摘 要： 工業(yè)中的大多數(shù)生產系統(tǒng)都是時變和滯后系統(tǒng)。對于這類系統(tǒng)，普通的PID控制器難以獲得滿意的控制效果。而采用模糊PID控制能降低系統(tǒng)的超調量，提高系統(tǒng)的響應速度。為了提高模糊PID控制器的控制性能，將模糊參數(shù)自整定調節(jié)方法與免疫進化算法相結合，設計了一種模糊免疫參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)。對于時變大滯后系統(tǒng)，模糊免疫參數(shù)自整定PID 控制能明顯減小系統(tǒng)的超調量，加快系統(tǒng)的響應速度。
關鍵詞： 時變；滯后；模糊控制；免疫調節(jié)
當今的工業(yè)生產中，生產過程往往不同程度地存在時變和時間滯后。純延遲的存在使得被調量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動, 必然會產生較明顯的超調量和較長的調節(jié)時間[1]。同時，被控對象的模型并不是固定不變的，模型的參數(shù)會隨著時間的變化而變化。此類系統(tǒng)稱為時變、大滯后系統(tǒng)。工業(yè)生產中，一般采用PID對系統(tǒng)進行控制。對于生產過程中存在的時變、大滯后系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制無法消除控制中的明顯超調量、較長的調節(jié)時間和解決控制模型參數(shù)時變的問題。對此，本文設計了一種模糊免疫PID控制[2]來控制時變、大滯后系統(tǒng)。模糊免疫PID控制中的模糊控制部分可用于被控對象模型不精確或參數(shù)時變的情況。而將模糊控制與免疫系統(tǒng)控制相結合，能夠解決時變、大滯后系統(tǒng)動態(tài)控制過程中產生的明顯超調和較長調節(jié)時間的問題，從而提高系統(tǒng)控制的精度。
1 生物系統(tǒng)的免疫機理[3]
免疫是生物體的一種特性生理反應。生物的免疫系統(tǒng)對于外來侵犯的抗原可產生相應的抗體，抗原與抗體結合后，會產生一系列的反應，通過吞噬作用或產生特殊酶而毀壞抗原。生物的免疫系統(tǒng)由淋巴細胞和抗體分子組成，淋巴細胞又由胸腺產生的T細胞（分別為輔助細胞TH和抑制細胞TS）和骨髓產生的B細胞組成。當抗原侵入機體并經(jīng)周圍細胞消化后，將信息傳遞給T細胞，即傳遞給TH細胞和TS細胞，然后刺激B細胞產生抗體以消除抗原。當抗原較多時，機體內的TH細胞也較多，而TS細胞較少，從而產生較多的B細胞。隨著抗原的減少，體內TS細胞增多，它抑制了TH細胞的產生，則B細胞也隨著減少。經(jīng)過一段時間間隔后，免疫反饋系統(tǒng)便趨于平衡。
2 模糊免疫參數(shù)自整定PID控制
基于上述免疫原理，提出如下假設：假設第k代的抗原數(shù)量為?著(k)，由抗原刺激增強的TH細胞的輸出為TH(k)，TS細胞對B細胞的影響為TS(k)，B細胞接收的總刺激為：
其中，免疫調節(jié)器有2個輸入，分別是PID控制器的輸出u(k)和輸出的變化量Δu(k)。u(k)和Δu(k)的論域分別表示為正(P)、零（Z）、負（N）和正(P)、負（N）。而免疫調節(jié)器中的模糊控制用來模擬免疫反饋規(guī)律中的非線性函數(shù)f()。免疫調節(jié)器的輸出為非線性函數(shù)f()的模糊量，論域為正(P)、零（Z）、負（N）。免疫控制器的輸入和輸出的隸屬函數(shù)分別如圖2和圖3所示。
逼近非線性函數(shù)f()的模糊控制規(guī)則表如表1所示。
模糊規(guī)則采用Zadeh的模糊邏輯AND操作，反模糊化采用常用的加權平均解模糊化方法。
在本系統(tǒng)中，PID調節(jié)器中的積分增益KI和微分增益KD仍然由模糊自整定PID控制器在線整定。至此，已將模糊免疫調節(jié)算法用于PID控制中的比例控制，模糊免疫PID控制器的設計初步完成。
3 系統(tǒng)仿真與分析
在MATLAB的Simulink環(huán)境下用模糊免疫PID控制器對兩個時變大滯后系統(tǒng)進行仿真。
仿真曲線如圖5所示，其中橫軸表示時間(單位s)，縱軸表示溫度(單位℃)。
由仿真結果可知，對于線性時變大滯后系統(tǒng)，模糊免疫PID控制比傳統(tǒng)的PID控制和模糊自整定PID控制具有動態(tài)響應速度更快、超調量更小、過渡時間更短的特點，且效果明顯。
經(jīng)過仿真，結果如圖6所示。其中橫軸表示時間(單位s)，縱軸為階躍響應函數(shù)y(t)。由圖可知，對于非線性、時變、大滯后系統(tǒng)，常規(guī)PID控制響應速度較慢、超調量大、達到穩(wěn)態(tài)的時間長，動態(tài)控制性能并不好。而模糊免疫PID控制相對于常規(guī)PID控制和模糊PID控制具有較短的動態(tài)響應時間和較小的超調量，達到穩(wěn)態(tài)的時間短，有較好的動態(tài)控制性能。
對于時變、大滯后系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制往往達不到控制效果。本文設計了一種模糊免疫PID控制系統(tǒng)，將模糊自適應PID控制的優(yōu)點與免疫控制的優(yōu)點相結合。相比于常規(guī)的PID控制有較快的動態(tài)響應速度、較小的超調量和較短的過渡時間，同時具有較強的適應內部參數(shù)變化的能力。仿真結果表明，模糊免疫PID 控制為時變、大滯后系統(tǒng)的控制提供了一條簡便、有效的途徑。
參考文獻
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