馬小雨

摘 要： 分析當(dāng)前模糊PID復(fù)合控制算法的控制特性及不足，提出優(yōu)化改進(jìn)的算法，即基于梯形隸屬函數(shù)的模糊切換算法及仿人智能思想的在線調(diào)整算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的模糊PID復(fù)合控制算法。通過實(shí)驗(yàn)研究，得到優(yōu)化改進(jìn)的模糊PID復(fù)合控制算法。該算法具有較好的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性、無靜差等優(yōu)點(diǎn)，其控制品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)模糊PID復(fù)合控制算法，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

關(guān)鍵詞： PID； 模糊控制算法； 改進(jìn)算法； 途徑

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0153?03

Abstract： The control characteristics and shortcomings of the current fuzzy and PID compound control algorithm are analyzed. The optimized and improved algorithm is proposed， which is based on the fuzzy switching algorithm with trapezoidal membership function and online adjustment algorithm with artificial intelligent thought to realize the adaptive fuzzy and PID compound control algorithm. The experimental study results show that the optimized and improved fuzzy and PID compound control algorithm has perfect stability and dynamics， and no static error. Its control quality is better than that of conventional fuzzy and PID compound control algorithm. The algorithm is worth popularizing and applying.

Keywords： PID； fuzzy control algorithm； improved algorithm； approach

0 引 言

模糊控制與PID控制屬于較常用的兩種不同控制方法，它們各有自己的特點(diǎn)。其中模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度較低，而PID控制也容易產(chǎn)生超調(diào)。長期以來，常規(guī)的符合控制往往由于不恰當(dāng)選擇切換點(diǎn)，其量化因子與比例因子屬于一次性確定，并不能夠適應(yīng)對象的大幅度變化，導(dǎo)致控制上存在缺陷，進(jìn)而影響了控制效果。對此，可在線調(diào)整以上參數(shù)，提高模糊控制器的在線自適應(yīng)性，從而彌補(bǔ)常規(guī)模糊控制中所存在的缺陷。本文則利用變論域思想設(shè)計(jì)在線調(diào)整量化因子及比例因子的智能調(diào)整機(jī)，擴(kuò)大其應(yīng)用。

1 PID控制算法與模糊控制算法

PID控制算法調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)是依據(jù)所輸入的偏差值，根據(jù)比例、微分及積分的函數(shù)關(guān)系來給予運(yùn)算，并將所運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，對位置型的PID算法給予更換。一般情況下，對控制算法要求較高的系統(tǒng)則往往采用位置型算法[1]。模糊控制算法則是利用計(jì)算機(jī)來完成人們用語言無法描述的控制活動(dòng)，模糊控制有著較好的特性，并不需要事先知道對象的數(shù)學(xué)模型，具有較快的系統(tǒng)響應(yīng)、較小的超調(diào)等特點(diǎn)。模糊控制器的基本構(gòu)成如圖1所示。

2 模糊PID復(fù)合控制算法的優(yōu)化改進(jìn)

利用變論域思想，采用梯形隸屬函數(shù)的模糊切換算法，從而實(shí)現(xiàn)模糊PID符合控制。小偏差采用PID控制，進(jìn)而消除穩(wěn)態(tài)誤差；而大偏差則采用模糊控制，確?？焖傩约耙种瞥{(diào)。以上兩種控制方式的切換則是根據(jù)偏差的大小來進(jìn)行：

已有研究表明：根據(jù)所控制的需求，使模糊控制器輸入及輸出論域，能夠在一定準(zhǔn)則內(nèi)不斷的變化，從而有效地控制性能[2]。量化因子與比例因子的取值均能夠引起論域的變化。如果可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整以上參數(shù)，則可提高其品質(zhì)。對于雙輸入及單輸出的模糊控制器，輸入為控制偏差e及其變化率為Δe。

綜合考慮到量化因子及比例因子對系統(tǒng)的影響，且兩者之間是相互制約的關(guān)系；對此，設(shè)計(jì)了仿人智能調(diào)整機(jī)?？刂茮Q策的制定可依據(jù)變論域的思想來得到：若控制偏差e較小時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)越接近穩(wěn)態(tài)，若適當(dāng)減小Ke，可擴(kuò)大論域，減弱控制作用，以免發(fā)生超調(diào)；控制偏差e較大時(shí)，可適當(dāng)增加Ke，進(jìn)而縮小論域，增強(qiáng)控制作用，消除誤差。

PCR芯片可實(shí)現(xiàn)快速分子生物學(xué)檢測的新技術(shù)，工作中特異性DNA片段擴(kuò)增反應(yīng)可在3段不同的溫度下進(jìn)行，從而使得DNA量獲得指數(shù)型倍增。在反應(yīng)過程中，需要對PCR芯片溫度的精確度及其均一性，控制升降速度。單純的PID控制及其模糊控制已難以滿足需求[3?4]，因此，需要采用模糊PID符合控制。通過制定以下分段控制策略：在升降溫的前期及中期，擁有較大的溫差時(shí)，可采用模糊控制，確保溫度的升降，最終減少超調(diào)。

根據(jù)制定的控制策略，并結(jié)合以上優(yōu)化改進(jìn)算法，從而制定自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制器，實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。然后根據(jù)溫度偏差的大小，利用模糊切換來整合控制器的輸出，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該模糊控制采用雙輸入二維增量型模糊控制器，所隸屬的函數(shù)選擇全對稱及全交疊的連續(xù)三角形，并利用推理的方法[5?6]，模糊控制規(guī)則如表1所示。根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從而確定量化因子及比例因子數(shù)，靈活調(diào)整控制器參數(shù)。

3 改進(jìn)后控制算法的實(shí)驗(yàn)研究

為了完成以上控制器在設(shè)計(jì)后的應(yīng)用效果，特選取PCR芯片溫度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)研究。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模糊切換的自適應(yīng)模糊PID控制器，將其與普通的模糊控制器進(jìn)行了比較，在線檢測到所使用的PCR芯片，其阻值為62.52 Ω，室內(nèi)溫度為25.12 ℃，所設(shè)定的溫度為96.12 ℃，其曲線如圖3、圖4所示。

根據(jù)圖3可得到：常規(guī)控制器系統(tǒng)所響應(yīng)的曲線可計(jì)算得到超調(diào)量為5，其上升時(shí)間約為5 s，而穩(wěn)態(tài)誤差約為1.3 ℃。從整體上來看，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其穩(wěn)態(tài)性不符合要求。利用優(yōu)化改進(jìn)的模糊算法后，從圖4可得到該曲線可有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)，其上升時(shí)間約為20 s，調(diào)節(jié)時(shí)間僅僅為20 s，穩(wěn)定誤差在0.5 ℃。通過以上敘述可知，優(yōu)化改進(jìn)的算法與常規(guī)模糊算法相比較，可在一定程度上改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的控制精度。若將工作狀態(tài)設(shè)定在80 ℃時(shí)，該系統(tǒng)進(jìn)入到穩(wěn)定的工作狀態(tài)后，利用風(fēng)扇給芯片進(jìn)行吹風(fēng)，人為地加入了干擾信號，其系統(tǒng)的控制響應(yīng)曲線可得到優(yōu)化改進(jìn)后的模糊PID控制可有效抑制外界的隨機(jī)干擾，并在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到穩(wěn)定工作點(diǎn)，有著較強(qiáng)的在線自適應(yīng)能力。

4 結(jié) 語

綜上所述，改進(jìn)后的自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制算法有著較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，且控制器有著較強(qiáng)的魯棒性，在一定程度上最大限度提高控制器的抗干擾能力，可有效應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。通過上述實(shí)驗(yàn)的研究，有效地驗(yàn)證了以上結(jié)果。因此，在今后的應(yīng)用中，可將自適應(yīng)模糊PID復(fù)合控制算法用于實(shí)踐中，提高控制器的水平。

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