(shù)變化和結(jié)構(gòu)突變，使得控制器原比例系數(shù)、積分時間、微分時間無法保證系統(tǒng)繼續(xù)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(tǒng)的PID控制算法的基礎(chǔ)上，增加了膜計算PID參數(shù)控制器，引入系統(tǒng)誤差和其它相關(guān)因素為輸入變量，為PID控制器的三個參數(shù)進行在線整定。該控制器能顯著提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，達到預(yù)期要求。

1 膜計算

膜計算作為計算機科學(xué)的一個新研究領(lǐng)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(jīng)元等結(jié)構(gòu)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(jié)果。膜計算是一種分布、并行的計算模型，就現(xiàn)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(jīng)元作為載體的神經(jīng)型計算模型。

膜結(jié)構(gòu)、進化規(guī)則和對象多重集是膜系統(tǒng)（也稱P系統(tǒng)）的三個組成部分。從往常經(jīng)驗來看，膜結(jié)構(gòu)中膜的大小和在空間上的布局并不重要，膜系統(tǒng)看重要的是膜之間的邏輯關(guān)系，這種邏輯關(guān)系包括相鄰、包含與被包含。作為一個膜系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)則成為表層膜；膜與膜之間的相鄰關(guān)系稱為鄰膜；膜內(nèi)的空間稱為區(qū)域；所有的膜都應(yīng)該有標(biāo)記，它也是膜對應(yīng)區(qū)域的標(biāo)記；所有的膜結(jié)構(gòu)都應(yīng)該存在自己的環(huán)境。

在膜系統(tǒng)中，所有的膜與其包圍的區(qū)域之間都是一種一一對應(yīng)的關(guān)系。由于這種關(guān)系得存在，所以膜的標(biāo)記也就是區(qū)域的標(biāo)記，則膜的對象就是區(qū)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 自整定PID

自整定PID就是根據(jù)情況選擇適當(dāng)PID參數(shù)。從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮具體的考慮問題。PID三參數(shù)的作用可以總結(jié)如下：

（1）比例參數(shù)Kp的作用是加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。

（2）積分作用參數(shù)Ti的一個最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）微分作用參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其主要作用是在響應(yīng)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(yù)報。

3 基于膜計算的自整定PID控制器設(shè)計

基于膜計算的PID參數(shù)整定是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)的偏差等，利用膜計算的分布性、并行性、可拓展性，對PID參數(shù)進行實時的調(diào)整。

算法主要步驟為：膜計算PID控制器讀取參數(shù)，各膜內(nèi)子系統(tǒng)通過膜內(nèi)規(guī)則進行進化，膜與（下轉(zhuǎn)第2頁）（上接第49頁）膜之間交流。

4 結(jié)論

經(jīng)試驗證明，當(dāng)常規(guī)PID控制器的參數(shù)調(diào)到一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)時，常規(guī)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(yōu)勢，但應(yīng)用在非線性系統(tǒng)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(jié)合起來，從而基于膜計算的自整定PID控制算法有響應(yīng)速度更快、超調(diào)量更小和跟蹤性能更好的特點，具有較強的自適應(yīng)能力、參數(shù)調(diào)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(tǒng)的無差控制，從而減弱了一些非線性被控系統(tǒng)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(tǒng)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(xué)報，2010（2）：208-214.

[2]黃亮.膜計算優(yōu)化方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[3]付杰.受膜計算啟發(fā)的優(yōu)化算法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[4]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)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(yè)出版社，2003.endprint