一种模糊自整定PID控制方法及系统与流程

本申请涉及自动控制技术领域，特别涉及一种模糊自整定PID控制方法及系统。

背景技术：

PID控制技术目前仍是工业现场中所普遍使用的基础过程控制技术。模糊自整定PID控制技术在经典PID控制技术的基础上结合了模糊智能控制技术与PID参数自整定技术，根据误差信号及误差信号的微分信号来输出合理的总控制量，使被控对象具有相对较好的动态性能和静态性能。

现有技术中，为了解决PID控制过程中快速性和超调之间的矛盾，利用了自抗扰控制中的跟踪微分器来对系统的误差信号进行跟踪和微分，以便根据得到的跟踪信号和微分信号进行模糊自整定PID控制。

但是，由于现有技术中是使用同一跟踪微分器来输出跟踪信号和微分信号的，即用于产生跟踪信号的相关参数与用于产生微分信号的相关参数完全相同，而同一套参数是无法同时得到完美的跟踪信号和微分信号的，所以跟踪信号的相位延迟问题和微分信号的噪声放大、波形失真问题总是无法同时解决，使得两个信号之间存在着矛盾。

由此可见，采用何种模糊自整定PID控制方法以便同时解决进行信号跟踪时的相位延迟问题和进行信号微分时的噪声放大、波形失真问题，进而提高控制效果，是本领域技术人员所需要解决的重要技术问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种模糊自整定PID控制方法及系统，以便有效地同时解决信号跟踪时的相位延迟问题和信号微分时的噪声放大、波形失真问题，进而提高控制效果。

为解决上述技术问题，本申请提供一种模糊自整定PID控制方法，包括：

分别利用跟踪器和微分器获取误差跟踪信号和误差微分信号；所述跟踪器和所述微分器相互独立；

采用模糊自整定PID算法，根据所述误差跟踪信号和所述误差微分信号进行PID参数自整定，根据自整定后的PID参数计算总控制量，并输出至被控对象，以便对所述被控对象进行调节控制。

可选地，所述分别利用跟踪器和微分器获取误差跟踪信号和误差微分信号包括：

分别利用第一跟踪器和第二跟踪器获取系统输入信号的第一跟踪信号和系统输出信号的第二跟踪信号；分别利用第一微分器和第二微分器获取所述系统输入信号的第一微分信号和所述系统输出信号的第二微分信号；

将所述第一跟踪信号与所述第二跟踪信号之差作为所述误差跟踪信号；将所述第一微分信号与所述第二微分信号之差作为所述误差微分信号。

可选地，所述跟踪器的表达式为：

其中，v为所述跟踪器的输入信号；v1为v的跟踪信号；v2为v1的微分信号；T1为所述跟踪器的积分步长；r1为所述跟踪器的速度因子；h1为所述跟踪器的滤波因子；n为预报补偿步长，n>1。

可选地，n∈[2,2h1T1]。

可选地，所述微分器的表达式为：

其中，u为所述微分器的输入信号；u1为u的跟踪信号；u2为u1的微分信号；T2为所述微分器的积分步长；r2为所述微分器的速度因子；h2为所述微分器的滤波因子。

可选地，T1＝T2、h1＝h2且r1＝r2。

可选地，所述模糊自整定PID控制算法为离散论域的模糊自整定PID控制算法。

可选地，所述模糊自整定PID控制算法为二维模糊自整定PID控制算法。

可选地，所述根据自整定后的PID参数计算总控制量包括：

根据以下PID控制计算公式计算所述总控制量：

其中，U_(k+1)为k+1时刻的总控制量；K_p^(k+1)、K_i^(k+1)和K_d^(k+1)均为k+1时刻的所述PID参数；e_(i)为i时刻的所述误差跟踪信号；为k+1时刻的所述误差微分信号。

本申请还提供了一种模糊自整定PID控制系统，包括：

跟踪器：用于获取误差跟踪信号；

微分器：用于获取误差微分信号；所述跟踪器和所述微分器相互独立；

模糊自整定PID控制器：用于采用模糊自整定PID算法，根据所述误差跟踪信号和所述误差微分信号进行PID参数自整定；根据自整定后的PID参数计算总控制量，并输出至被控对象，以便对所述被控对象进行调节控制。

本申请所提供的模糊自整定PID控制方法包括：分别利用跟踪器和微分器获取误差跟踪信号和误差微分信号；所述跟踪器和所述微分器相互独立；采用模糊自整定PID算法，根据所述误差跟踪信号和所述误差微分信号进行PID参数自整定，根据自整定后的PID参数计算总控制量，并输出至被控对象，以便对所述被控对象进行调节控制。

可见，相比于现有技术，本申请所提供的模糊自整定PID控制方法中，采用相互独立的跟踪器和微分器来分别获取误差跟踪信号和误差微分信号，从而可以通过合理设置跟踪器和微分器各自的相关参数，来分别获取性能较好的误差跟踪信号和误差微分信号，避免了进行信号跟踪时的相位延迟问题与进行信号微分时的波形失真、噪声放大问题之间的矛盾，进而有效提高系统的整体控制效果。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1为本申请实施例所提供的一种模糊自整定PID控制方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的一种模糊自整定PID控制方法的控制框图；

图3为本申请实施例所提供的一种系统输入信号的波形图；

图4为根据图3所示系统输入信号而得到的误差跟踪信号的波形图；

图5为根据图3所示系统输入信号而得到的误差微分信号的波形图；

图6为根据图3所示系统输入信号而得到的系统输出信号的波形图；

图7为本申请实施例所提供的另一种系统输入信号的波形图；

图8为根据图7所示系统输入信号而得到的误差跟踪信号的波形图；

图9为根据图7所示系统输入信号而得到的误差微分信号的波形图；

图10为根据图7所示系统输入信号而得到的系统输出信号的波形图；

图11为本申请实施例所提供的一种模糊自整定PID控制系统的结构框图。

具体实施方式

本申请的核心在于提供一种模糊自整定PID控制方法及系统，以便有效地同时解决信号跟踪时的相位延迟问题和信号微分时的波形失真、噪声放大问题，进而提高控制效果。

为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种模糊自整定PID控制方法的流程图，主要包括以下步骤：

步骤1：分别利用跟踪器和微分器获取误差跟踪信号和误差微分信号。

其中，跟踪器和微分器相互独立。

具体地，本申请中所提供的模糊自整定PID控制方法同样将误差跟踪信号和误差微分信号用于进行模糊自整定PID控制，以便消除PID控制过程中快速性和超调问题间的矛盾。但不同于现有技术，本申请具体采用的是相互独立的跟踪器和微分器，利用两者来分别获取系统的误差跟踪信号和误差微分信号。因此，本申请中的跟踪器和微分器可以分别采用各自最为合适的参数，以便分别得到最为精确的误差跟踪信号和误差微分信号。

这里需要说明的是，模糊自整定PID控制是一种带有输出反馈的闭环控制，其控制目标是令系统的输出信号稳定在系统的输入信号。这里以及下文中所提到的误差均是指系统的输入信号与系统的输出信号之间的误差。

当然，采用了相互独立的跟踪器和微分器的结构之后，跟踪器和微分器的具体类型也可以由本领域技术人员根据实际情况自行选择并设置。例如，由于自抗扰算法中的跟踪微分器同时具有跟踪功能和微分功能，因此可以仍然具体选择跟踪微分器作为跟踪器或者微分器；再例如，也可以选择采用其他如正交混频等算法的微分器来获取微分信号。

步骤2：采用模糊自整定PID算法，根据误差跟踪信号和误差微分信号进行PID参数自整定，根据自整定后的PID参数计算总控制量，并输出至被控对象，以便对被控对象进行调节控制。

具体地，模糊自整定PID算法可以根据系统的误差跟踪信号和误差微分信号，以及预设的模糊规则，对PID控制过程中的PID参数进行自整定，以获得即时控制效果较好的PID参数，并利用整定后的PID参数输出控制量，作用于被控对象，使其输出信号稳定在输入信号，达到控制目标状态。

可见，本申请实施例所提供的模糊自整定PID控制方法中，采用相互独立的跟踪器和微分器来分别获取误差跟踪信号和误差微分信号，从而可以通过合理设置跟踪器和微分器各自的相关参数，来分别获取性能较好的误差跟踪信号和误差微分信号，避免了进行信号跟踪时的相位延迟问题与进行信号微分时的波形失真、噪声放大问题之间的矛盾，进而有效提高系统的整体控制效果。

本申请所提供的模糊自整定PID控制方法，在上述实施例的基础上：

请参考图2，图2为本申请实施例所提供的一种模糊自整定PID控制方法的控制框图。

如图2所示，作为一种优选实施例，分别利用跟踪器和微分器获取误差跟踪信号e和误差微分信号包括：

分别利用第一跟踪器和第二跟踪器获取系统输入信号x的第一跟踪信号x1和系统输出信号y的第二跟踪信号y1；分别利用第一微分器和第二微分器获取系统输入信号x的第一微分信号x2和系统输出信号y的第二微分信号y2；

将第一跟踪信号x1与第二跟踪信号y1之差作为误差跟踪信号e；将第一微分信号x2与第二微分信号y2之差作为误差微分信号

具体地，因为误差是系统输入信号x和系统输出信号y的误差，所以可以利用两个跟踪器分别获取系统输入信号x的第一跟踪信号x1和系统输出信号y的第二跟踪信号y1，然后通过相减得到误差跟踪信号e。

类似地，可以利用两个微分器分别获取系统输入信号x的第一微分信号x2和系统输出信号y的第二微分信号y2，然后通过相减得到误差跟踪信号

此外，本领域技术人员也可以只采用单跟踪器加单微分器的控制方法，即先将系统输入信号x与系统输出信号y作差得到误差信号之后，在分别利用跟踪器和微分器对误差信号进行跟踪和微分，得到误差跟踪信号e和误差微分信号当然，这两种方法的跟踪对象不同，得到的误差跟踪信号e和误差微分信号的具体值也不同。事实上，双跟踪器加双微分器的控制方法是先进行跟踪、在得到光滑的跟踪结果后再作差的，因此其相比于单跟踪器加单微分器的控制方法具有超前控制的效果，可以更有效地抑制超调。

作为一种优选实施例，跟踪器的表达式为：

其中，v为跟踪器的输入信号；v1为v的跟踪信号；v2为v1的微分信号；T1为跟踪器的积分步长；r1为跟踪器的速度因子；h1为跟踪器的滤波因子；n为预报补偿步长，n>1。

具体地，如前所述，本申请实施例所提供的跟踪器，具体可以采用与自抗扰控制中的跟踪微分器相同的结构，则输出的v1即为所需要获取的跟踪信号。相比于常规的不进行预报补偿(即预报补偿步长n为1)的跟踪微分器，这里所采用的跟踪微分器通过预报补偿步长n>1的设置，可以进一步加速跟踪过程，对跟踪器的输入信号进行跟踪，输出跟踪信号，有效解决误差跟踪信号的相位延迟问题。

在上述表达式中，fhan函数是自动控制领域中的最速控制综合函数，它可以合理地安排控制终端过渡过程，达到解决响应速度和超调之间的矛盾的效果。fhan函数的具体表达式为：

作为一种优选实施例，n∈[2,2h1T1]。

具体地，在进行预报补偿时，预报补偿步长n的取值不能一味过大，否则将引起严重超调甚至震荡等情况。根据经验，本申请实施例所提供的预报补偿步长n的取值范围优选为n∈[2,2h1T1]。当然，本领域技术人员可以根据实际应用情况自行选择最佳的预报补偿步长n，以便获取理想控制效果，本申请实施例对此并不进行限定。

作为一种优选实施例，微分器的表达式为：

其中，u为微分器的输入信号；u1为u的跟踪信号；u2为u1的微分信号；T2为微分器的积分步长；r2为微分器的速度因子；h2为微分器的滤波因子。

类似地，根据前文所述，本申请实施例中所提供的微分器同样可以选择为与自抗扰算法中的跟踪微分器相同的结构，则输出的u2即为需要得到的微分信号。

需要注意的是，由于对于微分器，重点是利用其微分功能输出微分信号，因此无需过分追求快速性，以免影响微分信号的质量，造成噪声放大和波形失真，因此，这里的微分器与前文介绍的跟踪器不同，具体采用的是不进行预报补偿的跟踪微分器的结构，即预报补偿步长n＝1。

作为一种优选实施例，T1＝T2、h1＝h2且r1＝r2。

具体地，本申请实施例中，跟踪器和微分器实际上需要对同一信号分别进行跟踪和微分，因此，除了预报补偿步长n这一参数不同外，跟踪器和微分器其余的对应的参数优选为一致，即两者的积分步长、速度因子和滤波因子分别相等。

当然，本领域技术人员也可以根据实际应用情况选择其他形式的微分器，例如采用正交混频法的微分器等，并可以自行选择并设置相关参数的具体取值，本申请实施例对此并不进行限定。

作为一种优选实施例，模糊自整定PID控制算法为离散论域的模糊自整定PID控制算法。

具体地，采用离散论域的模糊自整定PID控制算法，可以有效地大量减少计算量，简化控制过程，提高控制效果。

作为一种优选实施例，模糊自整定PID控制算法为二维模糊自整定PID控制算法。

具体地，本领域技术人员也可以在本申请实施例的技术上进一步求取误差二次微分信号，以进行三维的模糊自整定PID控制，但是其计算过程较为复杂。相比之下，采用二维结构的模糊自整定PID控制，得到的控制精度已足够满足一般的控制需求，不影响控制效果，同时又不会增加计算负担，因此使用更为广泛。

作为一种优选实施例，根据自整定后的PID参数计算总控制量包括：

根据以下PID控制计算公式计算总控制量：

其中，U_(k+1)为k+1时刻的总控制量；K_p^(k+1)、K_i^(k+1)和K_d^(k+1)均为k+1时刻的PID参数；e_(i)为i时刻的误差跟踪信号；为k+1时刻的误差微分信号。

具体地，本申请实施例所提供的模糊自整定PID控制方法，在进行总控制量的计算时，为了进一步消除积分的不利影响，将经典PID控制中的积分控制替换为了求和控制，可有效消除积分控制滞后问题,。

下面将结合具体的被控对象来介绍本申请实施例所提供的模糊自整定PID控制方法的一种应用实施例。

设被控对象为一个二阶系统，其传递函数为：

则按照如图2控制框图中所示的控制方法，对系统输入信号x和系统输出信号y分别进行跟踪和微分，得到系统输入信号x的第一跟踪信号x1和第一微分信号x2，以及系统输出信号y的第二跟踪信号y1和第二微分信号y2，进而作差得到误差跟踪信号e和误差微分信号输入至二维的离散域模糊自整定PID控制器，在进行了PID参数自整定之后输出总控制量U。

在进行PID参数整定时，对误差跟踪信号e所具体设定的离散论域为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6]，所具体设定的模糊子集为{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，NZ(负零)，PZ(正零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，其中，各个模糊子集的隶属度函数如表1所示；对误差微分信号以及PID参数的微调变量ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d所具体设定的离散论域均为[-3,-2,-1,0,1,2,3]，所具体设定的模糊子集均为{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，误差微分信号微调变量ΔK_p、ΔK_i或者ΔK_d的各个模糊子集的隶属度函数均如表2所示。

表1

表2

在通过模糊控制来对三个PID参数进行自整定时，具体整定后得到的PID参数分别为：

其中，K_p^(k)、K_i^(k)和K_d^(k)均为k时刻的PID参数；微调变量ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d具体由误差跟踪信号e、误差微分信号以及对应的模糊整定规则表决定。表3、表4和表5分别为ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的模糊整定规则表。

表3

表4

表5

根据误差跟踪信号e和误差微分信号的隶属度函数表以及微调变量ΔK_p的模糊整定规则表，可以得到微调变量ΔK_p的具体控制表，如表6所示。

表6

根据误差跟踪信号e和误差微分信号的隶属度函数表以及微调变量ΔK_i的模糊整定规则表，可以得到微调变量ΔK_i的具体控制表，如表7所示。

表7

根据误差跟踪信号e和误差微分信号的隶属度函数表以及微调变量ΔK_d的模糊整定规则表，可以得到微调变量ΔK_d的具体控制表，如表8所示。

表8

通过上述整定过程得到整定后的PID参数之后，即可根据前文所述的PID控制计算公式计算出输入至被控对象的总控制量U，以便对被控对象的系统输出信号y进行调节，达到控制目标。

若系统输入信号x为单位阶跃信号，如图3所示，则在本应用实施例中所得到的误差跟踪信号e和误差微分信号的波形图分别如图4和图5所示；而最终的系统输出信号y的波形图如图6所示。

从图4至图6可知，本申请实施例所得到的误差跟踪信号e和误差微分信号的曲线光滑，信号质量较好；而系统输出信号y也同样光滑且无超调，控制效果较好。

若系统输入信号x为带有白噪声的单位阶跃信号，如图7所示，则在本应用实施例中所得到的误差跟踪信号e和误差微分信号的波形图分别如图8和图9所示；而最终的系统输出信号y的波形图如图10所示。

从图7至图10可知，本申请实施例所得到的误差跟踪信号e和误差微分信号在系统输入信号x存在有严重的噪声干扰时，依旧可以得到较为光滑的曲线，具有较好的滤波作用和抑噪能力；因而同时也使得系统输出信号y也同样光滑且无超调，具有较好的控制效果。

下面对本申请实施例所提供的模糊自整定PID控制系统进行介绍。

请参阅图11，图11为本申请所提供的一种模糊自整定PID控制系统的结构框图；包括跟踪器1、微分器2、模糊自整定PID控制器3和被控对象4；

跟踪器1用于获取误差跟踪信号；

微分器2用于获取误差微分信号；跟踪器1和微分器2相互独立；

模糊自整定PID控制器3用于采用模糊自整定PID算法，根据误差跟踪信号和误差微分信号进行PID参数自整定；根据自整定后的PID参数计算总控制量，并输出至被控对象4，以便对被控对象进行调节控制。

可见，本申请所提供的模糊自整定PID控制系统，采用相互独立的跟踪器1和微分器2来分别获取误差跟踪信号和误差微分信号，从而可以通过合理设置跟踪器1和微分器2各自的相关参数，来分别获取性能较好的误差跟踪信号和误差微分信号，避免了进行信号跟踪时的相位延迟问题与进行信号微分时的噪声放大、波形失真问题之间的矛盾，进而有效提高系统的整体控制效果。

本申请所提供的模糊自整定PID控制系统的具体实施方式与上文所描述的模糊自整定PID控制方法可相互对应参照，这里就不再赘述。

本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。