水浴温控系统模糊自适应PID研究与应用

摘 要：针对常规PID控制器对水浴温控系统存在处理滞后和快速性难以同时保证，抗干扰能力、适用性差等问题，在常规PID控制器基础上对其比例-积分-微分项引入模糊环节，形成参数自适应模糊PID控制器。通过分析水浴温控系统的特性得到对积分-微分项的改进及量化因子的优化方法；在应用中证明了参数自适应模糊PID不仅具有不完全微分PID输出稳定、抗干扰能力强的特性，还同时提高了系统控制效率及适应能力。

关键词：PID；抗干扰；模糊自适应；量化因子的优化

引言

水浴温控系统具有不对称、大滞后等特点，常规的PID无法做到在线的实时调整，仿真效果良好但实际应用中具有较大的挑战，很难得到良好的控制效果。随着模糊理论逐渐的成熟，建立模糊库进行实时的模糊推理进而对常规PID进行实时的在线调节，形成模糊PID系统，在保证了原有PID系统较高鲁棒性等优势的同时，调节灵活、实用性强，具有更好的精度和适应性。一般常见的模糊PID系统分成三大类：增益调整型、直接控制量调节型、混合型（传统与模糊结合或增益与直接型结合），文章采用增益调整型的模糊PID系统[1-4]，能够更便捷的针对性的解决水浴温控系统的问题。通过OPC通讯接口以上位机为媒介实现与控制器的直接结合可以更好的验证和修改模糊推理和量化因子自适应调节过程。

1 模糊自适应PID控制系统

1.1 PID控制系统

1.2 模糊控制系统

1.2.1 模糊化

针对于水浴温控系统选用不对称的？驻ki的隶属函数，以便在前期能够获得更大的积分动力，加快前期的效率，中后期对？驻ki进行大幅缩减甚至是反向帮助微分同时抑制前期加强造成的更大的超调，这也是后期量化因子优化要考虑的地方。

1.2.2 模糊控制规则库建立

参数自适应模糊PID控制器就是找出在不同时刻PID三个参数与e（k）和？驻e（k）之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e（k）和？驻e（k），根据模糊控制原理来对三个参数进行实时修改，以满足不同e（k）和？驻e（k）对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能[5]。

（1）当偏差e（k）较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的kp值，同时为了避免由开始时偏差e（k）的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围，应取较小的kd；同时针对于水浴温控系统为了使系统响应更快，刻意产生积分饱和，积分作用较大。

（2）当e（k）和？驻e（k）处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，kp值相对前期的较大出现减弱趋势，ki的取值为防止超调从最初的饱和回到初始给定或者更小，这种情况kd取值对系统响应的影响较大，取值要大小适中，保证响应速度。

（3）当e（k）较小即接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能相对于中等误差时应增加kp的取值，本应该也相应增加ki值但为防止前期饱和造成的动力过足只稍微回调ki值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，一般是当？驻e（k）较小时， kd可取大一些；当？驻e（k）较大时， kd应取小一些。

（4）偏差变化量？驻e（k）的大小表明偏差变化速率，？驻e（k）值越大，kp的取值越小，ki取值越大[6]。

考虑到被控对象的迟滞性以及在通过实验的总结对规则进行修改，最终形成控制规则表（表1、表2、表3）：

1.3 量化、比例因子确定及优化

2 实验结果与分析改进

根据PID参数的整定方法Ziegler-Nichols[8]的方法整定出的结果和多次实验的调整选择较为理想的kp、ki、kd参数作为常规调节的参数，并且也作为自调节的基础参数进行对比实验，参数

加入模糊在同等初始条件和阶跃下的效果图如图6所示。

结果分析：图5和图6的输出量波动均在0.3左右可以加入死区限制，控制时间图5不完全微分PID在23分钟进入基本稳定，33分钟完全稳定，改为图6的不完全微分模糊自适应PID后改善到6-7分钟完全稳定，同时满足对低频干扰的不敏感性。结果证明了增加参数自适应的模糊不完全微分PID控制器比之传统的PID具有更好的抗干扰能力，面对时滞不对称系统建立的模糊规则具有更好的专家性、适用性。

3 结束语

水浴温控系统特性复杂有别于一般的无滞后对称系统。需要更加有针对性的控制系统，文章将模糊控制和PID控制两者结合起来，取长补短，既具有模糊控制的灵活性和适应性强的优点，又具有 PID控制精度高的特点，同时借鉴专家经验、系统特性，以及不完全微分等成功算法完善完成模糊规则库的建立优化，通过在线自调整控制参数，有效地处理控制系统的时滞、不对称与不确定性，提高系统的控制性能，并使其具有较好的鲁棒性能。现阶段对象单一，需要更多的实验应用建立起对规则库的自调节功能，以便更好的推广应用。

参考文献

[1]沈国江.典型大时变时滞系统的鲁棒fuzzy-PID控制及应用[J].控制理论与应用，2002（06）：892-896.

[2]刘红军，韩璞.灰色预测模糊PID控制在汽温控制系统中的应用[J].系统仿真学报，2004（8）.

[3]张弘.大滞后系统控制中专家-模糊PID方法的应用[J].计算机工程与应用，2009（28）：244-245.

[4]Song Ji-jiang，Niu Yi-xia.Temperature controller of heating furnace of crude oil based on fuzzy control and expert system [A].International Symposium on Test Automation and Instrumentation[C].2006：697-702.

[5]武新伟，狄全熙.模糊自适应PID控制器在液压伺服系统的应用[J].机械制造与自动化，2007：107-108，112.

[6]Murat Akgul，Omer Morgul.Fuzzy Controller Design for Parametric Contrllers [J].Proceedings of the 12 th IEEE，1997：12，67-72.

[7]刘慧博，王静，吴彦合，无刷直流电机模糊自适应PID控制研究与仿真[J]. 控制工程，2014，21（4）：583-587.

[8]Juan J. Gude and Evaristo Kahoraho，Modified Ziegler-Nichols method for fractional PI controllers [J]. IEEE Conference Publications，2010.