PID控制方法的研究現狀及應用展望

樊大勇

（河鋼集團唐鋼公司信息自動化部，唐山 063000）

工業控制環節中離不開控制器，PID調節器屬于使用范圍最為廣泛的控制器之一。其控制精髓便是設置調整好其PID參數，來滿足預先設定好的各種控制性能。但是基于控制情況多種多樣，許多被控過程具有機構復雜、非線性程度高、純時滯以及時變不確定這些特征。尤其當控制器外界環境處于較大擾動或者較大噪聲時，此時模型內部的結構以及預先設定參數均會由外界環境的改變發生改變。

1 智能PID控制

現階段智能控制器展現出空前的發展與應用水平。其主要結構分成兩大層，上部分利用配備的智能技術將整個系統狀態整體把控，隨時根據需要對于參數進行調節。下部分會動態將被控對象進行控制。不同于傳統的PID控制器，智能控制器對于系統精確微分方程下的模型要求度不高，因此智能控制器擁有更加良好的魯棒性以及高實現性，應用前景更高。以下為智能開發方面的具體介紹：

由智能技術現階段的分類可知，智能PID控制主要有三大類別，第一種為：基于專家系統的智能PID控制器；第二種為：基于模糊邏輯的智能PID控制器；第三種為：基于神經網絡的智能PID控制器。人們利用多種智能技術來應用并創造出智能程度更高的PID控制器。

1.1 基于專家系統的智能PID控制器

專家控制的本質是基于控制對象和控制規律的各種專家知識。通過人工智能技術的應用，可以盡可能地優化和應用受控對象。對于許多復雜的工業問題，在大多數情況下，很難做出準確的描述和嚴格的分析。該專家系統可以更好地預測上述問題，并找到合適的解決方法。此外，專家系統還可以處理具有一些錯誤或缺陷的一類數據。

1.2 基于模糊控制的智能PID控制器

模糊控制器相關的知識庫需要根據模糊規則表進行構建，根據模糊控制器在輸入時記錄進行模糊以及清晰兩者數量上的收集，模糊邏輯為其整個過程的推理原理。將模糊PID控制器應用于PID控制當中變形成了模糊控制，該種方式主要能夠在時變、高階以及非線性等對象中使用到。

以模糊規則表的形式建立了模糊控制器的知識庫。在數據庫中收集模糊控制器輸入的清晰數或模糊量，其推理機制由模糊邏輯組成。模糊控制，即模糊PID控制器，引入了PID控制，可用于高階、時變和非線性控制對象。模糊PID控制方式主要有模糊PID控制器模糊（PID）2控制器等多種。

該控制器的基本設計思想如下：首先基于原有的PID控制理論以及方法，利用相關知識理論構建出模糊控制的具體規則庫，接著獲取模糊PID控制形式，然后輸入模糊控制器。給予。最后，離散模糊控制器需要根據模糊處理過后的控制輸出得到，其控制參數表現為非線性，此外該控制器依然和傳統PID擁有一樣的線性形式，兩者控制效果相差不大。均有著一階加純延遲后的過程對象，同時也需看到高階系統整體呈現出的控制效果要比PID控制器的效果好，特別是對于非線性等復雜物體，由于控制器的輸入矢量被分割，很難將模糊PID控制器應用于傳統的PID控制器。將不同的控制規則應用于不同的區域，并獲得令人滿意的控制結果。模糊PID控制器是傳統PID的延伸。通過模糊規則來表達人的經驗，調整PID參數，突破傳統PID的局限性。

1.3 基于神經網絡的智能PID控制器

該控制器的參數可以根據神經網絡自帶的學習能力進行調整穩定，此外神經網絡還有著強大的非線性函數能力一樣可以輔助PID控制器進行參數調節、結構和輸入參考信號的變化。能夠抵抗外界的干擾。在實際應用中，神經網絡結構的確定、權系數初值的確定和輸入模式的選擇有時對控制結果起著重要的作用。

根據控制器的結構，神經網絡PID控制器可分為兩種：一種是神經網絡PID控制器的輸出參數，稱為顯式控制器，另一種是神經網絡PID控制器的輸出控制。它被稱為隱式控制器。前者的物理意義清晰，易于工程師理解和操作。利用PID控制的思想，后者不再局限于控制器形式的PID項的簡單線性組合。它是一種更先進的PID控制形式。

2 智能PID控制器應用展望

控制方法不僅僅局限于上述三種，還有人類控制、學習控制以及專家控制等。免疫算法都處于開發過程中。綜觀近年來智能PID控制的發展，我們可以總結出以下特點：

（1）通常對于控制器性能的提高途徑可以選擇使用智能復合控制器。近些年逐漸呈現出神經網絡與模糊控制兩者互相融合這種智能系統研究新方向。此外在神經網絡PID控制器權重方面會經常使用到遺傳算法來進行有效的優化，并且把模糊控制利用遺傳算法進行分析應用，證明了遺傳算法是一種有效的規則和隸屬函數調整方法。

（2）控制理論領域中的專家阿思特羅姆曾經提出，控制工程在將來一段時間內將會繼續產生并發揮其應有的作用，不論精度多高的控制器均不能離開控制器這一基礎單元。我國吳宏鑫學者提出一種“特征建模”理論，該理論將PID控制器體現出的應用理論基礎進行了有效的證實，并且證明其具有其他控制器無法替代的優勢。它將成為復雜系統智能控制中最基本的子控制單元。

（3） 在理論研究方面，特別是在應用方面，中外差距明顯。日本，歐洲和美國不僅處于理論研究的前沿，而且還成功應用了橫河電機，富士電機等產品，模糊邏輯和標準PID控制相結合來抑制超調，成功實現。然而，在中國有更多的重復研究，較少的創新研究和較少的工程應用，特別是運行時間長的智能PID控制器可以說很少。這種情況需要廣大理論家和工程師的共同努力，盡快改變這種狀況。

3 結束語

隨著智能控制技術的不斷發展，智能PID技術將不斷完善。智能控制與PID控制的結合是智能控制技術發展的潛在方向。