PID控制方法的研究现状及应用展望

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2019.01

工业控制环节中离不开控制器，PID 调节器属于使用范围最为广泛的控制器之一。其控制精髓便是设置调整好其PID 参数，来满足预先设定好的各种控制性能。但是基于控制情况多种多样，许多被控过程具有机构复杂、非线性程度高、纯时滞以及时变不确定这些特征。尤其当控制器外界环境处于较大扰动或者较大噪声时，此时模型内部的结构以及预先设定参数均会由外界环境的改变发生改变。

1 智能PID 控制

现阶段智能控制器展现出空前的发展与应用水平。其主要结构分成两大层，上部分利用配备的智能技术将整个系统状态整体把控，随时根据需要对于参数进行调节。下部分会动态将被控对象进行控制。不同于传统的PID 控制器，智能控制器对于系统精确微分方程下的模型要求度不高，因此智能控制器拥有更加良好的鲁棒性以及高实现性，应用前景更高。以下为智能开发方面的具体介绍：

由智能技术现阶段的分类可知，智能PID 控制主要有三大类别，第一种为：基于专家系统的智能PID 控制器；第二种为：基于模糊逻辑的智能PID 控制器；第三种为：基于神经网络的智能PID 控制器。人们利用多种智能技术来应用并创造出智能程度更高的PID 控制器。

1.1 基于专家系统的智能PID 控制器

专家控制的本质是基于控制对象和控制规律的各种专家知识。通过人工智能技术的应用，可以尽可能地优化和应用受控对象。对于许多复杂的工业问题，在大多数情况下，很难做出准确的描述和严格的分析。该专家系统可以更好地预测上述问题，并找到合适的解决方法。此外，专家系统还可以处理具有一些错误或缺陷的一类数据。

1.2 基于模糊控制的智能PID 控制器

模糊控制器相关的知识库需要根据模糊规则表进行构建，根据模糊控制器在输入时记录进行模糊以及清晰两者数量上的收集，模糊逻辑为其整个过程的推理原理。将模糊PID 控制器应用于PID 控制当中变形成了模糊控制，该种方式主要能够在时变、高阶以及非线性等对象中使用到。

以模糊规则表的形式建立了模糊控制器的知识库。在数据库中收集模糊控制器输入的清晰数或模糊量，其推理机制由模糊逻辑组成。模糊控制，即模糊PID 控制器，引入了PID 控制，可用于高阶、时变和非线性控制对象。模糊PID 控制方式主要有模糊PID 控制器模糊（PID ）2控制器等多种。

该控制器的基本设计思想如下：首先基于原有的PID 控制理论以及方法，利用相关知识理论构建出模糊控制的具体规则库，接着获取模糊PID 控制形式，然后输入模糊控制器。给予。最后，离散模糊控制器需要根据模糊处理过后的控制输出得到，其控制参数表现为非线性，此外该控制器依然和传统PID 拥有一样的线

性形式，两者控制效果相差不大。均有着一阶加纯延迟后的过程对象，同时也需看到高阶系统整体呈现出的控制效果要比PID 控制器的效果好，特别是对于非线性等复杂物体，由于控制器的输入矢量被分割，很难将模糊PID 控制器应用于传统的PID 控制器。将不同的控制规则应用于不同的区域，并获得令人满意的控制结果。模糊PID 控制器是传统PID 的延伸。通过模糊规则来表达人的经验，调整PID 参数，突破传统PID 的局限性。1.3 基于神经网络的智能PID 控制器

该控制器的参数可以根据神经网络自带的学习能力进行调整稳定，此外神经网络还有着强大的非线性函数能力一样可以辅助PID 控制器进行参数调节、结构和输入参考信号的变化。能够抵抗外界的干扰。在实际应用中，神经网络结构的确定、权系数初值的确定和输入模式的选择有时对控制结果起着重要的作用。

根据控制器的结构，神经网络PID 控制器可分为两种：一种是神经网络PID 控制器的输出参数，称为显式控制器，另一种是神经网络PID 控制器的输出控制。它被称为隐式控制器。前者的物理意义清晰，易于工程师理解和操作。利用PID 控制的思想，后者不再局限于控制器形式的PID 项的简单线性组合。它是一种更先进的PID 控制形式。

2 智能PID 控制器应用展望

控制方法不仅仅局限于上述三种，还有人类控制、学习控制以及专家控制等。免疫算法都处于开发过程中。综观近年来智能PID 控制的发展，我们可以总结出以下特点：

（1）通常对于控制器性能的提高途径可以选择使用智能复合控制器。近些年逐渐呈现出神经网络与模糊控制两者互相融合这种智能系统研究新方向。此外在神经网络PID 控制器权重方面会经常使用到遗传算法来进行有效的优化，并且把模糊控制利用遗传算法进行分析应用，证明了遗传算法是一种有效的规则和隶属函数调整方法。

（2）控制理论领域中的专家阿思特罗姆曾经提出，控制工程在将来一段时间内将会继续产生并发挥其应有的作用，不论精度多高的控制器均不能离开控制器这一基础单元。我国吴宏鑫学者提出一种“特征建模”理论，该理论将PID 控制器体现出的应用理论基础进行了有效的证实，并且证明其具有其他控制器无法替代的优势。它将成为复杂系统智能控制中最基本的子控制单元。（3） 在理论研究方面，特别是在应用方面，中外差距明显。日本，欧洲和美国不仅处于理论研究的前沿，而且还成功应用了横河电机，富士电机等产品，模糊逻辑和标准PID 控制相结合来抑制超调，成功实现。然而，在中国有更多的重复研究，较少的创新研究和较少的工程应用，特别是运行时间长的智能PID 控制器可以说很少。这种情况需要广大理论家和工程师的共同努力，尽快改变这种状况。

PID 控制方法的研究现状及应用展望

樊大勇

（河钢集团唐钢公司信息自动化部，唐山 063000）

摘要：自动控制当中有众多控制方法，其中使用较为广泛且使用较早的便是PID 控制。从结构，实际控制工程要求和实现条件等方面分析了PID 控制的独特优势。同时，介绍了二阶线性时不变系统PID 控制器的设计方法。介绍了高阶线性时不变系统的特征建模原理，分析推导了基于特征模型的二次最优消除静态误差控制设计方法。实践证明，高阶线性时不变系统和大量非线性系统可以使用PID 控制器实现位置不变控制，为不同的输出状态等不同的手动调整方法提供了合理的解释。最后，PID 控制器的结构被描述为最基本的智能控制单元之一。

关键词：PID 控制；展望；智能控制doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.01.095中图分类号：TP273.5 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）01-0129-02