高精度模糊PID控制器在温度控制中的应用

[摘 要]本文提出一种将模糊控制和PID 控制相结合起来，通过模糊控制实现PID参数自适应的方法来控制系统温度。这种Fuzzy- PID 策略，是对传统控制方式的改进和扩展，它既保持了常规PID 控制系统结构简单、使用方便、鲁棒性强、控制精度高的优点，又采用模糊推理的方法实现了PID 参数、、的在线自整定，兼具了模糊控制灵活性、适应性强的特点。仿真结果表明，模糊PID控制算法不但简单实用，而且响应速度快，超调量小，控制效果良好。

[关键词]模糊控制 PID 温度控制

中图分类号：TP273.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0145-02

一、模糊PID控制理论

1、模糊控制基本理论

模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，即使利用各种方法来简化系统动态也难以达成控制的目的。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。

一般的模糊控制系统包含以下五个主要部分：

（1） 定义变量

也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变量有输出误差e与输出误差之变化率ec，而控制变量则为下一个状态之输入u。其中e、ec、u统称为模糊变量。

（2） 模糊化（Fuzzify）

将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值（Linguistic value）求该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（fuzzy subsets）。

（3） 知识库

包括数据库（data base）与规则库（rule base）两部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。

（4） 逻辑判断

模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精髓所在。

（5） 解模糊化（defuzzify）

将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为系统的输入值。

2、PID控制系统

PID控制器是将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制器是一种线性控制器，它的传递函数为：

PID控制器各控制环节的作用：

（1）比例环节能加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，控制系统一旦产生偏差信号，控制器就发出控制指令，调节系统，最大限度地减小偏差；

（2）积分环节的作用是消除系统的稳态误差，提高系统的无差度；

（3）微分环节的作用是改善系统的动态特性，在偏差信号值变到太大之前，控制器就产生一个早期修正信号指令，从而加快系统的调节速度，减少调节时间。

3、模糊PID策略的研究

众所周知，温度变化过程的机理是很复杂的，且温度控制系统由于存在着大惯性、非线性等特性，如果采用普通的控制算法，例如PID等，试图建立精确的数学模型是极其困难的，很难保证最后的控制效果；如果采用自适应等控制算法，就要花费大量的精力去分析系统的模型，并且由于温度控制系统的模型复杂，建立模型也比较难于正确地描述系统的真实行为，所以采用该控制方法也不是非常合适的。温度控制系统本身就是时变的、非线性的、有滞后的复杂系统，因此无论使用经典的PID控制还是现代控制理论的各种算法都很难达到满意的控制效果。但是，对于这些难以利用传统方法实现自动控制的生产过程，有经验的操作人员使用手动控制却能够取得令人满意的控制结果。

分析一下操作人员的手动控制就不难发现，其实人的控制行为正是遵循反馈控制的思想，并且运用了模糊的方法。模糊控制正是运用或是模仿了人的智能行为，如果温度控制系统采用模糊控制的方法，也许就能够非常容易解决上述的问题，从而实现温度控制系统的智能控制。因此确定采用模糊控制算法进行系统控制。

模糊控制属于计算机控制的一种形式，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，模糊控制系统方框图如图1所示。

然而，模糊控制要有好的控制效果，必须具有较完善的控制规则。对于某些复杂的控制过程，有的时候很难总结出较完整的控制经验；并且当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰影响的时候都会影响模糊控制的控制效果。为了促进模糊控制的深入研究，众多的学者进行了卓有成效的工作，对常规模糊控制进行了一些改进，并且发展成为自适应和自学习的模糊控制、模糊预测控制、神经网络模糊控制等。

4、模糊PID控制原理

1、模糊PID控制系統结构

模糊PID控制系统主要由参数可控式PID系统和模糊控制系统两部分组成，其原理如图2所示。参数可控式PID控制器完成对系统的直接控制，模糊控制器实现对PID3个控制参数（Kp、Ki及Kd）的在线自动修正。

2.PID参数调整规则

式中：为系统误差，为系统误差变化量；为比例作用系数，影响系统响应速度和精度；为积分作用系数，影响系统稳态精度；为微分作用系数，影响系统动态特性。通常情况下，针对不同的和，，和的选择遵循以下原则：

（1）当较小时，为使系统具有较好的稳定性，与均应取得大些；同时，为避免系统在设定值附近出现振荡， 较大时，取较小值；较小时，取值则较大。

（2）当处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，应取较小值；同时的取值对系统响应的影响较大，也应取较小值。

（3）当较大时，为使系统具有较好的动态性能，应取较小的与较大的。同时，为避免系统响应出现较大超调，应限制积分作用，通常取=0。

模糊PID控制器的本质就在于通过模糊推理，根据不同的和，在线实时修订3 个PID作用系数，即可制定出Δ、Δ和Δ的模糊控制规则。

三、自适应模糊PID控制器设计

温度控制系统分为模糊PID控制区和直接控制区，控制温度接近目标温度达到一定误差限度（-1℃≤≤1℃）时，启动模糊PID控制算法，使温度稳定在目标温度附近。当温度超过上述误差限度，采用直接控制算法。这样即保证了系统的稳定性又提高了系统的快速性。模糊控制系统采用二输入三输出模糊控制器，输入为温度误差和温度变化，输出为3个PID作用系数，和。

1、 模糊PID软件设计流程简述（模糊PID算法的程序流程图见图3所示）

2、 模糊PID软件仿真曲线

根据大量的理论依据和实践，得出实际系统的近似数学模型，通过在PC机上编程分别得出常规PID和模糊PID系统曲线图，如图4（a）和（b）所示。

从图中看出模糊 PID 温度调节系统对于温室温度的变化调节更加平稳，显示了很好的控制效果。具体表现为变频器的频率上升和下降更为平稳，基本没有出现过采用传统PID 时频率的跳跃式上升和下降情况。

从性能比较结果表1 中可以清楚的看到模糊PID 的优势。

五、结语

系统所采用的自适应模糊 PID 控制器与传统的PID 控温技术相比，使系统的运行费用大大降低，并可节省大量的人力资源，有效地避免了人工操作的主观性和随意性，提高了环境测控的精度和效率。温度控制过程中，把模糊控制理论与技术应用于温度监控与调节中，非常适合于非线性控制，且系统可以在线自整定PID 参数，控制超调量小，鲁棒性好，对系统参数变化不敏感，系统可根据任意的控制规则、等级数、隶属值得出模糊控制总表，并自动实时地进行监测和调节，达到良好的控制效果。

参考文献

[1] 齐京礼，边永青，郑伟平，等基于自适应模糊P ID 控制器的温度控制系统.微计算机信息， 2008

[2] 汤兵勇，路林吉， 王文杰.模糊控制理论与应用技术[M]. 北京清华大学出版社， 2002

[3] 劉东凯.华中科技大学硕士学位论文，2004

[4] 吴振顺，姚建均，岳东海.模糊自整定P ID控制器的设计及其应用.哈尔滨工业大学学报，2004

作者简介

余一军，出生年月：1981.3.1，性别： 男，民族：汉，籍贯：浙江省上虞市，学历： 本科，研究方向：工业自动化。