任黎明　張鳳營(yíng)　于紅

摘要：隨著先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，模糊控制理論和模糊控制技術(shù)成為最廣泛最有前景的應(yīng)用分支之一。模糊控制器是一種專家型控制系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是只利用專家己有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，更重要的是當(dāng)系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)時(shí)，模糊控制器還可以產(chǎn)生非線性控制作用。但經(jīng)過(guò)深入研究，發(fā)現(xiàn)常規(guī)模糊控制存在著其控制品質(zhì)粗糙和精度不高等弊病，因此，可將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PID控制；模糊控制器；模糊—PID控制器

1PID控制器

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。傳統(tǒng)的PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、適應(yīng)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)成為過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛最基本的一種控制器。

1.1PID的組成

控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。

1.2PID的特點(diǎn)

雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。另外，PID參數(shù)Kp，Ki和Kd可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定，如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。

2模糊控制器

模糊控制器是一種專家型控制系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是只利用專家己有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，更重要的是當(dāng)系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)時(shí)，模糊控制器還可以產(chǎn)生非線性控制作用。它運(yùn)用語(yǔ)言知識(shí)模型進(jìn)行控制算法的設(shè)計(jì)，可用來(lái)對(duì)不能精確建模或難以建模系統(tǒng)進(jìn)行控制，使生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)、高效、安全地運(yùn)行。

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，也是和其它控制系統(tǒng)區(qū)別最大的環(huán)節(jié)，它由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理、解模糊化四個(gè)基本部分組成。

模糊控制器通常由計(jì)算機(jī)（或單片機(jī)）實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)通過(guò)傳感器經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉(zhuǎn)換獲得被控量的精確值，然后將定量與設(shè)定值比較得到偏差信號(hào)，一般選偏差信號(hào)與偏差變化率作為模糊控制器的輸入量，由模糊控制器的輸入接口將該精確量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模糊量，偏差的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言子集E來(lái)表示，偏差變化率的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言子集來(lái)表示。根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量，將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量，由模糊控制器的輸出接口作去模糊化處理，得到精確的數(shù)字控制量后再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

3模糊控制和PID控制結(jié)合

從模糊控制技術(shù)應(yīng)用于控制領(lǐng)域開(kāi)始，就有許多模糊和PID相結(jié)合的控制器相繼出現(xiàn)。模糊控制與經(jīng)典控制理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可構(gòu)造一類新型的控制系統(tǒng)，即模糊-PID復(fù)合控制系統(tǒng)。因此在模糊—PID復(fù)合控制系統(tǒng)中模糊控制并不是代替常規(guī)PID控制，而是對(duì)常規(guī)PID控制的拓展。常規(guī)PID控制器與模糊控制器的結(jié)合有兩種結(jié)構(gòu)形式：串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3.1串聯(lián)結(jié)構(gòu)模糊—PID控制器

當(dāng)系統(tǒng)的偏差信號(hào)大于某一設(shè)定值時(shí)，在控制過(guò)程中，開(kāi)關(guān)接通，模糊控制器發(fā)揮控制作用，PID控制器的輸入信號(hào)，即，對(duì)PID控制器產(chǎn)生較強(qiáng)的控制信號(hào)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快；而當(dāng)偏差信號(hào)小于某一設(shè)定值時(shí)，模糊控制器通過(guò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，模糊控制器不發(fā)揮控制作用，這時(shí)，只有偏差信號(hào)進(jìn)入PID控制器，由于此時(shí)系統(tǒng)的輸出和給定值己經(jīng)很接近，所以能很快地趨于給定值，消除穩(wěn)態(tài)誤差。這種結(jié)構(gòu)的模糊控制器產(chǎn)生階梯狀的非線性控制信號(hào)作用于PID控制器，依靠調(diào)節(jié)PID輸入信號(hào)的突然變化來(lái)提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，往往易造成PID控制作用的誤調(diào)節(jié)。

3.2并聯(lián)結(jié)構(gòu)模糊—PID控制器

并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖所示。它是將模糊控制器和PID控制器并聯(lián)起來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，即有模糊和PID兩種模態(tài)，其中模糊控制器采用常規(guī)模糊控制器，輸入變量為偏差和偏差變化率，輸出為，模糊控制規(guī)則采用形式，推理合成采用算法，去模糊化則采用系數(shù)加權(quán)平均法。這種模糊控制器本質(zhì)上是PD型控制器，由于缺乏積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，為此在偏差大于或等于某一設(shè)定值時(shí)，控制器切換為模糊控制器；當(dāng)偏差小于某一設(shè)定值時(shí)，控制器切換至常規(guī)PID控制器，從而使得這種雙?？刂破骶哂许憫?yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)，應(yīng)用性好。

由上述可知，在智能控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)行生產(chǎn)和加工時(shí)，由于偏差和它的變化率均較大，因此起主要作用的是模糊控制器；只有當(dāng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精加工時(shí)，由于工件的偏差和它的變化率均很小，常規(guī)PID控制器起主要作用。模糊—PID控制器在生產(chǎn)和加工階段保留了模糊控制器的快速性和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在精加工階段保留了常規(guī)PID控制器具有高精度的特性。由此，實(shí)現(xiàn)了從一種控制方式到另一種控制方式的平穩(wěn)過(guò)渡，避免了一般控制器按某一設(shè)定值進(jìn)行切換的弱點(diǎn)。又由于模糊—PID控制器算法簡(jiǎn)單、高效控制效果較好，各種動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)參數(shù)能進(jìn)行自行調(diào)整，可使智能控制系統(tǒng)達(dá)到更理想的控制效果。

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