基于模糊PID控制器的流量控制设计

韩斌

【摘 要】由于流量控制系统的数学模型难以建立，并且大多数流量控制系统存在着非线性问题，经过分析和实践，可以通过将常规的PID控制算法进行模糊自整定的方式解决这些问题。基于此，论文首先分析了模糊PID设计原理，然后根据原理确定出PID参数的模糊化规则，并根据该规则进行PID参数的模糊化及反模糊化，最后设计出基于模糊PID控制器的流量控制系统。

【Abstract】 It is difficult to establish mathematical model of the flow control system， and most of the flow control system has nonlinear problem， through analysis and practice， these problem can be solved by using the fuzzy self-tuning method on conventional PID control algorithm. Based on this， paper firstly analyzes the design principle of fuzzy PID， then determines the fuzzy rules of PID parameters according to this principle， and carries out the fuzzification and defuzzification of PID parameters according to the rule， finally ， paper designs a flow control system based on fuzzy PID controller.

【关键词】非线性；PID控制算法；整定；模糊PID控制器；流量控制

【Keywords】nonlinear； PID control algorithm； setting； fuzzy PID controller； flow control

【中图分类号】TP13 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0125-02

1 引言

现在的流量控制系统很多都在使用常规的PID控制器，这种控制器虽然简单，但无法实现参数的在线自整定，而且，对于非线性的控制系统来说，常规PID控制器根本无法达

到要求，因此，流量控制系统应该利用模糊PID控制器。通过对PID算法中的参数进行模糊化处理，既可以消除稳态误差，又可以降低流量控制系统的延迟，实现对流量的较好控制。

2 模糊PID控制器的设计原理

模糊PID控制器是在常規PID控制器的基础上通过模糊规则对PID算法中的比例、积分、微分系数进行模糊推理，从而解决了常规PID不能很好地控制非线性系统以及不能对相关系数进行在线整定的问题，提高了PID的性能[1]。

2.1 模糊PID的理论计算与分析

同理，利用以上算法可以对和进行模糊化整定。

2.4 反模糊化

实现了模糊PID控制器的控制作用，之后就需要对输出的模糊子集的隶属度与精确的调整值进行对应，也就是根据模糊化规则进行逆向推导，从而计算出输出的确定值。下面对具体的计算步骤进行分析。

首先，需要得到工作过程中的任意时刻流量的实际值与设定值，计算出二者的差值e和二者差值的变化率ec，然后通过对这些数据进行整理从而分别绘制出e和ec的隶属度函数曲线，最终由此得到二者的隶属度；接下来再根据模糊规则表推理出mp、mI、mD对应于模糊化系数的隶属度；之后经过精确计算，分别得出三者的修正值Δmp、ΔmI、ΔmD，再将其带入（2）式就可以得到mp、mI、mD的精确调整值。在模糊PID控制器实际运行过程中，可以分别求出模糊化的数值对应的精确值，然后根据这些数据做成模糊控制表，这样，控制系统就可以参照模糊控制表实现PID参数的在线自整定。[2]

3 基于模糊PID控制器流量控制系统的设计方案

流量控制器是为了使实际的流量稳定在设定流量值的附近，且流量的上下波动保持在一定范围内。为了实现上述目的，需要在流量控制系统内设置流量采集单元，通过流量采集单元采集到实际的流量，模糊PID控制器在工作的过程中根据实际的流量与控制器中设置的流量的差值e和差值变化率ec，在相应软件中在线计算并整定比例、积分、微分三个参数，从而降低流量控制器的延迟，缩短系统相应的滞后时间，提高系统的精确度[3]。其具体的控制过程如下所述。

在对流量进行调节之前，当流量值较大时，此时应该加快系统的响应速度，与此同时要避免调节过度并消除稳态误差，所以，此时的mp应该较大，mD应该偏小，mI应该很小。

流量调节中，当实际流量与设置的流量之间的差值e处于中等大小时，系统已接近设定值，这时的比例系数mp应该取值很小；而系统最容易出现的问题就是过度调节，因此，mD和mI的取值要适中。

在流量调节后期，当实际流量与设置的流量之间的差值较小时，系统应具有较好的动态特征，以避免系统大幅度振荡现象的发生，同时也使系统具备较强的抗干扰能力，这时，mp与mI都应该取值大些，而mD需要保持中等大小。

基于以上的设计分析，可以将此过程减缩为直观的原理图（在此不做设计），参照原理图并综合其他方面的技术就能将模糊PID控制器应用于流量控制系统中。

4 结果讨论

根据大量的实验结果证明，采用模糊自整定PID控制算法的流量控制系统能够在较短时间内实现对流量的调节，具有较好的控制效果。与高精度流量计相比，基于模糊PID控制器的流量控制系统满足精度的要求，流量变化趋势与高精度流量计相接近。

5 结语

综上所述，采用模糊PID控制算法对流量进行控制能够解决流量控制系统普遍存在的非线性问题，而且使系统更加稳定，提高了控制系统的性能。模糊PID控制原理是在常规PID控制原理基础上的创新，在今后的实践中，相关技术人员要不断发现问题并加以总结，力图使PID控制器趋于完善。模糊PID控制器应该在流量控制系统中得到广泛应用，最大程度发挥其优势性能。

【参考文献】

【1】王俊士.基于模糊PID控制的网络异常流量监控设计[J].科技通报，2016，32（5）：142-146.

【2】陈明新，唐铃凤，胡建.基于模糊PID控制的泵流量控制系统研究[J].新乡学院学报，2014，31（4）：36-40.

【3】廉振芳，苏挺.基于模糊PID的钢铁表面渗氮流量控制研究[J].热加工工艺，2013，42（10）：163-165.