基于PID的人工智能算法研究

摘要：本文简要的介绍了PID，分析了常规PID控制算法，然后分析了常规PID控制与人工智能控制相结合所形成的人工智能PID控制算法的优势。

关键词：PID；人工智能；算法

随着智能控制技术的高度发展，先进的算法也不断推出，但是技术发展对被控制对象的需求也越来越复杂，传统的算法在很多方面不能适应技术参数的变化需求。人工智能控制技术的不断发展，为被控制对象提供了新的理论支撑，以及提高抗干扰性能，先进的人工智能算法可以對参数进行自动适应调整，使控制系统获得较为准确的数学模型，同时也可以改善传统控制系统的性能。因此，开发人工智能控制新算法，并使之与传统算法相兼容对于智能控制发展具有重要的意义。

1 PID概述

工程控制和数学物理 PID（比例积分微分）英文全称为Proportion Integration Differentiation，PID是比例、积分、微分控制的简称。[1]PID由8位端口优先级标识符加端口号组成，端口号占低位，默认端口号优先级128。[1]

PID实现控制的关键问题是控制器的参数整定。PID的先进之处是按一定算法进行操作，并将这些算法通过输入/输出算法的变换和物理方式实现智能控制。[2]PID控制器参数的整定是根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数。 PID控制器参数是综合性的，并且各参数之间互相影响。

2 常规PID分析

常规的PID是根据控制系统的相应特性曲线来进行参数整定范围。整个系统实现的关键是控制误差e（t），有：

e（t）=r（t）c（t）

式中r（t）是设定值，c（t） 是输出值。[2]

针对控制系统的控制量的获得，是通过对控制偏差进行比例取值、积分、微分等的操作结构进行叠加以获得，进而再应用于实际控制。

现在，国内外常规PID参数整定的研究方法主要有：规则法和辨识法。规则法是被控对象的数学模型不需要事先知道参数的整定方法，相当于操作人员有一定的整定经验，并对参数进行手动整定。当然，规则法开发到广泛应用的这些过程中，不断的进行优化和发展研究。但是，对于规则的整定效果，参数整定算法主要取决于开发者对控制回路参数整定的经验，因此参数整定会出现精度不够准确，难度也比较大，经验值也要求较高等缺陷。辨识法是被控对象的数学模型要首先被获得，然后再采用以模型为基础计算PID控制器的调节参数。当然，在辨识法的应用和发展过程中，也被国外学者们不断的进行优化和发展研究。许多学者进行了相关方面的研究工作，整定方法的研究取得了越来越多的研究成果。

PID控制器因它诸多的优点成为一种应用广泛的控制器。但是，随着科学技术发展的需求，控制信号出现的非线性、时变性等特征越来越复杂。[2]常规PID控制常常会由于环境、操作等因素的影响，使得参数整定会出现不良效果，从而影响控制系统性能。这就需要通过对PID的参数进行更优良的整定，急需我们寻找出更优的智能化算法模型，为了更进一步降低误差，减小响应时间，以提升PID控制的精准度，使我们生产出更优的工业产品。

因此，将人工智能控制与常规PID控制相结合所形成的人工智能PID控制系统，会凸显先进技术的强大优势。

3 PID的人工智能算法

人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI，它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。[3]人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟，但却能像人那样思考、也可能超过人的智能。人工智能算法，就是人类通过计算机实现或者模拟智能控制功能的算法，即人类通过计算机来模仿人脑的思考、识别、推理和解决问题等思维活动。人工智能算法有遗传算法、进化算法、专家系统、神经网络等。

随着智能控制理论的不断发展，对于复杂被控对象的控制，迎来了新机遇，如：无人驾驶、无人机控制、智能生活方式等人工智能在交通、军事、医学、生活、工业、航空航天等相关领域都有了广泛的应用及设想。但是PID控制受产品功能复杂化，控制器与计算机配置之间的兼容性等因素的影响，使得人工智能控制算法在工业控制生产上的实现是我们进一步需要大力开发的关键问题。因此，为了实现工业生产控制具有更小的误差，更短的响应时间，更易实现的控制要求，更强的适应能力，我们把人工智能算法与PID相结合。在PID控制器的参数整定中将智能计算技术引入，形成了智能PID控制，它可以极大程度的简单化复杂的建模程序，并且可以使PID参数对控制系统具有更强的自适应调整功能，使常规PID控制系统的控制品质显著地得到了提高， PID控制器的性能得到改善。[4]另外，专家和学者将人工智能算法与其他技术（模糊技术、神经网络技术等）相结合，使工业控制问题分析、求解等方面能力得到更好的扩展和提升，这方面在技术已经取得丰硕的成果。

4 总结

人工智能算法会在一定程度上弥补传统PID算法的缺陷，但是不论哪种算法都有一定的缺陷，我们应该根据实际问题，分析并选择出最适合的算法，以实现更为先进、更为合理、更为兼容、更能保证在复杂工况条件下具有足够的稳定性和精准性。人工智能算法在科学理论和工程上的开发和应用，已经成为了学者和专家们研究控制领域的热点。

参考文献：

[1]沈乾坤.基于PLC的智能PID方法研究与实现[D].西安理工大学，201706.

[2]高美春.基于人工智能的改进PID纠偏算法分析[J].信息通信，2013（7）.

[3]李辉.人工智能算法在自动控制中的应用[J].信息技术.

[4]李文惠，刘嵩.基于遗传算法的人工智能分析[J].计算机光盘软件与应用，20130101.

[5]杨平，邓亮，徐春梅，李芹.PID控制器参数整定方法及应用[M].中国电力出版社.

作者简介：刘祯（1997），男，本科，河南大学国教学院2015级计算机科学与技术专业。