基于智能控制的PID控制方式研究

黎永浩 曾憲榮

摘要：本文用PID控制來當作核心，聯(lián)合并運用智能控制技術(shù)，針對智能控制的PID控制方式進行研究，并解析了PID控制以及智能控制的特點，進而提出了一種新型的智能PID控制方式。

關(guān)鍵詞：智能控制；PID控制；控制方式

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0025-01

近幾年，伴隨控制科學的快速進展，同時控制理論也已通過了經(jīng)典控制以及現(xiàn)代控制這兩個擁有十分關(guān)鍵意義的進展階段，現(xiàn)在它的理論與技術(shù)已經(jīng)十分完善，并且還獲得了非常普遍的運用?？墒牵诮?jīng)典控制和現(xiàn)代控制這兩個理論當中擁有一個相同的特點，那便是：基于被控制對象的清楚、有效的數(shù)學模型，也便是被控制對象以及干擾都可以運用較為嚴格的數(shù)學方程與函數(shù)來進行表現(xiàn)，通常控制目標與任務(wù)都會十分直接、明晰，被控制對象的不明確性以及外界所產(chǎn)生的干擾至能夠從非常小范疇內(nèi)產(chǎn)生。而對那些較為繁瑣、巨大的被控制對象以及外界環(huán)境，有的時候卻很難設(shè)立較為清楚、有效的數(shù)學模型，進而不能運用傳統(tǒng)的控制理論來針對它實行定量的解析、測算與控制。所以，便產(chǎn)生了智能控制，并且其也獲得了快速進展，現(xiàn)在已經(jīng)進到了工程化、實用化階段當中。

1 常規(guī)PID控制

常規(guī)PID控制在針對工業(yè)經(jīng)過方面進行控制中，其擁有原理簡潔、便于完成、運用便捷、穩(wěn)定可靠以及穩(wěn)態(tài)沒有靜差等許多優(yōu)點。所以，盡管現(xiàn)在控制理論與技術(shù)都獲得了快速的進展，可以依然擁有差不多90%的控制還是在運用PID控制，其從工業(yè)控制領(lǐng)域當中依然擁有非常強的生命力[1]。

1.1 PID控制的基本原理

PID控制也可以稱作PID調(diào)節(jié)，它的控制規(guī)律是比例、積分以及微分控制，便是依照系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差量，然后運用比例、積分以及微分算法，然后測算出控制調(diào)節(jié)量，進而針對系統(tǒng)進行良好的控制。

1.2 PID控制的特點

（1）比例控制。在PID控制當中比例（P）控制是最基礎(chǔ)的一種形式，它控制器的輸進和輸出之間所形成的誤差為比例關(guān)系。只要系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，那么控制器便會形成控制效用，進而讓被掌控的對象不斷往縮減誤差的方向不斷轉(zhuǎn)變，控制效用的強弱是通過比例系統(tǒng)Kp來進行決定。可是對擁有自平衡（便是系統(tǒng)階躍響應(yīng)最終數(shù)值是一有限值）能力的被掌控對象來說，系統(tǒng)便會產(chǎn)生靜態(tài)誤差（Steady-state error）。經(jīng)過調(diào)節(jié)Kp可以讓其加大，這樣便能夠縮減靜態(tài)的誤差，可是若Kp過于大的話，又會致使系統(tǒng)超調(diào)量加大，從而致使系統(tǒng)動態(tài)性能遭到損壞。（2）積分控制。積分（I）控制的輸進和輸出之間所形成誤差的積分為正比關(guān)系。若是系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，那么控制器便會針對所出現(xiàn)的誤差實行記憶并積分，哪怕是很小的誤差，積分量也會伴隨時間的加長而不斷加大，進而讓系統(tǒng)靜態(tài)的誤差得到縮小，直至零，清除靜態(tài)誤差。可是，積分效用擁有一定的滯后性，若是積分效用過于強的話，會讓被控制對象的動態(tài)品質(zhì)遭到損壞，進而致使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況。（3）微分控制。微分（D）控制器的輸進和輸出之間所形成誤差的微分為正比關(guān)系。若是系統(tǒng)出現(xiàn)了誤差，那么控制器便會針對誤差實行微分，進而估測出誤差轉(zhuǎn)變的規(guī)律，這樣可以提前進行預防，進而從很大程度上避免出現(xiàn)被控制量嚴重超調(diào)的狀況?？墒?，微分控制對干擾也十分敏感，會致使系統(tǒng)對干擾的抑制能力得到下降。

2 智能控制

2.1 智能控制的概念

在二十世紀七十年代早期，美國普渡大學（Purdue University）電氣工程系國際知名華裔科學家傅京孫（K.S.Fu）教授提出了智能控制。因為它是將人工智能、計算機、訊息處置以及自動控制、運籌學等各個領(lǐng)域知識進行結(jié)合的交叉學科，因此其在許多領(lǐng)域當中都獲得了普遍運用。智能控制便是經(jīng)過運用定性和定量進行聯(lián)合的方式，從而針對被掌控對象環(huán)境以及任務(wù)的繁瑣性、不穩(wěn)定性和多變性，有效地完成繁瑣訊息的處置、優(yōu)化、判定以及決策，進而實現(xiàn)對被掌控對象進行掌控的目的。

2.2 智能控制的結(jié)構(gòu)特點

智能控制從解析方式上面擁有定性和定量兩個聯(lián)合的特點，而從構(gòu)造上面也擁有非常顯著的交叉學科（多元化）特點。依照它的進展經(jīng)過可知，已經(jīng)提出了智能控制的二元結(jié)構(gòu)（榮功智能與自動控制學科進行聯(lián)合的結(jié)果）、三元結(jié)構(gòu)（人工智能、運籌學以及控制論三者進行聯(lián)合的結(jié)果）、四元結(jié)構(gòu)（人工智能、系統(tǒng)論、運籌學以及控制論四者進行聯(lián)合的結(jié)果）[2]。他們也能夠運用交集方式來進行展示，便是：

二元結(jié)構(gòu)：IC=AI∩AC；三元結(jié)構(gòu)：IC=AI∩CT∩OR四元結(jié)構(gòu)：IC=AI∩CT∩ST∩OR。

當中，IC是指智能控制（Intelligent Control）；AC是指自動控制（Artificial Intelligence）；CT是指控制論（Control Theory）；OR是指運籌學（Operations Research）；ST是指系統(tǒng)論（System Theory）。

在智能控制結(jié)構(gòu)進展中能夠看出：（1）因為人工智能理論及技術(shù)的進展和其往控制領(lǐng)域當中的不斷滲入，與運籌學的定量改進方式（比如線性籌劃、網(wǎng)絡(luò)籌劃、改進決策以及多目標改進等各種方式）逐漸和控制系統(tǒng)問題進行聯(lián)合，從理論和實踐方面維控制理論打開了新進展方向，提供了新思維與方式，進而為智能控制的出現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)；（2）智能控制便是把人工智能的理論及技術(shù)與運籌學的改進方式，和控制理論及技術(shù)與系統(tǒng)問題進行聯(lián)合，從未知的環(huán)境（其是指廣義的被控制對象或者是經(jīng)過與其外界環(huán)境）中，模仿人類的智能，從而完成對系統(tǒng)的抑制。

3 基于智能控制的PID控制方式

如前面所說，盡管常規(guī)PID控制當中擁有一些不足的地方，可是因為其擁有非常明顯的優(yōu)點，所以其從工業(yè)經(jīng)過抑制領(lǐng)域當中始終都占據(jù)著主導位置?？墒牵瑥默F(xiàn)實運用過程中，因為很多被控制過程機理都非常繁瑣，擁有非常強的非線性、不穩(wěn)定性以及滯后性等特征，所以致使PID控制參數(shù)的整定達不到預定的成效；從噪聲以及負載干擾等眾多因素的影響下，過程參數(shù)乃至是模型構(gòu)造都會伴隨時間以及工作環(huán)境的改變而不斷轉(zhuǎn)變，這便需要從PID控制當中，不但PID參數(shù)的整定不能依附系統(tǒng)數(shù)學模型，同時PID參數(shù)還要進行在線調(diào)節(jié)，進而可以讓實時控制的需求得到滿足。所以，用PID控制來當作核心，并聯(lián)合應(yīng)用智能控制技術(shù)，進而逐漸產(chǎn)生了多個基于智能控制的PID控制方式，比如專家PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制以及遺傳PID控制等。

4 結(jié)語

綜合上面所說，將傳統(tǒng)PID控制和智能控制充分聯(lián)合在一起，進而所產(chǎn)生的智能PID控制，能夠非常好的抑制較為繁瑣的非線性系統(tǒng)，同時其還兼顧了各個方式的優(yōu)點。伴隨對智能控制理論的不斷鉆研，過程智能控制和其應(yīng)用一定會得到更大的進展，并且還會產(chǎn)生更多新的PID智能控制方法，進而讓PID控制的性能變得更為完備，同時控制的效果也會得到大幅度增加。

參考文獻

[1]劉莉宏.基于智能控制的PID控制方式的研究[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2012，（2）：33-38.

[2]王威，楊平.智能PID控制方法的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J].自動化儀表，2008，（10）：1-3.