關(guān)于PID系列儀表的人工智能控制算法
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在工業(yè)控制中，許多控制過程機(jī)理復(fù)雜，滯后大，控制對象具有變結(jié)構(gòu)、時變等特點。采用常規(guī)的PID控制算法，難以適應(yīng)參數(shù)變化及干擾因素的影響，大都出現(xiàn)較大超調(diào)，PID參數(shù)較難確定，不僅給調(diào)試帶來麻煩，調(diào)節(jié)的效果也不理想。目前由國外引進(jìn)的某些調(diào)節(jié)儀表中，推出了許多改進(jìn)型如加入抗飽和積分功能，采用自整定來協(xié)助確定PID參數(shù)及自適應(yīng)技術(shù)來改進(jìn)控制效果。為了克服常規(guī)PID調(diào)節(jié)的不足，提高其性能，現(xiàn)在各大儀表公司及儀表生產(chǎn)廠，都在致力于新的控制算法開發(fā)和自整定技術(shù)的探究，下面以系列儀表為例，簡述系列儀表中的人工智能控制算法和特點。
系列儀表中的人工智能控制算法
系列儀表中的人工智能控制算法，即對PID算法加以改進(jìn)和保留，加入模糊控制算法規(guī)則，并對給定值的變化加入了前饋調(diào)節(jié)。在誤差大時，運用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以徹底消除PID飽和積分現(xiàn)象，如同熟練工人進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。當(dāng)誤差趨小時，采用改進(jìn)后的PID算法控制輸出。其控制參數(shù)采用被控對象特征描述方式。一組(MPT)參數(shù)即可同時確定PID參數(shù)和模糊控制參數(shù)。系統(tǒng)具有無超調(diào)和高控制精度等特點。針對不穩(wěn)定的非線形復(fù)雜調(diào)節(jié)對象，表內(nèi)設(shè)有自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則，可使系統(tǒng)進(jìn)一步加快響應(yīng)速度，改善控制品質(zhì)。針對控制參數(shù)較難確定的現(xiàn)實，表內(nèi)設(shè)有自整定專家系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的控制參數(shù)確定簡單，準(zhǔn)確度提高，因此，自整定系統(tǒng)的引入，不僅使復(fù)雜勞動簡化，節(jié)約了調(diào)試時間，而且提高了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
PID算法的改進(jìn)
常規(guī)PID算法構(gòu)成如下：
輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)
在常規(guī)PID的控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度是難以兩全其美的，這主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，則靜差不易消除，有擾動時，消除誤差速度變慢，而當(dāng)加強(qiáng)積分作用時，又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。
在系列儀表中，當(dāng)控制參數(shù)在比例帶以外時，采用模糊控制，不存在抗飽和積分問題，而對PID算法部分又加以改進(jìn)如下：
輸出=比例作用(P)+積分作用(I)+微分作用(D)+微分積分作用(∫I)
由于儀表中增加了微分積分作用，所以，使常規(guī)PID算法中的積分飽和現(xiàn)象得到較大緩解。不過從上式中可以看到，原有參數(shù)已經(jīng)較難確定了，又增加了一個新參數(shù)(∫I)，所以，這些參數(shù)必然互相影響，使得新算法參數(shù)更加難以確定。為此，經(jīng)過認(rèn)真的研究和實驗分析，比例作用與微分作用的比值和積分作用與微分作用的比值可取相同的值，并且比例作用與微分作用的最佳比值同控制對象的滯后時間有關(guān)。滯后時間越大，則比例作用響應(yīng)減少，而微分作用響應(yīng)增加。兩者存在的關(guān)系如下：
比例作用=K(1/t)
微分作用=K(1-1/t)d
式中，K為系數(shù)；t為滯后時間與控制周期的比值；t≥1；d表示微分作用。
由此，可將人工智能控制算法公式改為：
輸出=P［1/t+(1-1/t)d］+(1/M)∫［1/t+(1-1/t)d］
式中，P用于調(diào)整微分和比例的大小，P增加，相當(dāng)于同時將微分時間增加及減少比例帶。反之，P減少，相當(dāng)于同時將微分時間減少和增大比例帶。M類似積分時間，可用于調(diào)整積分和微分積分的大小，t用于調(diào)整微分與比例的相互比例成分。如果t=1，則微分作用為0，如果1Ｍ＝０，則積分作用為0。
這樣，控制參數(shù)又減少為3個，由于常規(guī)PID參數(shù)的定義只根據(jù)算法本身，其特點是不需要考慮被控對象的精確模型，而改進(jìn)后的3個控制參數(shù)，由于同原參數(shù)概念不同，所以，定義為MPT控制算法，具體含義如下：
M50為保持參數(shù)。
M50定義為輸出值為50%時，控制對象基本穩(wěn)定后測量值的差值。50表示輸出值變化量為50。
例如某電爐溫度控制，為了找出最佳的M50值，手動輸出為50%時，電爐溫度最后穩(wěn)定在800℃左右，而0%輸出時，電爐溫度最后穩(wěn)定在室溫，為25℃，則M(最佳參數(shù)值(=800-25=775參數(shù)M值主要對調(diào)節(jié)算法中的積分作用進(jìn)行調(diào)整。M值越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。M值越大，積分作用越弱(積分時間增加)。如果，M=0，則系統(tǒng)取消積分作用。
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