自調整控制系統是通過自動地調整控制器的參數，來補償過程特性或環境條件的變化。工業過程採用自調整控制的主要原因有兩個：
1．大多數工業過程是非線性的，而設計線性控制器時所使用的線性化模型與具體的穩態工作點有關。顯然，當穩態工作點改變時，控制器參數的最佳值就應不同，這就意味著控制器需要有自調整能力。例如，一個簡單的液體蓄槽的液位，其時劇常數和過程增益是隨液位穩態值的不同而變化的。
2．大多數工業過程是非定常的，具有時變特性，即過程特性隨時間而變化。因此也需要控制器具有自調整能力。
基本介紹
- 中文名：自調整控制系統
- 外文名：Self-tuning control system
- 簡介：自動調整控制器的參數來補償變化
- 控制算法：位置式、增量式數字PID
- 控制目的：抑制干擾影響、確保過程穩定性等
- 套用學科：控制科學、機械科學、電氣工程
簡介,定義,研究背景,控制算法,控制目的,模糊自調整控制系統,控制算法的確立,系統結構,功能塊,室溫自調整控制系統,
簡介
定義
自調整控制系統是通過自動地調整控制器的參數，來補償過程特性或環境條件的變化。工業過程採用自調整控制的主要原因有兩個：
1．大多數工業過程是非線性的，而設計線性控制器時所使用的線性化模型與具體的穩態工作點有關。顯然，當穩態工作點改變時，控制器參數的最佳值就應不同，這就意味著控制器需要有自調整能力。例如，一個簡單的液體蓄槽的液位，其時劇常數和過程增益是隨液位穩態值的不同而變化的。
2．大多數工業過程是非定常的，具有時變特性，即過程特性隨時間而變化。因此也需要控制器具有自調整能力。
研究背景
在生產過程中，一個良好的控制系統不但要保證系統的穩定性和整個生產過程的安全，滿足一定的約束條件，而且要有一定的經濟效益和社會效益。並且由於許多過程往往具有自身的特殊性，有的機理複雜，有的變數間關聯嚴重，而且往往存在著非線性、大純滯後、時變及各種不確定性，採用簡單或常規複雜控制往往難於滿足工藝要求。因此，近年來控制理論迅速發展，出現了許多新型控制策略，如神經元網路控制，自適應控制，最優控制和模糊控制等。雖然其中有些理論早已提出，但當時限於技術，實施比較困難或無法實施。而隨著計算機控制技術的發展，這些高級控制策略得以成功地套用於生產過程控制。
而在工業控制過程中經常會碰到大滯後、時變、非線性的複雜系統，有時無法獲得精確的數學模型。對於這些系統，簡單PID算法不能達到滿意的控制效果和控制品質。
數字PID控制是最早發展起來的控制策略之一，由於其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛套用於工業過程控制，尤其適用於可建立精確數學模型的確定性控制系統。而實際工業生產過程往往具有非線性、時變性，存在著許多不確定性，對象參數和環境常常隨時間發生變化，這很容易引起對象和模型失配，而且各類不確定干擾也會影響控制過程，這樣就難以建立精確的數學模型，因此套用常規PID控制器不能達到理想的控制效果。此外，數字PID控制器在靜態和動態性能之間，跟蹤設定值與抑制擾動能力之間存在著矛盾，通常採用折衷的方法，使系統不能獲得最佳的控制效果。同時，在實際生產過程中，由於受到參數整定方法煩雜的困擾，常規PID控制器參數也往往整定不良、性能欠佳，對被控對象的變化適應性很差。針對這一問題，長期以來，人們一直在尋求常規PID控制器參數的自動整定技術，以適應複雜的工況和高指標的控制要求。
控制算法
數字PID控制是一種線性控制，這種控制是將設定值與實際值進行比較構成控制偏差，並將其比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，所以簡稱P(比例)I(積分)D(微分)控制。它是至今為止最通用的控制方法。它的優點是原理簡單，使用方便，魯棒性強。也就是說，其控制品質對過程特性的變化靈敏度比較低，調節器參數調整比較容易；具有無餘差功能，精度較高；適應性廣，可用於各類工業過程的控制，並已商品化。全世界過程控制中84%為純PID調節器，若改進型包括在內則超過90%。數字PID控制分為位置式和增量式。
採用位置式PID算法時，計算機的輸出可直接與數字式調節閥連線，其它形式的調節閥必須經過D/A轉換，將其輸出轉化為模擬量，並通過保持電路將其保持到下一個採樣周期輸出信號的到來。而增量式PID算法的計算機系統採用步進電機，多圈電位器或累加器進行控制。
控制目的
工業生產過程的總目標，一般是利用可能提供的能源和原材料，以最經濟的途徑將一定的原材料轉化為預期的產品。為此必須對生產進行監督和控制以滿足生產目的，達到高產、優質和低耗。其控制目的可歸納為以下三個方面：
1．抑制外部干擾的影響。控制系統的首要目的是消除外部對生產的影響，即引入控制系統，使過程產生儘可能小的變化，以消除外部擾動對生產造成的不良影響。控制系統的的設計目的是以儘可能小的代價，來爭取最佳的控制效果。
2．確保過程的穩定性。使整個系統穩定是控制的最基本目的。對於生產過程本身特性是穩定的，則在外部干擾的作用下，過程無需控制干擾就能達到穩定。在這種場合下，控制的目的只是抑制干擾的影響．保持預定的生產條件。然而，對於生產過程本身特性是不穩定的，則控制目的除了抑制干擾的影響外，還必須使過程保持穩定。
3．使過程穩態和動態工況最優。使過程滿足生產指標和安全指標是生產過程的兩個基本目的。在達到這兩個目的之後，下一個目標就是如何使工廠獲得更多的經濟效益。假如影響生產過程的操作條件是變化的，就需要按經濟目標最大或成本最低的方式去改變工藝操作條件。這就是最佳化控制的目標。
為了達到上述控制目的。控制系統一般由以下幾部分組成：
(1)過程或對象。
(2)測量儀表和敏感元件。
(3)控制器。
(4)執行器。
(5)記錄顯示裝置、信號濾波器等。
模糊自調整控制系統
控制算法的確立
自調整因子模糊控制是一種基於規則修改的模糊控制，它的模糊控制規則可隨它所控制的過程的運行和環境的變化而自動的修改，從而使系統的性能達到令人滿意的水平。這種控制方法較之常規的固定模糊控制規則的模糊控制方法，對環境變化有較強的自適應能力，在隨機環境中能對控制器進行自動校正，使得在被控對象特性變化或擾動的情況下，控制系統保持較好的性能。因此它在控制被控對象的同時，還要了解被控過程，它實際上是將模糊系統辨識和模糊控制結合起來的一種控制方式。通過辨識能更好的了解被控過程，以便使控制器能跟上過程和環境的變化。這樣，控制器本身就具有一定的適應能力，或者說模糊自調整控制器具有一定的智慧型。
系統結構
自調整模糊PID控制系統結構功能塊
自調整因子模糊控制是在簡單模糊控制器的基礎上，增加了三個功能塊兒構成的一種模糊控制器。三個功能塊為：
1．性能測量——用於測量實際輸出特性與希望特性的偏差，以便為控制規則的修正提供信息，即確定輸出回響的校正量。
2．控制量校正——將輸出回響的校正量轉換為對控制量的校正量。
3．控制規則修正——對控制量的校正通過修改控制規則求實現。自調整因子模糊控制算法具有很強的自適應能力，因此選擇它作為研究對象之一。
模糊控制系統的核心部分是模糊控制器。也就是說，模糊控制器的性能將決定著該系統控制性能的好壞；而模糊控制器自身性能又取決於模糊語言規則合成推理。在通常情況下，模糊控制器一旦設計完成，其語言規則和合成推理往往是確定的，也就是不可調整的。但是，對於某些場合，為了使一類模糊控制系統具有更強的通用性，使它能適用於不同的被控對象，而同樣能獲得滿意的控制特性，這就要求模糊控制器具有自調整性能。自調整因子模糊控制器就具有這樣的功能。
室溫自調整控制系統
空調系統是通過改變各房間的送風量來適應房間的負荷變化，使系統輸送的風量在各房間之間轉移，從而減小系統總的設計風量。
空調系統室溫對象是典型的強耦合、多干擾、參數時變的非線性系統，採用常規PID控制方法，一般較難達到良好的控制效果。而模糊控制可以對非線性、大慣性、大滯後對象以及難以建立數學模型的對象，獲得較好的控制效果。雖然模糊控制具有較強的適應性，其動態回響品質也優於常規PID控制，但由於其不具有積分環節，往往存在靜態誤差，因此，常常將其與PID控制方法結合起來套用，如Fuzzy—PID複合控制、Fuzzy—PI混合控制、參數自整定Fuzzy PID控制等方法。但這些控制方法中輸入變數模糊化的量化因子ke，kec都取固定值，當控制系統逐漸向零誤差逼近的時候，最初給定的範圍較大的輸入論域上的模糊劃分就顯得比較粗糙，難以取得較高的控制精度；雖然可以通過增加量化級數提高精度，但會使規則搜尋範圍擴大，降低決策速度。
因此，目前提出了可變論域參數自調整Fuzzy PID控制規律，利用論域伸縮因子αx改變輸入變數的論域，從而調整量化因子ke，kec，控制結構如圖所示。
可變論域參數自調整Fuzzy PID控制結構
可變論域參數自調整Fuzzy PID控制結構