PID加自適應模糊邏輯- 兩全其美之法

比例積分微分（PID）控制是一種成熟的將系統(tǒng)驅動到目標位置或水平的方法。作為控制溫度的手段它幾乎無處不在，并廣泛應用于無數(shù)的化學和科學過程以及自動化領域。然而，PID控制并非沒有問題。在目標值發(fā)生變化的情況下，無論是作為階梯函數(shù)還是作為“升溫和保溫”曲線的一部分，它都會產(chǎn)生不理想的結果。

為了提高性能，一些儀器制造商正在探索使用“模糊邏輯”進行過程控制的價值。這篇OMEGA Engineering白皮書探討了PID系統(tǒng)的弱點和模糊邏輯的潛在好處，特別是提及了溫度控制問題。個別部分涉及：

在控制回路反饋的最基本形式中，測量諸如溫度的輸出并將其與目標值進行比較。根據(jù)這些值之間的差異，計算出一個校正因子并將其應用于輸入。如果烤箱溫度低于要求，則熱量會增加。在比例控制中，（PID首字母縮略詞中的第一項）校正因子與差值成比例。因此，永遠不會實現(xiàn)目標值，因為當差異接近零時，所應用的校正也接近零。

積分動作，“PID”中的第二項，試圖解決這個問題。它有效地累計了“P”動作的誤差結果，使用它來增加修正系數(shù)。如果烤箱保持低于目標溫度，“I”將起到增加輸送熱量的作用。但是，當達到目標時，不是停止加熱，“I”會嘗試將累積誤差驅動為零，從而導致超調。

第三個字母D代表微分，試圖最小化這種超調。它通過減慢接近目標時應用的校正因子來實現(xiàn)此目的。

PID控制方程中的數(shù)學是復雜的，具有多個變量和常數(shù)相互作用。在任何給定的應用中，選擇這些應用以在過程本身和儀器施加的約束內盡可能接近地跟隨目標值。

幾乎每個過程控制應用都共有的三個問題是：

在許多情況下，輸出可能需要很長（也許也是可變的）時間來響應輸入變化。例如，爐子在“充入”新金屬時會冷卻，并且可能需要幾分鐘才能恢復到原來的溫度。這可能導致溫度超調，從而可能會損壞內容物?；蛘?，加熱可能太慢，降低了工藝效率并對產(chǎn)品或材料造成有害影響。

當目標值瞬間改變時，PID迫使系統(tǒng)應用大的校正因子，這又會導致超調?；蛘?，系統(tǒng)可能變得飽和，無法提供足夠的校正，增加了“I”項的影響。

這些問題也發(fā)生在“升溫和保溫”的情況下，其中溫度逐漸升高然后保持。跟蹤設定值的逐漸變化可以挑戰(zhàn)PID控制系統(tǒng)。

因此，選擇最佳值是一種稱為“調整”的試錯過程。多年來，已經(jīng)開發(fā)出許多調整方法，其中最滿意的方法似乎是“Ziegler Nichols”方法。但是，這種方法會產(chǎn)生強烈的振蕩，這在某些情況下可能是有問題的。

傳統(tǒng)計算基于布爾邏輯，意味著所有內容都表示為0或1。在某些情況下，這會導致過度簡化和不充分的結果。模糊邏輯（引申為模糊控制）尋求通過創(chuàng)建與人類對問題的感知更加一致的啟發(fā)式來處理復雜性。

模糊邏輯提供了一種在復雜控制情況下處理不精確和非線性的方法。輸入被傳遞到“推理引擎”，其中應用人或基于經(jīng)驗的規(guī)則來產(chǎn)生輸出。

PID循環(huán)的調整取決于啟發(fā)式算法，但往往最終是次優(yōu)的。模糊邏輯提供了Ziegler Nichols等方法的替代方案，越來越多的研究表明它可以產(chǎn)生出色的結果。因此，控制許多復雜過程的理想方法似乎是使用基于模糊邏輯調整的PID控制器。

一種采用該方法的市售產(chǎn)品是OMEGA? Platinum系列溫度和過程控制器。該基于微處理器的緊湊型PID控制器系列有三種DIN尺寸可供選擇，易于設置和使用。可以連接所有常見的熱電偶和RTD，系統(tǒng)僅自動啟用所選輸入類型的相關功能。電壓和電流輸入也可用，幾乎可用于任何工程單位。這些控制器提供完整的PID解決方案，支持最多16個升溫和保溫序列的復雜程序。具有自適應模糊邏輯的PID應用可以自動調整，有助于獲得上佳結果。

除非開環(huán)控制可以接受，否則幾乎每個過程控制應用都將受益于PID控制。在溫度控制方面，很好的例子包括：

此外，許多科學和化學過程依賴于仔細和準確的溫度控制。

閉環(huán)控制嘗試使進程的實際輸出盡可能接近目標或設定點輸出。

PID控制是提供這種控制的成熟方法，但需要調整才能獲得最佳性能。這種調整復雜而有難度，因此通常采用啟發(fā)式技術，例如Ziegler Nichols方法。

需要步進改變或“升溫和保溫”控制的過程通過傳統(tǒng)的PID技術特別難以處理。為了解決這個問題，像OMEGA這樣的控制器制造商正在采用基于模糊邏輯的自動調整功能。利用先進的計算技術幫助優(yōu)化PID循環(huán)，并提供更高水平的過程控制。