PID模糊控制器发展现状综述

模糊PID控制器的发展现状综述

1模糊PID控制器研究背景

1.1PID控制器

传统的PID控制器虽然以其结构简单、工作稳定、适应性好、精度高等优点成为过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器。PID调节规律一般都能得到比较令人满意的控制效果，尤其是对于线性定常系统的控制是非常有效的，但是它的调节品质取决于PID控制器各个参数的确定。随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性、滞后和时变现象，其中有的参数未知或缓慢变化，有的带有延时和随机干扰，有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙，如果使用常规的PID控制器，PID参数的整定变得十分困难甚至无法整定，因此并不能得到理想的控制效果。为此，近年来各种改进的PID控制器如自校正、自适应PID[1][2][3]及智能控制器[4]迅速发展起来，但仍存在一定的局限性。

1.2模糊控制器

随着技术的发展，模糊控制理论和模糊技术成为最广泛最有前景的应用分支之一。模糊控制器是一种专家控制系统，它的优点是不需要知道被控对象的数学模型而能够利用专家已有的经验对系统进行建模。与传统的PID控制方式相比，它适合解决一些难以建立精确数学模型、非线性、大滞后和时变的复杂过程的问题，因此得到了很好的发展，尤其是在工业控制、电力系统等领域中解决了许多实际性的问题，引起了越来越多的工程技术人员的兴趣。但是经过深入研究，会发现基本模糊控制存在着其控制品质粗糙和精度低等弊病。而且用的最多的二维输入的模糊控制器是PI或PD型控制器，会出现过渡过程品质不好或不能消除稳态误差的问题。

因此，在许多情况下，将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活、适应性强、快速性好的优点，又具有PID控制精度高的特点。把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳整定，实现模糊PID控制。

2模糊PID控制器设计

2.1模糊PID控制器原理

基于模糊逻辑推理的PID控制器是以控制专家整定PID控制器参数的经验和知识为基础，通过对系统过渡过程模式的在线识别，对PID参数进行自整定。它是在PID算法基础上增加了误差和误差变化率的计算，并将在工艺分析和操作经验基础上总结的专家知识，以启发式语句if(条件)then(结果)的形式组成知识库，经模糊合成推理形成模糊查询表[5]，如果在某一采样时刻观察到响应曲线模式与所期望的模式不同，就根据模式状态变量和，通过实时调整机构在知识库中搜索相应的模糊推理矩阵，并进行参数调整，直到其输出达到期望的响应为止。PID参数的模糊自动调整思想是依据被控对象的响应在采样时刻的误差和误差的变化率两个因素来确定参数调整量的极性和大小的[6]。本质上同时兼顾了被控对象响应的“静态性能”(是高于还是低于给定值)和响应的“动态性能”(是靠近还是偏离给定值)两个因素。其算法过程是利用对应的控制表将控制指标模糊化，然后将它与知识库中的模糊规则进行匹配，就可得到相应的参数调整量[7]，因此有实际控制系统的响应值到模糊控制表的条件的转化过程和其规则的操作值到实际的调整系数的判决过程。控制框图如下图所示：

图1参数模糊自整定PID控制系统

2.2模糊控制PID参数整定过程

1.确定被控对象及初始参数：目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃信号，测

出过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。被控对象的传递函数确定后选取合适的方法确定PID控制器的参数，得到三个参数初值。

2.输入输出变量的模糊化：运用模糊控制表进行PID参数自整定的模糊算法设计。首

先将偏差、偏差的变化率及输出参数模糊化，确定各自的模糊子集的隶属度，接着

用的模糊校正模型来表达参数的矫正过程，最后应用模糊合成推理计算出的模糊控制参数调整表。

3.模糊合成推理方法：根据专家经验，系统在被控过程中基于系统输出响应，在不同

的和下，对PID的控制器参数的整定要求可得出简单的相关规律，再根据的作用在于加快系统的响应程度，提高系统调节精度，的作用在于消除系统的稳态误差，的作用在于改善系统的动态特性，制作出参数控制规则表，然后根据模糊关系公式可求出的模糊控制子集。

4.解模糊并建立模糊控制查询表：经过模糊推理，得到的输出量是模糊值，并不能直

接用于控制被控对象，通常被控对象只能接受一个精确的控制量，所以必须经过解模糊过程将模糊推理得到的值转化为一个确定的值，用其控制被控对象。在推理得到的模糊集合中，取一个最能代表这个模糊集合的单值的过程称为解模糊判决。

5.模糊PID算法：由、以及的模糊子集的隶属度，再根据各模糊子集的隶属度赋值表

和各参数的模糊调整规则，运用模糊合成推理设计出的PID参数模糊调整表，这是整定系统模糊控制算法的核心，将其存入计算机中供查询。然后用在线自整定得到的PID参数就可根据PID控制算法的离散差分公式位置式计算方法计算出输出控制量。

3模糊PID控制的研究现状

模糊PID控制以其能够有效地调整复杂非线性模型参数的优势引起广泛关注并迅速发展起来。目前，自模糊PID控制器主要有以下三种主要基本形式：

(1)增益调整型(Gain一scheduling)模糊PID控制器

由于常规PID调节器不具有在线调整参数的功能，使其不能满足偏差及偏差变化对PID 参数的自整定要求，从而不能满足要求的性能指标或影响了其控制效果的进一步提高。为了满足这个要求，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了增益调整型模糊PID 控制器。该类控制器中输出的物理量直接对应增益参数，通过应用模糊规则实现对三个增益参数的调整。

近几年，对这种类型模糊PID控制器的研究和应用比较多。文献[8]给出了四种典型结构：运用在线辨识策略的自整定PID模糊控制器，在线实时模糊自整定PID控制器，Fuzzy