基于膜计算的自整定PID控制器研究

王海　高杰

【摘 要】基于膜计算的自整定PID控制器是利用膜计算分布性、并行性的计算能力实时的对PID的三个参数进行实时整定，从而达到预期的目的。现将基于膜计算的自整定PID控制器拆分为两个部分，基于膜计算的PID参数整定和PID控制器两个部分，两个部分协同工作，以达到预期目的。

【关键词】膜计算；PID控制器；分布性；并行性

中图分类号： TD67 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）17-0049-001

Research on Self-tuning PID Controller Based on Membrane Calculation

WANG Hai GAO Jie

（School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，

Huainan Anhui 232001，China）

【Abstract】Based on membrane computing of self-tuning PID controller is calculated by use of membrane distribution，parallelism， real-time computing power to adjusting the three parameters of PID，so as to achieve the desired purpose.Now will be calculated based on the membrane of self-tuning PID controller is broken down into two parts， the PID parameter setting and the PID controller based on membrane computing two parts，two parts work together，to achieve the intended purpose.

【Key words】Membrane calculation；PID controller；Distribution；Parallelism

0 引言

PID控制中的核心问题是控制器的比例系数、积分时间、微分时间整定。PID控制器整定的优劣会直接影响控制质量，有时对控制器的鲁棒性能也造成困扰。另外，现代工业控制系统中存在着许多的不确定性因素，这些因素有可能造成数学模型的参数变化和结构突变，使得控制器原比例系数、积分时间、微分时间无法保证系统继续正常工作，此时就要求控制器有良好的在线修正功能，以期能够更好地解决问题。

本文基于膜计算模型提出的基于膜计算的自整定PID控制器，在传统的PID控制算法的基础上，增加了膜计算PID参数控制器，引入系统误差和其它相关因素为输入变量，为PID控制器的三个参数进行在线整定。该控制器能显著提高控制系统的控制质量，达到预期要求。

1 膜计算

膜计算作为计算机科学的一个新研究领域，它同时也是自然计算的一个崭新分支。它从生物中抽象出新的计算模型，比如从活细胞、细胞群、神经元等结构中抽象，所得出的计算概念和模型在实际的运用过程中，得到了良好结果。膜计算是一种分布、并行的计算模型，就现在而言它主要有3类计算模型：以单个细胞作为载体的细胞型计算模型、以细胞群作为载体的组织型计算模型、以神经元作为载体的神经型计算模型。

膜结构、进化规则和对象多重集是膜系统（也称P系统）的三个组成部分。从往常经验来看，膜结构中膜的大小和在空间上的布局并不重要，膜系统看重要的是膜之间的逻辑关系，这种逻辑关系包括相邻、包含与被包含。作为一个膜系统，它必需有唯一的外层膜（也称表层膜）；如果膜中没有其它膜结构则成为表层膜；膜与膜之间的相邻关系称为邻膜；膜内的空间称为区域；所有的膜都应该有标记，它也是膜对应区域的标记；所有的膜结构都应该存在自己的环境。

在膜系统中，所有的膜与其包围的区域之间都是一种一一对应的关系。由于这种关系得存在，所以膜的标记也就是区域的标记，则膜的对象就是区域的对象。从目前的研究来看，膜都是一种理想化的概念，它没有组成材料，也没有任何内部结构。

2 自整定PID

自整定PID就是根据情况选择适当PID参数。从控制系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑具体的考虑问题。PID三参数的作用可以总结如下：

（1）比例参数Kp的作用是加快控制系统的响应速度，提高控制系统的调节精度。

（2）积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。

（3）微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

3 基于膜计算的自整定PID控制器设计

基于膜计算的PID参数整定是在PID算法的基础上，通过计算当前系统的偏差等，利用膜计算的分布性、并行性、可拓展性，对PID参数进行实时的调整。

算法主要步骤为：膜计算PID控制器读取参数，各膜内子系统通过膜内规则进行进化，膜与（下转第2页）（上接第49页）膜之间交流。

4 结论

经试验证明，当常规PID控制器的参数调到一个适当的范围内时，常规PID控制器的控制效果也基本令人满意，这充分说明PID算法所具有的优势，但应用在非线性系统上，则存在非常大的不确定性。在引进膜计算概念后，依靠膜计算强大的分布性、并行性能力，更好地处理自整定PID全过程。

基于膜计算的自整定PID控制器，将生物细胞机理和PID算法有机的结合起来，从而基于膜计算的自整定PID控制算法有响应速度更快、超调量更小和跟踪性能更好的特点，具有较强的自适应能力、参数调整能力和鲁棒性，而且也具有较强的抗干扰能力，基本可以完成对系统的无差控制，從而减弱了一些非线性被控系统的滞后性。从理沦上讲，基于膜计算的自整定PID控制器能很好的解决非线性系统中的难题，取得了令人满意的效果。

【参考文献】

[1]张葛祥，潘林强.自然计算的新分支膜计算[J].计算机学报，2010（2）：208-214.

[2]黄亮.膜计算优化方法研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[3]付杰.受膜计算启发的优化算法研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[4]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2002.

[5]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2003.endprint