PID与模糊控制算法的比较及其改进

文章编号:167127848(2003)0120051203

控制工程

ControlEngineeringofChinaJan.2003Vol.10,No.1

PID与模糊控制算法的比较及其改进

刘素芹,刘新平,戚　平,陈继东

(石油大学计算机与通讯工程学院,山东东营　257061)

摘　　　要:分析比较了PID控制和模糊控制算法,针对一般PID控制容易产生超调、模

糊控制的稳态精度不高的缺陷,提出了相应的改进算法—复合PID算法和带动态补偿的模糊控制算法,并通过水温控制仿真实验,比较了这几种控制算法的控制效果。实验结果证明,这两种改进算法不仅系统超调小,而且具有较高的稳态控制精度,可广泛应用于精确控制领域。关　键　词:PID控制;复合PID控制;模糊控制;带补偿的模糊控制中图分类号:TP13　　　文献标识码:A1　引　言

PID控制与模糊控制是两种常用的控制方

的特点可将整个流程分为3个阶段,如图1所示。

①升温阶段　采用PID控制。

②过渡阶段　即在温度升至接近恒温处(ΔE

≤Ek)时,应主要防止系统超调,因此,清除积分项,采用PD控制算法。

③恒温阶段　要求较高的控制精度,采用PID算法。另外,为防止因负载突变而引起积分

法,但它们还存在一些不足,如一般PID控制容易产生超调、模糊控制的稳态精度不高,在这两种控制方法基础上进行改进,可产生多种更好的控制方法。本文提出的复合PID控制算法和带动态补偿的模糊控制算法克服了以上缺陷,取得了较好的实验效果。

饱和现象,采用积分分离法。

2　PID控制算法及改进的PID控制算法

1)PID控制算法　PID调节的实质就是根

据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制,将基本PID算式离散化可得到位置型PID控制算法,对

图1　各阶段控制算法图

　　其中,Ek为温度偏差,M为温度门限值。以上各阶段的比例、积分、微分系数可分别整定。实践证明,这样可保证每个控制阶段都能达到较为理想的控制效果。

位置型PID进行变换可得到增量型PID控制算法。对控制精度要求较高的系统一般采用位置型算法,而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中,则采用增量型算法。

2)改进的PID控制算法　在实际控制中,为提高系统调节品质,可根据系统的实际要求对PID控制进行改进,主要有不完全微分的PID控

3　模糊控制算法及改进的模糊控制算法

1)模糊控制算法　模糊控制是通过计算机

完成人们用自然语言所描述的控制活动,模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。

模糊控制器的基本组成如图2所示。它主要由3个功能模块组成:输入量的模糊化、模糊运算

制[1]、积分分离的PID控制[1]和变速积分的PID控制[2]等。

在实际过程控制中,对于不同控制流程的不同阶段,分别采用不同的控制方法,被称之为复合PID控制。如在温度控制流程中,根据温度变化

收稿日期:2002-05-06

作者简介:刘素芹(1968-),女,山东东明人,石油大学讲师,硕士,主要从事自动控制、网络通信等方面的教学及研究工作。

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控　制　工　程　　　　　　　　　　　　　　第10卷

的基础上增加了动态补偿及反馈调节环节,从而

减少了模糊控制器变量个数,用较为简单的规则及推理实现复杂的多变量模糊控制,使系统设计简洁、灵活。其动态补偿公式的提取可根据影响控制系统的各因素绘出对应的系统输出曲线,然后根据这些曲线拟合出不同条件下的补偿公式,最后综合起来即可得到总的补偿公式。

和模糊判决输出。

图2　模糊控制系统原理示意图

　　模糊推理一般采用最大最小推理。对于模糊

控制规则Ri,其条件部分是由and算子联接的两个子条件组成,总条件的满足度由子条件隶属函数的最小值算出。

在模糊逻辑中,if2then关系可用条件和结论的叉积表示,叉积的隶属函数是条件和结论隶属函数的最小值,所有规则由or算子联接起来即可得到总的模糊关系R。

由于模糊推理的输出是模糊值,还必须去模糊化,将模糊输出转化为非模糊值。常用面积重心法去模糊化,对于离散式模糊控制器,可采用数字积分求和。

通过模糊化、模糊推理和解模糊的过程,最终可以得到系统的模糊控制输出表。

2)改进的模糊控制算法　模糊控制器与PID控制器相比具有调节速度快、鲁棒性好等优点,但也有需要进一步改进和提高的地方。首先稳态精度欠佳是模糊控制的一个弱点,模糊控制与PID控制相结合是一种常用的方法。其次应与自适应控制技术、人工智能技术、神经元网络技术和模糊控制技术相结合,进一步提高模糊控制器的适应能力及智能水平。然后是研究多变量模糊控制器,以适用于多变量控制系统。以下给出一个具有上述优点的模糊控制器模型。

在模糊控制器设计时,将论域上的基本模糊子集定义为不均匀的模糊划分,即在零左右的模糊子集划分得较细,使得控制器在工作点附近有更细腻的控制动作,而左右的区段定义则逐步增大,这样即可保证有足够的控制精度,控制规则数也可大大减少。

在实际控制过程中,有许多因素会对系统产生较大影响,为了减少输入输出变量,简化模糊控制器设计,可以将其分解为两类:难以抽象出数学模型的变量因素采用模糊推理,而易于抽象出数学模型的变量因素则以动态方程的形式在线加以补偿。这样可得到一个带动态补偿的多变量模糊控制器模型,如图3所示。它在一般模糊控制器

图3　带动态补偿的多变量模糊控制器模型

　　另外,考虑到系统还要受其他诸多因素的影响,这些因素也很难用精确的数学模型来描述,因此再在控制器输出中增加一调整变量u′,根据系统实际控制的反馈情况进行调节,进一步增强系统的适应性。

4　仿真实验

为了对比上述几种控制方法,设计了一套水温控制实验装置,分别按以上4种控制方法进行升温、恒温控制,效果如图4、图5所示。

图4　PID控制曲线与复合PID控制曲线

图5　模糊控制曲线与带补偿的模糊控制曲线

　　由图中可以看出,一般PID控制容易产生超

(下转第93页)

第1期　　　　　　　王建良等:有源电力滤波器谐波及无功电流的检测分量来检测谐波和无功电流的新方法,在分析该方法原理的基础上,给出了原理图及计算机的仿真结果。理论分析及仿真结果表明:该检测方法不仅具有实时性好,准确度高,电路简单,不存在系统不稳定的问题等优点,而且该方法可广泛应用于单相和三相四线不平衡系统中。参考文献:

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activepowercompensatorscomprisingswitchingde2

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WANGJian2liang,CUIGui2mei,HONGXiao2ying

(DepartmentofAutomation,BaotouIron&SteelInstitute,Baotou014010,China)

Abstract:DetectingtheharmonicsandreactivecurrentexactlyandpromptlyisthekeyoftheAPF’stimingcompensation.Forthetraditionaldetectingsystemisverycomplexandneedsnumerouscomponents,thispaperpresentsanewdetectingmethodforharmonicsandreactivecurrent,accordingtoFouriertransform,inactivepowerfilterbasedoneliminationoftherealpartofthefundamentalloadcurrent.Thesystemstructurederivedfromthisalgorithmissimpleandrequireslessercomponents,atthesametime,hasafinertimingperformance.Itnotonlyfitsforsingle2phasecircuit,butalsoforthree2phasecircuit.Thetheoryanalysesandtheresultsofsimulationsshowthatthistechniquecandetecttheharmonicsandreactivecurrenttimelyandpreciously.Keywords:activepowerfilter;therealpartoffundamentalhamonics;detectingmethod

(上接第52页)

调,模糊控制的稳态精度不高,而复合PID控制及带补偿的多变量模糊控制效果较好,不仅系统超调小,而且具有较高的稳态控制精度。就过渡时间和系统鲁棒性而言,模糊控制方法比PID控制有更好的控制特性。

的应用前景。参考文献:

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5　结　语

本文提出的模糊控制器加动态补偿的控制方

案,可以对复杂对象实施精确控制,较好地解决了控制精度高与过渡时间长、控制精度与鲁棒性之间的矛盾。模糊控制器在精确控制领域具有广阔

社,1995.

ComparisonandImprovementofthePID2control

AlgorithmandtheFuzzyControlAlgorithm

LIUSu2qin,LIUXin2ping,QIPing,CHENJi2dong

(InstituteofComputerandCommunication,UniversityofPetroleum,Dongying257061,China)

Abstract:ThispaperanalyzesandcomparesthePIDcontrolalgorithmandthefuzzycontrolalgorithm.BecausetheusualPIDcontrolmethodoftenappearssuper2adjusandlowprecisionofthefuzzycontrolmethod,weadvancetwoimprovedcontrolmeth2ods—thecompoundPIDcontrolalgorithmandthefuzzycontrolalgorithmwithdynamiccompensation.Bytheexperiment,wegetagroupofcontrolresultsofthesecontrolalgorithm.Theseimprovedcontrolmethodshavesatisfiedeffectandcanbewidelyusedinexact2controlfield.

Keywords:PIDcontrolalgorithm;compoundPIDcontrolalgorithm;fuzzycontrolalgorithm;fuzzycontrolalgorithmwithdy2namiccompensation