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ｌ６６ 计算机与数字工程 第３４卷 基于模糊控制的ＰＩＤ参数整定 周锐 武汉４３００５０） （武汉船舶职业技术学院电子系摘要ＰＩＤ控制算法中，参数整定是十分重要的，其好坏直接影响控制性能。有些系统中传统方法整定的参数不能 模糊控制ＰＩＤ控制 兼顾所有控制指标。介绍了用模糊控制进行ＰＩＤ参数整定的方法。 关键词中图分类号ＴＰ２７３ ．４ Ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ Ｃｏｎｔｒｏ１ Ｚｈｏｕ Ｒｕｉ （Ｄｅｐｔ．０ｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｓｉ，￣ｃｒｉｎｓ，Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．，Ｗｕｈａｎ ４３００５０） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎｓｔａｌｌａｆｏｎ ｉｓ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ，ｉｔｓ ｑ￣Ｕｔｙ ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｆｆｏｒ· ｉｎａｎｃｃ．Ｉｎ ｓ０ｎ１ｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃａｒｍｏｔ ｖｅ ｄｕａｌ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ａｌｌ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｕｎｅ ＰＩＤ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｒｌ Ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ＷＯＩ［￣Ｃｌａｓｓ ｎｕｉ￣ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒ：蚴３ ．４ １ 引言 在工业控制中，ＰＩＤ控制，以其装置简单，参数 调节方便等优点，得到广泛应用。在ＰＩＤ控制算法 中，参数整定是十分重要的，其好坏直接影响控制 性能。对于简单的控制对象或已知模型的控制对 象，利用传统的ＰＩＤ控制参数整定方法一般均可得 到较好的控制性能。但是，对于复杂的控制对象， 甚至是较简单的时变系统，传统方法整定的参数不 能一一兼顾，往往很难得到非常满意的控制效果。 当Ｋｐ太大时，系统会趋于不稳定，同时，在稳定情 况下，加大比例系数Ｋｐ，可减小稳态误差，提高控 制精度。 （２）积分时间常数Ｔｊ对系统性能的影响 积分时间常数Ｔｉ太小时，系统将不稳定，Ｔｉ太 小时，对系统性能影响会减少，当］ｒｉ合适时，过渡 过程特性则比较理想，同时，可提高控制精度。 （３）微分时间常数Ｔｄ对系统性能的影响 当微分时间常数Ｔｄ过大或过小时，会使系统 的超调量过大、调节时间过长，只有Ｔｄ合适时，才 可得到较好的动态效果。 因此，本文就利用模糊控制来进行ＰＩＤ参数整定作 些探讨。 ３模糊控制概念 模糊控制是对一种对系统控制的宏观方法，其 核心是用语言描述的控制规则。语言控制规则通 常用“如果…，则…（ｉｆ—ｔｈｅｎ）”的方式来表达在实 ２ ＰＩＤ参数对系统性能影响 ＰＩＤ控制是由比例、积分和微分环节构成，其 参数是指比例系数Ｋｐ，积分时间常数Ｔｉ和微分时 间常数Ｔｄ。它们对系统性能会产生不同的影响。 （１）比例系数ＫＤ对系统性能的影响 际控制中的专家知识和经验。Ⅱ部分，又称条件部 分，是由被控制量等构成的命题；ｔｈｅｎ部分。又称结 比例系数Ｋｐ加大，会使系统动作灵敏，速度 加快。Ｋｐ偏大，则振荡次数加多，调节时间加长， 论部分，是描述控制量的命题。模糊控制的最大特 征是将专家的控制经验、知识表示成语言控制规 收到本文时间：２００６年４月２７日 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３４卷（２００６）第８期 计算机与数字工程 １６７ 则，然后用这些规则去控制系统。因此模糊控制特 别适用于模拟专家对数学模型未知的、复杂的、非 线性系统的控制中。 模糊控制系统和常见的负反馈闭环控制系统 相似，唯一不同之处是控制装置由模糊控制器来实 现。模糊控制器通常由下列几个部分组成： （１）输人、输出量的规范化； （２）输入量的模糊化；． （３）语言控制规则； （４）模糊逻辑推理 （５）输出量的非模糊化。 输人、输出量的规范化是指将规范化的控制器 输人、输出在规定的范围之内，以便于控制器 的设计和实现。因为控制器的输人值一般都不是 模糊数，因此模糊化过程就是将输入值转化为模糊 量。语言控制规则和模糊逻辑推理是控制器的核 心。根据模糊输入量和语言控制规则，模糊逻辑推 理决定输出量的一个分布函数。非模糊化过程将 输出量的分布函数转换为规范化的输出量。最后 控制器将规范化的输出量转换为实际的输出值（即 控制量）去控制系统。给定值和被控制量之间的偏 差是控制器的输入。控制器通过偏差控制被控对 象的输出值，使其稳定在给定值。 模糊控制器的语言控制规则，简称模糊控制规 则，记为Ｒ，其形式如下： ：如果ｘｌ为Ａｉｌ，Ｘ２为Ａｉ２，…，Ｘｎ为ＡｉＩｌ， 则Ｙ为Ｂｉ １，２，…，ｍ 这里ｉ表示规则的号码，Ｘｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）称为 条件部分的变量．Ｙ为结论部分的变量。 ，Ｂｉ分 别代表各种各样的模糊子集，又称模糊变量。 ４模糊控制ＰＩＤ参数整定 ＰＩＤ控制参数整定就是根据被控对象特性和 所希望的控制性能要求决定比例系数Ｋｐ，积分时 间常数Ｔｉ和微分时间常数Ｔｄ三个参数。 最早用来整定ＰＩＤ参数的方法是著名的 Ｚｉｅｇｌｅｒ—Ｎｉｃｈｏｌｓ法。ＺＮ法有两种方式，一是根据控 制对象的开环阶跃响应决定，另一是根据只含比例 控制的闭环特性来决定。ＰＩＤ参数分别可按下面 两式求得： 式一：Ｋｐ＝０．６Ｋｕ，Ｔｉ＝０．５Ｔｕ，Ｔｄ＝Ｔｉ／４ 其中，Ｋｕ、Ｔｕ分别是在比例控制下闭环系统处 于临界状态时的比例增益和振荡周期 式二：Ｋｐ＝１．２／（￣ｒ），Ｔｉ＝２ｒ，Ｔｄ＝Ｏ．５ｒ 其中 ￡分别指迟延时间和飞升速度。 ＺＮ法虽然方便，但有时控制系统的性能不能 满足要求，例如对控制系统的超调量、上升时间， ５％的响应时间等都有要求时，ＺＮ法整定的参数不 能一一兼顾。下面，举例说明一种利用模糊逻辑来 整定ＰＩＤ参数的方法。这种方法是根据控制系统 的响应特性，自动调整ＰＩＤ参数，使控制系统的性 能满足给定的要求。 为评价控制系统的性能，采用以下四个指标： 超调量Ｙｏｓ、上升时间Ｔｒ、５％的响应时间Ｔ５、静态 误差ｅｓｓ。 利用模糊逻辑可以同时对这四种指标进行评 价。例如对于下列控制对象 Ｇ（ｓ）＝ ｅ 其阶跃响应：Ｙｏｓ＝７０％、Ｔｒ＝７０．５、Ｔ５＝８１ 现希望设计一ＰＩＤ控制器，使闭环系统的特性 达到以下要求： Ｙｏｓ≤１０％、Ｔｒ￣＜７０．５、Ｔ５≤８１，ｅｓｓ＝０ 当利用ＺＮ法，设计ＰＩＤ控制器后，闭环系统的 性能如下： Ｙｏｓ＝７０％、Ｔｒ＝７０．５、Ｔ５＝８１、ｅｓｓ＝０ 显然上述的控制特性和所要求的有差别，不仅 是超调量太大，而且系统的调整时间 也较长。 为达到所要求的控制性能，我们采用模糊控制 作如下的参数自动校正。 Ｋ “ ’＋ｙ（Ｊ）△ ｊ １）：１｛ｊ）＋ｙ（Ｊ）ＡＴｉ Ｔ ）＝ ’＋ ＡＴｄ 其中ｉ代表校正次数，７为校正速度变量，随校 正次数逐渐减小。显然，参数校正的关键是如何根 据控制指标来决定参数的修正量。为此，可采用模 糊控制的方法来建立模型，把４个性能指标作为输 人，ＰＩＤ参数的修正量作为输出。 在上述模型中，ＰＩＤ参数校正的模糊规则如 下： 如果Ｙｏｓ是Ａｉ，Ｔｒ是Ｂｉ， 是Ｃｉ，和Ｅｓｓ是Ｄｉ， 则ｚｋＫｐ为Ｅｉ，ＡＴｉ为Ｆｉ，和△１Ｉｄ为Ｇｉ（ｉ－ｌ，２，…，Ｒ） 其中Ａｉ，Ｂｉ，…Ｇｉ分别为各变量的模糊集。对 输人变量，模糊集可以根据所要求的性能指标进行 设定。当确定好输人输出的模糊子集后，下一步的 工作就是寻找一组整定ＰＩＤ参数的模糊规则，虽然 还没有系统的办法来确定最佳的一组模糊规则，但 是对不同的系统，根据大量的仿真结果，可以找出 适当的一组。表１就是通过大量的仿真，总结出的 组规则。 维普资讯 http://www.cqvip.com
ｌ６８ 基于模糊控制的ＰＩＤ参数整定 表１调整ＰＩＤ参数的模糊规则 表２ ＰＩＤ参数和控制性能指标 Ｋｐ Ｔｉ Ｔｄ Ｙｏｓ Ｔｒ Ｔ５ 第３４卷 如果Ｙｏｓ很差， 好或很好，则ｚ％Ｋｐ为负大， ＡＴｉ为零和△Ｔｄ为０ 如果Ｙｏｓ差， 好或很好，则ｚ３Ｋｐ为负小，△Ｔｉ 为零和ＡＴｄ为０ 如果Ｙｏｓ可以， 很差，则ｚ％Ｋｐ为０，△Ｔｉ为正 大和ＡＴｄ为负大 ｅｓｓ ０ 校 ２４６ １５．９ ３．９８ ５０％正 ０．月Ｕ ６．０ ５２．５ 校 正 ０．１６５ ２７．０ ２．０ ９．７％１０．５ ３９．５ ０ 后 如果Ｙｏｓ可以， 差，则ｚ％Ｋｐ为０，△Ｔｉ为正小 和ＡＴｄ为负小 如果Ｙｏｓ好，Ｔｒ差和 差，则ｚｈＫｐ为０，△Ｔｉ为 ５ 结束语 综上所述，对于某些控制对象，先可利用传统 的ＺＮ法决定的ＰＩＤ参数作为初始值后，再按照上 述方法校正ＰＩＤ参数，可得到较好的控制效果。这 种模糊控制的ＰＩＤ参数整定方法在现代控制中具 有现实意义，是一种行之有效的先进方法。 正小和ＡＴｄ为负大 如果Ｙｏｓ很好，Ｔｒ差和 很差，则ｚ％Ｋｐ为正 小，ＡＴｉ为正小和ＡＴｄ为负大 如果ｅｓｓ很差，则ｚ％Ｋｐ为正小，ＡＴｉ为正大和 ＡＴｄ为０ 参考文献 ［１］赖寿宏．微型计算机控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９６ 如果ｅｓｓ很差，则ｚ％Ｋｐ为０，△Ｔｉ为正大和ＡＴｄ 为０ ［２］赵振字，徐用懋．模糊理论和神经网络的基础与应用 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９５ 根据模糊逻辑推理，利用上述定义的模糊系 统，可求得ＰＩＤ参数的修正值。 采用模糊控制校正前后ＰＩＤ参数和控制性能 指标的对比：见表２。 ［３］俞光昀．计算机控制技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社， ２００４ ［４］王立新，王迎军．模糊系统与模糊控制教程［Ｍ］．北京： 清华大学出版社，２００３ （上接第１６５页） 自定义性和扩展性。 安全性。 由于生产管理系统可能面临多个系统整合的 需求，可以采取数据的整合，采用应用服务器与数 据服务器分离，这样既可以保证系统的安全性，又 可以便于管理。 ２．３．２系统架构 管理系统采用基于ＭＶＣ的三层Ｂ／Ｓ架构，Ｂ／Ｓ 结构的瘦客户端的优点是维护方便，能够降低总体 拥有成本。Ｂ／Ｓ结构的软件所有的维护、升级工作 都只在服务器上进行，而客户端只需浏览器即可。 ＭＶＣ三层架构即视图（Ｖ）、控制器（Ｃ）、模型（Ｍ）三 层架构，视图负责系统页面展示，模型负责系统数 据持久化及系统逻辑，控制器定义用户界面对用户 输人的响应方式，负责把用户的动作转成针对 Ｍｏｄｅｌ的操作。 ３ 结束语 生产管理系统的应用无疑将提升军工科研单 位的生产管理水平。特别要提到的是，目前的生产 管理中，或多或少存在因信息不畅、跟踪不力而影 响进度的情况，系统应用后将从根本上解决这类问 题。 参考文献 ［１］张晓坤译．ＮＥＴ模式：架构、设计与过程［Ｍ］．中国电力 出版社 ＭＶＣ架构最大的优点是数据、视图、控制的分 离，使得系统在开发及维护上非常方便。在生产管 ［２］熊朝明．军工科研院所装备生产运作方式探讨［ＤＢ／ ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ￣ｔｉｎｄ．ｇｏｖ．ｅｎ 理系统中，我们将对类图进行详细的ＭＶＣ分析，使 整个系统获得一种最优的ＭＶＣ架构，便于系统开 发与维护。 ［３］朱顺泉．当前管理信息系统的发展趋势与最新动态［Ｊ］． 中国管理信息化，２００５，（１２） ［４］赵新力等．面向科技信息业的ＥＲＰ集成系统研究［Ｊ］．计 算机集成制造系统，２００５，（１１） ２．３．３基于分布式的考虑
