中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 黎殿來(lái) 董士崔 宋向華

PID控制參數(shù)在線自整定方法綜述

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 黎殿來(lái) 董士崔 宋向華

本文介紹了幾種常見(jiàn)的PID控制參數(shù)在線自整定方法，分析其各自特點(diǎn)，并對(duì)PID控制參數(shù)在線自整定方法的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行介紹。

PID控制；自整定；智能控制；復(fù)合控制

1　前言

常規(guī)PID控制方法應(yīng)用于噪聲和負(fù)載復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，過(guò)程參數(shù)過(guò)于依賴對(duì)象數(shù)學(xué)模型，不能實(shí)現(xiàn)在線整定，無(wú)法滿足穩(wěn)定、快速控制的要求。PID控制參數(shù)在線自整定方法具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力，能夠在線整定PID模型參數(shù)，以適應(yīng)對(duì)象模型參數(shù)的不斷變化。下面介紹幾種PID控制參數(shù)在線自整定方法。

2　專家PID控制方法

專家PID控制方法的實(shí)質(zhì)是利用受控對(duì)象及控制規(guī)律的各種經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，設(shè)計(jì)PID參數(shù)可調(diào)的控制器。專家PID控制方法的原理框圖如圖1所示。專家PID控制方法的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)受控對(duì)象的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和專家知識(shí)，選取能夠反映被控對(duì)象特征的特征參數(shù)存入專家知識(shí)庫(kù)中；然后在控制過(guò)程中實(shí)時(shí)采集各測(cè)量值或者計(jì)算各參數(shù)值，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中；利用這些測(cè)試值或者參數(shù)值，結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，根據(jù)某種邏輯推理機(jī)制，得出PID控制器的參數(shù)或者參數(shù)變化量，不斷迭代計(jì)算，從而得到滿意的控制結(jié)果。

圖1　專家PID控制方法原理框圖

專家PID控制方法實(shí)際上是依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)值來(lái)判斷受控對(duì)象的當(dāng)前情況，再根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)整定PID參數(shù)的。預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值通常來(lái)源于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，如果這些經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定不合理，則無(wú)法得到期望的控制結(jié)果。

3　模糊PID控制方法

模糊PID控制方法將操作人員或?qū)＜业恼ń?jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)成為模糊規(guī)則模型，運(yùn)用模糊推理實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。模糊PID控制方法原理框圖如圖2所示。模糊PID控制方法過(guò)程是，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。

圖2　模糊PID控制方法原理框圖

模糊PID控制方法以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求，利用模糊控制規(guī)則實(shí)時(shí)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改[7]。

模糊PID控制方法中專家經(jīng)驗(yàn)的提取比較困難，并且控制過(guò)程不具備自學(xué)習(xí)能力，過(guò)程變量的隸屬度函數(shù)選取的好壞對(duì)系統(tǒng)影響較大。

4　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于PID控制中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法原理框圖如圖3所示?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法通過(guò)BPNN網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)的在線估計(jì)與自學(xué)習(xí)功能，可以實(shí)時(shí)調(diào)整訓(xùn)練輸出層神經(jīng)元輸出參數(shù)所對(duì)應(yīng)的PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象的有效控制[8]。

圖3　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法原理框圖

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法可以任意非線性逼近而且調(diào)節(jié)過(guò)程不依賴于系統(tǒng)模型等特點(diǎn)，適用于非線性不確定系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法構(gòu)造比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的難度及代價(jià)都比較大，且具有普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)固有的缺點(diǎn)：收斂速度慢、涉及不確定參數(shù)多、易限如局部極小點(diǎn)等。

5　遺傳PID控制方法

遺傳PID控制方法只依賴于適應(yīng)度函數(shù)，不需要知道受控對(duì)象的全部信息，可以根據(jù)受控對(duì)象的輸出情況對(duì)PID三個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用群體優(yōu)化機(jī)制可以找到全局最優(yōu)解。

遺傳方法主要包含幾個(gè)步驟：①將PID的三個(gè)控制參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行編碼，生成一條染色體；②生成初始化群體；③計(jì)算適應(yīng)度；④通過(guò)選擇算子，交換算子和變異算子等算子更新種群；⑤結(jié)束進(jìn)化過(guò)程。從理論上看，遺傳算法更具靈活性、適應(yīng)性、全局性和魯棒性，但是，其自身也存在一些固有問(wèn)題，如成熟前收斂和收斂速度太慢等問(wèn)題。

6　PID控制參數(shù)在線自整定方法的發(fā)展趨勢(shì)

雖然，PID控制參數(shù)在線自整定方法在理論研究方面取得了很大的進(jìn)步，但是重復(fù)性研究居多，創(chuàng)造性研究偏少，大多都停留于仿真結(jié)果，而實(shí)際工程應(yīng)用的偏少，特別是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的參數(shù)自整定PID控制器微乎其微。將PID控制參數(shù)在線自整定方法應(yīng)用于工程實(shí)踐應(yīng)用中仍是廣大理論工作者和工程技術(shù)人員不斷努力的方向。

7　結(jié)束語(yǔ)

本中介紹了幾種PID控制參數(shù)在線自整定方法，給出了其對(duì)應(yīng)的構(gòu)成方式，并分析了將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著智能控制理論和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，PID控制參數(shù)在線自整定方法必將成為智能控制領(lǐng)域的一個(gè)極具發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颉?/p>

[1]須田信英.PID控制理論與實(shí)務(wù)[M].臺(tái)北:全華科技圖書股份有限公司,1992.

[2]ASTROM K J,HAGGLUNG T.PID Controllers:Theory,Design,and Tuning. 2nd ed.NC,Research Triangle Park:Instrument Society of American,1995.

[3]WENDELL S R.Take control of PID tuning,Plant Engineering, 2005,59(9):57-60.