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基于专家系统的智能PID控制方案解析

来源：元器件交易网 作者：—— 时间：2012-04-13 11:29

本系统以AVR系列的atmega32单片机为核心，通过设置atmega32的PWM控制寄存器产生脉宽可调的PWM波，对比例电磁阀的输入电压进行调制，从而实现了对气体流量的变量控制。单片机通过均速管流量计采集实际流量信号，根据该信号在其内部采用数字PID算法对PWM控制寄存器的值进行修改，从而达到精确的变量控制。为了防止外界干扰信号进入控制系统，单片机和均速管之间采用光电隔离，提高了系统的可靠性。

　　由均速管流量计对气体额流量进行监测，该种流量计属差压式流量计，由单点测速的皮托管演变发展而来，基于流体力学能量守衡原理，遵从伯努利定律，控制气体流量采用比例电磁阀。通过4×4键盘和128×64液晶模块实现人机对话，便于用户操作。

　　流量控制算法

　　考虑气动泵泵气过程的非线性等因素，采用了人类专家的知识和求解问题的启发式规则来构造专家控制器，从而实现流量的智能控制，保证气动泵供气的稳定性。

　　1 基于专家系统的智能PID控制简介

　　专家系统主要有五部分：知识库、数据库、推理机、解释部分和知识获取部分。本系统的被控对象具有比较大的非线性、滞后性等特性，考虑到对其控制性能、可靠性、实时性的要求，将专家系统简化，不设人机自然语言对话，将知识库、规则集缩小，于是专家系统变成了专家控制器，从而能使专家系统在控制器上实现。

　　基于专家系统的智能PID控制器。专家知识库是根据熟练操作工或专家的经验和知识，把各种工况下被控对象特性所对应的PID参数记录在数据库中而形成；数据库存放被控对象的输入和输出信号、给定信号（即获得了偏差和偏差变化率）；逻辑推理机则从数据库中取出实际运行数据，根据给出的推理机制，从专家知识库中选择合适的参数，实现参数自整定PID控制。

　　2 流量的专家PID控制

　　在军工业生产中，当我们不完全了解一个系统和被控对象，或被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，这个时候往往采用PID控制技术最为方便。PID算法以其结构简单、稳定性好、工作可靠、高速方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。系统控制器的结构和参数必须通过经验和现场调试来确定。

模拟PID控制器的控制规律为：

　　(1)

　　式中，KP—比例系数；TI—积分常数；TD—微分常数；u0—控制常量。

　　由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制；并且，单片机处理数据的量有限，综合考虑该系统采用增量式PID控制，其算式为：

　　u(k)=u(k-1)+Δu(k) (2)

　　Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k) +KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (3)

　　气体流量值经过比例换算之后作为气泵的给定值，通过PID控制器的输出来控制气泵的流量。e(k)为气泵给定流量与实际测量值的偏差；e(k-1)为上一时刻的误差值；e(k-2)为上一采样时刻的误差值。KP是解决幅值震荡，KP大了会出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；KI是解决动作响应速度快慢的，KI大了响应速度慢，反之则快；KD是消除静态误差的，一般KD设置都比较小，而且对系统影响比较小。

　　由于气体流量测量的特殊性以及气体控制过程中的非线性、时变、滞后等特性，采用上述PID控制算法不能达到令人满意的效果，由此采用辅以专家控制规则来进行补偿控制。根据气泵偏差及其变化率，本文提出的控制器按以下6种情况进行设计：

　　①当|e(k)|>M1（PWM波的幅值）时，说明误差绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。

　　Δu(k)=Δumax或者Δu(k)= -Δumax (4)

　　此时，系统相当于实施开环控制。