非线性PID控制系统的设计

非线性PID控制系统的设计

【摘要】非线性PID的设计是在非线性的基础之上，PID控制系统具有很多极其独特的优点，给我们的使用带来了很多便利和好处，为实际的的工程运用提供了强大的技术支持和模型支撑。本文分析了非线性PID控制系统设计的相关问题。

【关键词】非线性；PID；控制系统；设计

1.前言

传统的非线性ＰＩＤ控制系统在给我们的相关工程和实际工作提供很多便利的同时，存在不少应该改进的问题。非线性PID控制系统的巨大优势主要体现在改善传统的PID控制器时所表现出来的稳定性和快速性等方面。由于各方面技术和需要的快速发展，目前的非线性ＰＩＤ控制系统在使用上的局限性已经开始显现。但是，长时期以来，在工业控制的大领域里，非线性的ＰＩＤ控制是一种得到广泛业界认可，并且历史及其悠久，效果显著的控制方式。

２．非线性ＰＩＤ控制系统的特点和应用现状

PID的应用仍然是现在工程界用于实际控制的主要控制方法,在冶金、化工、轻工等行业广泛应用。非线性PID的主要特点便是结构简单、易于操作调整并且具有一定的鲁棒性。非线性PID控制系统的使用已经得到广泛推广。虽然已经有一些新的现代控制算法出现，但是非线性PID仍然是主要算法居多。只是因为现代出现的一些算法有很多缺陷，在实际应用过程中无法起到作用。长期以来的大量实践经验和事实表明这种经典的控制算法仍然具有强大的生命力，它的思想方法与当今流行的各种控制器的设计方法相比，最显著的特点是它不依赖于对象精确的数学模型,可以从根本上摆脱了工业过程建模,尤其是建立精确模型的困难。传统的非线性PID的控制方式主要属于事后控制，该控制在实践过程中出现一些问题，比如可能会引起控制回路自激震荡。也会引起瞬态互调的失真，是被控对象出现损害的几率更高，最近一段时期以来，不管是在理论上还是在技术上，非线性PID的发展质量都得以迅速提高，常规和传统的控制系统与现代新兴的方法结合在一起，已经使系统控制的质量得以大幅度提高。另外，今天的计算机技术已经得到长足发展，在技术条件上有更加有力的保障，完全可以在这些基础上设计一些非线性控制模块，并且利用这些非线性模块组合出新的合适的控制率。

3.非线性PID控制系统的参数和设计分析

通常意义上的PID的控制参数的主要内容是设置控制器的参数，并且对其不适性进行调整，在这个调整过程中使控制系统达到令人满意的程度。这个控制设计过程主的原则主要涉及到以下几个方面，积分作用、微分作用、比例作用以及稳定性指标的选择。设计的方法则主要包括凑试法、临界比例度法、衰减曲线

法等常用方法。

非线性PID控制系统的性能指标通常情况下主要是根据工业生产过程中对于控制的要求来决定的，这其中包含了稳定性、准确性和快速性等。

用参考输入和被调量的误差及其微分、积分的线性组合来产生控制信号，这便是经典的PID控制的原理，但是它并不是在所有的情况下都能够发挥作用。一些问题的存在使得经典性的非线性PID控制系统不能够满足要求，引起这种情况的原因，其一便是实现非线性PID控制的物质基础，在计算机技术和微电子技术使用在非线性PID之前，决定非线性PID功能和效果的主要是各种元器件，由放大器、加法器、超前滞后网络形成PID，这也就形成了的PID结构。在计算机技术开始广泛应用后，非线性PID控制系统的性能不断提高。在计算机技术的充分应用的前提下，微分信号产生的质量更高，打破了传统非线性PID 控制系统的局限性，把自矫正技术、模糊控制、专家控制、智能控制等用于PID，使PID的性能不断地提高。

非线性PID控制器的基本思路是使用一种新的非线性机构一一非线性跟踪一微分器来产生控制器新的基本要素，并利用这些新的要素的“非线性组合”方式来改进经典PID调节器，使其适应性和鲁棒性得以大幅度提高。主要的方法和过程包括以下几个方面：对输入信号进行处理，对量测信号进行滤波，采用非线性PID控制律产生控制量。

建立非线性PID控制器模型常用的方法是建立模型，而建立模型常用的方法是通过修改常规PID控制器的系数Kp,Ki,Kd来实现,而对于修改PID控制器系数来说，当前采用的最主要的方式是根据系统输出偏差e的大小来实时生成相应函数,然后以这三个函数来代替常规PID控制器的系数.研究过程发展到今天，这个生成过程究竟符合什么样的规律,也就是说生成系数的函数究竟是如何取得,并没有固定的公式可利用,这也是建立非线性PID控制器模型的关键.,得出这几个函数的方法一般是通过分析常规PID性能，从而获得非线性PID的可用模型.通过最后仿真可知这种方法得到的结果也是具有很高的精确性的.

常规线性PID控制方法的关键是通过合理调整误差信号的比例、微分、积分增益大小来对系统实施实施有效控制。设计中减小稳态误差的最有效方法是把调节量的比例增大。但此过程在减小稳态误差时具有一定的反面效应，因为调节量比例的过大会导致超调振荡,超调震荡会产生系统稳定性变差的恶果。而加入微分量的控制方法,可以抑制超调,但又会使响应速度变慢。大的积分增益有利于消除稳态误差,但会使系统过渡过程变长。非线性PID调节器所要确定的参数较多,单凭人工经验来调整非线性调节器的参数在实际的操作和实施过程中是比较困难的,这不仅有盲目性,更不值得推广的原因是很难得到一组最佳参数值。因此,将参数选择问题转化成优化问题来解决是一个关键问题。为了获取令人满意的过度过程动态特性,目前主要采用这样一种方法，即采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。另外,在目标函数中还应加入控制输入的平方项还可以防止控制量过大。由于系统的数学模型存在一个由来已久的缺陷，往往忽略许多外在因素。因此在理论设计时,如果单纯追求系统的动态特性,得到的

参数很可能使控制信号过大,这样的参数在应用中会因实际系统中的固有饱和特性以及其他未知因素而可能导致系统不稳定,因此综合考虑系统的动态特性及控制输入能量大小。

4.结语

近年来，很多相关学科迅猛发展，给非线性PID控制系统的发展带来了契机，理论上和技术上都将会有更加广阔的发展空间和更加坚实的理论和物质基础。几年来的研究和实践情况表明，非线性PID控制系统在继承经典PID控制系统的优点的同时，还充分地利用了计算机技术和其他新兴相关技术，在克服弱点和缺陷的同时已经在使用效果上取得很大的成就，具有很好的应用前景。非线性PID控制系统有其固有优点，但也不是绝对完美的，比如存在着快速性与稳定性之间的矛盾，在未来的发展道路上，设计一些基于偏差的比例、积分和微分的非线性控制模块，并由这些模块以合适的方式组合出控制律是一个需要解决的课题。目前，它在飞行系统的设计控制，无塔供水系统的控制，水下密闭容器压力系统的控制等领域都得到了很好的应用，获得了很不错的控制效果。但关于这一方面的理论体系还很不完善。随着工程应用和各种工学新科目的不断出现的，非线性PID控制系统对其本身的理论研究和实践效果提出了更高的要求，需要发掘新的技术制高点，以提高动态控制效果。