[科普中國]-智能PI控制

簡介智能PI控制

傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)態(tài)無靜差等優(yōu)點，但傳統(tǒng)PI控制不足之處在于以不變的模式和參數(shù)來處理變化多端的動態(tài)過程，因此很難解決平穩(wěn)性、快速性和準確性之間的矛盾。

智能PI控制是一種新型的控制方法，具有較強的自適應(yīng)能力。1

智能PI控制器PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用。PID控制器的設(shè)計關(guān)鍵是如何選擇比例、積分、微分系數(shù)。傳統(tǒng)的PID控制器中這些參數(shù)一經(jīng)設(shè)定后不再改變，在干擾較小時，PID控制系統(tǒng)能保持良好的平穩(wěn)性，一旦干擾突變，出現(xiàn)超調(diào)時，系統(tǒng)不能迅速恢復(fù)平衡狀態(tài)。

針對傳統(tǒng)的PID控制器存在的缺陷，智能PI控制器能根據(jù)系統(tǒng)的運行狀況動態(tài)改變控制器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，較好的解決了傳統(tǒng)PID控制中系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性、快速性和準確性之間的矛盾，使控制器在復(fù)雜、動態(tài)和不確定的系統(tǒng)中也能取得較好的控制效果。2

智能PI控制器結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型智能PI控制器的結(jié)構(gòu)如圖所示．

設(shè)計智能PI控制算法的數(shù)學(xué)模型為

其中u(k)，e(k)，kp(k)，ki(k)分別表示離散化的第k次采樣時刻的控制器輸出值、誤差值、比例系數(shù)、積分系數(shù)；e(k-1)，kp(k-1)，ki(k-1)分別表示離散化的第k-1次采樣時刻的誤差值、比例系數(shù)、積分系數(shù)。2

參數(shù)調(diào)整規(guī)則智能PI控制器參數(shù)調(diào)整的原則是：在大偏差或偏差呈增大的趨勢時，盡快消除偏差，提高系統(tǒng)快速性，當(dāng)偏差較小且偏差呈減小的趨勢時，追求系統(tǒng)的平穩(wěn)性，避免或減小反向超調(diào)。1

快速智能PI控制器(RIP)時間最優(yōu)控制器對于給定的線性定常系統(tǒng)：

確定滿足約束條件:

的控制作用u(t),使系統(tǒng)(1)在最短的時間內(nèi)從初始狀態(tài)x(0)轉(zhuǎn)移到狀態(tài)x(t)，對于伺服系統(tǒng)，也就是使其輸出最快地跟隨設(shè)定值：對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就是使系統(tǒng)狀態(tài)最快地轉(zhuǎn)移到平衡點。時間最優(yōu)控制的控制作用呈現(xiàn)出明顯的繼電特性，具有三個特點：(1)控制作用要么取最大值，要么取最小值；(2控制作用只需要進行有限次的切換，即可以實現(xiàn)控制目的：(3)切換只在系統(tǒng)狀態(tài)到達切換面(線)時發(fā)生。

快速智能PI控制器快速智能PI控制器將時同最優(yōu)控制基本原理與PI控制相結(jié)合，在大偏差階段采用時間最優(yōu)控制，在小偏差階段和接近設(shè)定值階段采用智能積分PI控制。因此，RIPI是一種基于規(guī)則的智能控制器。

RIPI避免了時間最優(yōu)控制器設(shè)計時切換線(面)的求取，而是直接根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)狀態(tài)確定是否進行控制作用的切換；而且，在兩種繼電狀態(tài)(umax,umin)之間增加PI控制過渡環(huán)節(jié)，使切換相對平穩(wěn)；在小偏差階段，控制器運行于Pl控制方式。這樣，RIPI綜合了時間最優(yōu)控制和PI控制二者的優(yōu)點，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)既有較快的速度，又使控制器具有較強的魯棒性，對象參數(shù)在一定范圍的變化不再使性能下降太多。3