自適應(yīng)PID控制_小論文.doc

自適應(yīng)PID控制摘要：自適應(yīng)PID控制是一門發(fā)展得十分活躍控制理論與技術(shù),是自適應(yīng)控制理論的一個重要組成部分,本文簡要回顧PID控制器的發(fā)展歷程,對自適應(yīng)PID控制的主要分支進行歸類,介紹和評述了一些有代表性的算法。關(guān)鍵詞：PID控制，自適應(yīng)，模糊控制，遺傳算法1 引言 從問世至今已歷經(jīng)半個世紀的PID控制器廣泛地應(yīng)用于冶金、機械、化工、熱工、輕工、電化等工業(yè)過程控制之中，PID控制也是迄今為止最通用的控制方法， PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，因為他所涉及的設(shè)計算法和控制結(jié)構(gòu)都很簡單，并且十分適用于工程應(yīng)用背景，所以工業(yè)界實際應(yīng)用中PID控制器是應(yīng)用最廣泛的一種控制策略(至今在全世界過程控制中用的80% 以上仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進型包含在內(nèi)則超過90%)。由于實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性和時變不確定性，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達到理想控制效果，長期以來人們一直尋求PID控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標的控制要求。隨著微機處理技術(shù)和現(xiàn)代控制理論諸如自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、預(yù)測控制、魯棒控制、智能控制等控制策略引入到PID控制中，出現(xiàn)了許多新型PID控制器。人們把專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論整合到PID控制器中，這樣既保持了PID控制器的結(jié)構(gòu)簡單、適用性強和整定方便等優(yōu)點，又通過先進控制技術(shù)在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)，以適應(yīng)被控對象特性的變化。2 自適應(yīng)PID控制概念及發(fā)展2.1 PID控制器 常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示，系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。 PID的標準控制規(guī)律：式中:e(t)控制器偏差輸入;u(t)控制器輸出;Kp,Ki,Kd 比例、積分和微分項系數(shù)。2.2 PID控制器的發(fā)展 1936年，英國諾夫威治市帝國化學(xué)有限公司(Imperial Chemical Limited in Northwich, England)的考倫德(Albert Callender)和斯蒂文森(Allan Stevenson)等人給出了一個溫度控制系統(tǒng)的PID控制器的方法并于1939年獲得美國專利。從美國專利局的網(wǎng)站上，可以找到當年獲得專利的PID計算公式。 這個公式與我們現(xiàn)在使用的PID公式已經(jīng)沒有很大區(qū)別。式中，e代表溫度。只是當時把比例積分微分的增益倍數(shù)分開了，可以想象當初這樣做的原因:用K1來確定積分的強度(斜率)，用K3來確定微分的強度。面對這個美妙的、簡潔的、普適的思想，我們還是多花點時問關(guān)注一下她的生日吧。她的專利的美國存檔時問是1936年2月17日。英國的存檔時間:1935年2月13日;1939年10月10日批準美國專利申請。這說明PID的誕生時問應(yīng)該在1935年初了，只是出生證明開在1936年。 1940年以后為革新階段，在革新階段，PID控制器已經(jīng)發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應(yīng)用的控制器。儀表工業(yè)的重心是使PID控制技術(shù)能跟上工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。從氣動控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制，PID控制器的體積逐漸縮小，性能不斷提高。一些處于世界領(lǐng)先地位的自動化儀表公司對PID控制器的早期發(fā)展做出重要貢獻，甚至可以說PD控制器完全是在實際工業(yè)應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善起來的。 PID控制至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種實用控制器。各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并沒有削弱PID控制器的應(yīng)用，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對于PID控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。一方面，各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于PID控制器的設(shè)計之中或者是使用新的控制思想設(shè)計出具有PID結(jié)構(gòu)的新控制器，PID控制技術(shù)被注入了新的活力。另一方面，某些新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的PID控制，從而刺激了控制器設(shè)計與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。2.3 發(fā)展中的自適應(yīng)PID控制 PID控制技術(shù)經(jīng)過近幾年來的研究和發(fā)展，近年來國內(nèi)外學(xué)者越來越多地將智能控制技術(shù)引入PID控制器的設(shè)計與構(gòu)成。下面將介紹這方面的研究、發(fā)展和創(chuàng)新。2.3.1自尋最優(yōu)PID控制器其控制原理是:系統(tǒng)以積分誤差性能指標為準則，當誤差性能指標為最小時，即系統(tǒng)為最佳狀態(tài)，此時PID的各參數(shù)為最佳參數(shù)。常用積分誤差性能指標有ISE、IAE、ITAE等，可根據(jù)不同控制系統(tǒng)選擇不同性能指標。對于隨動跟蹤控制系統(tǒng)一般可選用ISE積分誤差性能指標。2.3.2模糊PID控制器模糊控制是一類應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。特別是在一些大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，無法獲得系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，而模糊控制不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型。這種控制器不但具有PID控制精度高等優(yōu)點，又兼有模糊控制靈活、適應(yīng)性強的優(yōu)點，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和要求高精度的伺服系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的控制效果，是近年來控制領(lǐng)域十分活躍的一支分支。模糊盒樹法自適應(yīng)PID算法，通過對常規(guī)PID控制系統(tǒng)性能品質(zhì)的分析，提出一種PID控制策略，利用模糊盒樹的分枝定界算法，以最少的模糊規(guī)則推理實現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、動態(tài)品質(zhì)優(yōu)良的特點。2.3.3神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器由Windrow提出的自適應(yīng)神經(jīng)元，由于具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，且結(jié)構(gòu)簡單、實時性強、無須對控制對象精確建模等優(yōu)點。在神經(jīng)非模型控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合PID控制的優(yōu)點，提出了神經(jīng)非模型自適應(yīng)PID控制方法，確定了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的輸入信號，設(shè)計出自適應(yīng)系數(shù)的在線修正算法，在使控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能所進行的研究，取得了一定成效。2.3.4基于遺傳算法的PID控制器 遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法，其基本思想是將待求解問題轉(zhuǎn)換由個體組成的濱化群體進行操作折一組遺傳算子，經(jīng)歷生成一評價一選擇一操作的濱化過程，反復(fù)進行，自到搜索到最優(yōu)解?；谶z傳算法的PID參數(shù)優(yōu)化方法，這種方法可簡化優(yōu)化的解析計算過程。對免疫反饋和遺傳機制的免疫遺傳算法進行了討論和研究，基于該研究提出了一種改進的變參數(shù)PID控制策略和魯棒整定的思想，并采用免疫遺傳算法進行設(shè)計參數(shù)的魯棒優(yōu)化調(diào)整。2.3.5基于蟻群算法的PID控制器 蟻群算法是一種新型模擬進化算法，初步的研究表明該算法具有許多優(yōu)良的性質(zhì)。蟻群算法是受到人們對自然界真實的蟻群集體行為的研究成果的啟發(fā)而提出的一種基于種群的模擬進化算法，屬于隨機搜索算法。由意大利學(xué)者M.Dorigo等人首先提出。仿生學(xué)家經(jīng)過大量細致的觀察研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻個體之問是通過一種稱之為信息激素的物質(zhì)進行信息傳遞。螞蟻在運動過程中，在它所經(jīng)過的路徑上留下該種物質(zhì)，而且螞蟻在運動過程中能夠感知這種物質(zhì)，并以此指導(dǎo)自己的運動方向。因此，由大量螞蟻組成的蟻群的集體行為便表現(xiàn)出一種信息正反饋現(xiàn)象，某一路徑上走過的螞蟻越多，則后來者選擇該路徑的概率就越大，從而增加該路徑的信息激素強度，這種選擇過程稱為螞蟻的自催化過程，其原理是一種正反饋機制，所以螞蟻系統(tǒng)也稱為增強型學(xué)習(xí)系統(tǒng)。2.3.6專家智能自整定PID控制器將專家控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合而具有的自整定、自學(xué)習(xí)等功能可以用來描述復(fù)雜系統(tǒng)的特性，并通過學(xué)習(xí)和自組織得到相應(yīng)的控制策略。一些學(xué)者對專家自整定PID控制器設(shè)計的方法及應(yīng)用進行了研究，并針對一般專家自整定PID控制器的不足之處，加入智能自整定控制，提出采用階梯信號作為系統(tǒng)輸入的思路，這種智能自整定PID控制器由于采用了階梯信號作為系統(tǒng)輸入，避免了系統(tǒng)在參數(shù)訓(xùn)練過程中頻繁啟動的問題，還可以根據(jù)實際系統(tǒng)變化的要求，靈活地設(shè)定給定信號的階梯數(shù)目，以滿足一些特殊場合的控制要求，其具有很強的自整定能力，能允許對象模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在較大范圍內(nèi)變化。一種改進的單神經(jīng)元PID控制的方法，采用專家控制調(diào)節(jié)單神經(jīng)元PID控制中的比例增益，有效地解決了單神經(jīng)元PID控制中學(xué)習(xí)速度較慢，動態(tài)響應(yīng)時問增長等問題。3 結(jié)束語 自適應(yīng)PID控制是隨著自適應(yīng)控制的理論發(fā)展和在過程控制上的實踐而形成和發(fā)展的。從一開始就帶有強烈的應(yīng)用色彩。PID控制算法是迄今為止最通用的控制策略，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，先進控制理論的出現(xiàn)和發(fā)展，以及自適應(yīng)控制技術(shù)的引入，使PID控制進入了一個更為深入和廣闊的應(yīng)用大地，自適應(yīng)PID控制技術(shù)將與先進控制理論更為緊密地結(jié)合，在先進控制理論推動下，以及微處理器（例如PIC和DSP等）和傳感器等硬件的性能的大幅提高，必將是過程控制中極有發(fā)展前途的研究和應(yīng)用方向。參考文獻1代軍，蘇婭芳，張雪.PID算法及其演變J.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報 2003, (3) :43-452陶水華.新型PID控制及其應(yīng)用M.北京:機械上業(yè)出版社，2002. 113蔣麗英，李成博，李平.基于最優(yōu)保留遺傳算法的PID參數(shù)自尋優(yōu)J.儀器 儀表學(xué)報，2001，22(3):45-464蔡自興.智能控制一基礎(chǔ)與應(yīng)用M.國防工業(yè)出版社，1998. 10