Unified Control Theory from PID to ACPID

To address the challenge of achieving unified control across diverse nonlinear systems, a comprehensive control theory spanning from PID (Proportional-Integral-Derivative) to ACPID (Auto-Coupling PID) has been proposed. The primary concept is to unify all intricate factors, including internal dynamics and external bounded disturbance, into a single total disturbance. This enables the mapping of various nonlinear systems onto a linear disturbance system. Based on the theory of PID control and the characteristic equation of a critically damping system, Zeng’s stabilization rules (ZSR) and an ACPID control force based on a single speed factor have been designed. ACPID control theory is both simple and practical, with significant scientific significance and application value in the field of control engineering.

采摘机器人机械手避障方法研究——基于遗传优化和模糊PID控制器

为了提高采摘机器人机械手移动的自动化程度,使其在移动过程中有效避开障碍物,将基于PID控制器的避障系统引入到了机械手的设计上,并采用遗传算法和模糊算法对控制器进行了优化,提高了机械手移动的准确性和平稳性。模拟采摘机器人机械手的作业环境,对机械手的避障功能进行了测试,结果表明:机械手可以成功躲避障碍物,且采用遗传和模糊算法优化的机械手具有更高的移动平稳性,对于提高果实采摘效率和质量具有重要的作用。

基于PID的ROV运动控制仿真

针对观察型水下机器人在水下运动时易受暗流、波浪影响,造成操控困难、系统稳定性差等问题,建立遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)不同运动的控制模型,考虑电机和导管螺旋桨推进器的传递函数对ROV控制系统的影响,确定定艏向和定深控制系统的闭环传递函数,结合模糊控制和比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制法,得到模糊PID控制器,基于MATLAB/Simulink环境进行ROV定深度运动仿真和ROV水平面艏向定偏角运动仿真。结果表明,与传统PID控制相比,模糊PID控制具有更优的ROV定艏向和定深度控制效果,不会发生超调现象,在抗干扰能力和响应速度方面具有明显的优势,可有效地实现ROV定艏向和定深度运动控制。

基于遗传算法的汽车主动悬架变论域模糊PID控制

针对1/4车主动悬架系统,提出一种基于遗传算法(genetic algorithm,GA)的变论域模糊比例-积分-微分(proportional-integral-differential,PID)控制方法.在建立主动悬架系统模型的基础上,引入变论域思想设计模糊PID控制器.为进一步改善控制器减振效果,采用GA来优化变论域中伸缩因子描述函数的参数.结果表明:相比PID、模糊PID与未优化的变论域模糊PID等控制方法,基于GA的变论域模糊PID控制方法在降低车身垂向加速度、改善乘坐舒适性方面具有优越性;所提控制方法对簧载质量和车辆行驶速度不确定性具备较强的鲁棒性.

基于单片机和PID算法的温度智能控制系统设计

为提高温度控制的智能化水平,设计一种智能温度控制系统。该系统以STC89C52单片机为控制器,采用PID算法控制温度,具有语音播报和手机远程控制等功能。采用DS18B20温度传感器采集环境温度;设计LCD12864显示电路实时显示当前温度、温度上下限以及温度状态;设计WT588D语音提醒电路,当测量温度小于下限或大于上限时发出语音提醒;设计按键电路实现温度上下限值的设定;设计蓝牙通信电路,与手机APP通信,实现远程控制;采用PID算法输出控制量,控制固态继电器驱动加热或降温装置,实现温度控制。其次,对温度控制系统的硬件和软件进行设计,并制作实物进行运行测试。实验结果表明,所设计的温度控制系统能够很好地实现温度控制,从而达到预期效果,且操作方便、成本低,具有较强的应用价值。

基于模糊-遗传算法的粗纱机出料传动系统PID参数优化方法

目前常规的粗纱机出料传动系统PID参数优化方法主要通过结合被控对象的稳态增益情况构建出优化函数,实现PID参数优化整合,忽略了实际运行工况下的干扰成分,导致参数优化效果不佳。对此,提出基于模糊-遗传算法的粗纱机出料传动系统PID参数优化方法。首先结合PID的系统阶跃响应曲线,以被控量的偏差变化率作为主要参数选取性能指标;然后通过引入负荷扰动模块以及频率干扰模块,对PID调节模块进行建模分析;最后结合模糊-遗传算法对最优适应度值进行求解,从而实现PID参数的有效优化,并对提出的方法进行优化效果检验。最终测试结果表明,采用提出的方法对PID参数进行优化整合时,控制输出曲线与理论输出曲线的拟合程度更高,具备较为理想的优化效果。

基于变论域模糊PID的金属热处理过程温度控制方法

为高效且安全地提取金属合金内的可用材质并分析其性能,利用变论域模糊PID技术,实现对热处理过程的温度控制。设定在金属规则状态不变的情况下,论域会随着偏差的缩减出现伸缩,即需要增添新的规则。若偏差率能够支持模糊量化取整,控制器的伸缩因子可能会陷入无法取值的情况。此时,通过二元函数分片双一次插值法计算伸缩因子,在临近分档之间填充新规则,确保伸缩因子取值的连续性。然后,在模糊PID控制过程中加入变论域,依靠控制器实现对金属热处理过程温度的控制。根据实验验证情况可知:该方法有效提高了控制效果,在应用该方法后,缩短了温度控制时间,在100s内就可以是加热温度到达拟定值。

基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜环境参数调控优化

【目的】开发新的控制策略,用于解决传统控制方法果蔬保鲜环境参数因时变性、非线性、滞后性强和惯性大等特点导致的控制精度低、鲁棒性弱等问题。【方法】将传统比例−积分−微分(Proportional-integral-derivative,PID)和BP神经网络(Back-propagation neural network,BPNN)算法相结合,开发一种基于BPNN-PID的控制策略,通过自主搭建的果蔬保鲜环境调控试验平台和自主设计的控制系统,研究不同控制策略对保鲜环境参数调控效果的影响。【结果】基于BPNN-PID控制策略的果蔬保鲜环境控制系统,环境温度超调量为1.7℃、稳定时间为80 min、稳态误差为±0.2℃,环境相对湿度超调量为2.8%、稳定时间为55 min,相对湿度稳定维持在80%~90%范围内。与传统PID控制策略相比,BPNN-PID控制策略环境温度超调量减小了2.1℃、稳态误差减小了0.3℃、稳定时间缩短了25 min,环境相对湿度超调量减小了2.2%、稳定时间缩短了25 min,环境参数波动幅度均有所降低。【结论】本文开发的果蔬保鲜环境控制系统呈现出良好的动态调整能力,具有较强的鲁棒性,控制性能明显提升,实现了保鲜环境参数的精准控制,满足果蔬保鲜贮藏要求。研究结果为果蔬保鲜环境参数调控提供了参考。

基于粒子群优化模糊PID控制的水厂加氯系统

水厂加氯过程具有非线性、大时滞等特点,采用传统的PID控制方式难以实现消毒剂精准投加。因此,以某采用次氯酸钠消毒系统的水厂为例,首先通过分析该水厂加氯系统工作原理,结合工程经验和运行数据确定了加氯过程的近似数学模型。然后综合使用粒子群优化算法、模糊控制算法和PID控制算法,设计了一种粒子群优化模糊PID控制器,并利用MATLAB软件搭建了粒子群优化模糊PID控制系统和传统PID控制系统的模型进行仿真验证,结果表明:相较于传统PID控制系统,粒子群优化模糊PID控制系统的超调量减少了89.36%,调节时间减少了46.63%,其抗干扰能力也更强,系统整体控制效果有了较大提升。最后使用基于粒子群优化的模糊PID控制法对水厂加氯控制系统进行改造,试运行后发现,新系统控制效果良好,出厂水游离氯值能够稳定在设定值附近。

带宽化调节下的抗扰PID退饱和控制方法

比例–积分–微分(PID)控制的抗饱和设计是一类经典非线性控制问题,理论研究丰富,但工程中广泛使用的仍是积分退饱和这类简易策略.究其原因,现有理论方法过于依赖系统模型和状态空间理论,稳定性条件与调参机制之间关系复杂.本文基于经典退饱和控制结构,首次阐述了“退饱和带宽”概念及退饱和参数调节机理,在此基础上讨论了两类低阶退饱和补偿器的带宽化设计方法.在抗扰PID反馈控制下,结合小增益定理得到退饱和控制的稳定性条件,给出控制参数与退饱和带宽之间的调节关系,实现退饱和控制的带宽化整定.最后,通过数值仿真验证了所提方法的有效性.

重放攻击下多智能体系统H_(∞)一致性PID控制

本文针对一类带有加性噪声和乘性噪声的离散多智能体系统,研究重放攻击下多智能体系统的H_(∞)一致性比例-积分-微分(PID)控制问题.首先,根据智能体的测量输出设计状态观测器,对智能体的状态进行有效估计,观测器设计过程中考虑了系统测量输出从传感器传输到观测器过程中受到重放网络攻击的影响.然后,利用智能体与其邻居智能体的估计状态差设计PID控制器.利用李雅普诺夫稳定性理论和代数图论,证明在该控制策略下,多智能体系统在重放攻击存在的情况下达到预期的H_(∞)性能指标.最后,利用线性矩阵不等式(LMI)方法求解观测器和控制器增益,利用数值仿真验证了所设计的观测器和PID控制器的有效性.

多策略改进粒子群优化AGV模糊PID控制

为解决AGV在复杂环境下控制精度低下、响应速度慢和鲁棒性差等问题,提出一种基于改进粒子群优化模糊PID控制方法。在粒子群算法(PSO)引入Logistic混沌映射对种群进行初始化,其次对惯性权重和学习因子进行非线性控制更新,提升种群寻优能力和避免陷入局部最优;选取9个测试函数验证改进PSO算法效果。仿真结果表明改进PSO在寻优精度和收敛速度都优于其他3种算法,而且不易陷入局部最优。最后对被控系统进行效果验证,结果表明改进PSO优化模糊PID控制器在常规和外部干扰两种环境下控制性能都优于传统PID和模糊PID,具有高可靠性、高控制精度,满足系统要求。

基于PID的电阻炉温度控制仿真

电阻炉是熔炼金属、玻璃成型及陶瓷制造等工业生产中的重要加热设备之一,主要利用电流使炉内电热元件进行发热,在工业背景下,电阻炉温度的准确控制对于生产过程的稳定性和产品质量至关重要。如果温度控制不足够精确,可能会导致材料变质、能源浪费和生产延误,造成一定的经济损失。为了优化这些过程并确保产品质量,精确的温度控制是必不可少的。在分析PID控制器基本原理以及特点的基础上,探讨基于PID的电阻炉温度控制系统设计,并通过Matlab的强大工具和模拟环境,模拟电阻炉温度控制代码,能够帮助进一步理解和改进电阻炉温度控制系统,使电阻炉温度控制更加精准,以满足不断变化的工业需求,生产出更高质量的工业制品,推动制造业的现代化发展。

正压呼吸防护面罩中无刷电机的模糊PID控制

正压呼吸防护面罩是作为医护工作者抗击新型冠状病毒(SARS-CoV-2)所使用的个体防护装备。本文忽略呼吸扰动等因素对送风子系统所产生的干扰,以送风子系统中的无刷直流电机为研究对象,建立无刷直流电机的数学模型;在MATLAB/Simulink环境中建立无刷直流电机转速PID控制模型,但由于无刷直流电机存在非线性、时变性等特点,导致PID控制对送风子系统中无刷直流电机的控制效果并不理想。然而,由于模糊控制不需要被控对象的精确模型,所以可以使用模糊PID来完成对送风子系统中无刷直流电机的控制优化。通过仿真实验结果表明:使用模糊PID控制系统的稳定性优于PID控制系统,无刷直流电机控制性能得到提升。

基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制研究

目前煤矿掘进机俯仰控制主要采用PID控制方法,在掘进机俯仰控制时变性与液压系统非线性情况下的控制精度不高。掘进机俯仰控制通过控制液压缸行程实现,将传统PID算法与模糊控制、神经网络等相结合,可有效提高液压缸行程控制精度。提出了一种基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制方法。通过分析掘进机支撑部运动学关系,得到俯仰角与支撑部液压缸的数学关系;介绍了掘进机俯仰控制液压系统工作原理,建立了液压系统及其传递函数模型;将模糊控制与神经网络相结合,形成模糊神经网络,利用模糊神经网络优化PID控制参数,再结合支撑机构数学模型和液压系统传递函数模型,建立掘进机俯仰角模糊神经网络PID控制模型,实现煤矿掘进机俯仰机构自动精确控制。该方法可使掘进机俯仰机构更加快速、准确到达预设位置,解决掘进机俯仰控制中的时变性与非线性难题。仿真结果表明:模糊神经网络PID控制算法相较于模糊PID和PID控制算法,跟踪误差分别降低了69.34%和74.49%。通过液压缸位移控制模拟煤矿掘进机在突变工况和跟随工况下的俯仰控制,结果表明:模糊神经网络PID控制算法相比模糊PID和PID控制算法,俯仰控制跟踪误差最小,对位置信号的平均响应时间分别缩短了27.22%和50.33%,动态控制性能更好。

基于前馈补偿LQR与PID的矿井无轨胶轮车横纵向控制研究

无人驾驶技术是实现无轨胶轮车井下安全、智能、高效运输的重要方案之一,为了提高无人驾驶过程中的轨迹跟踪精度,提出了基于前馈补偿的横向线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)与纵向比例积分微分(Proportion Integration Derivative,PID)位移速度调节器相结合的控制策略,实现车辆的横纵向协调控制。通过建立考虑轮胎侧偏特性的2自由度无轨胶轮车动力学模型和跟踪误差模型,并采用井下无轨胶轮车实车参数建立其电机模型,得到车辆的驱动制动输出。利用Carsim和Matlab/Simulink搭建联合仿真环境,分别在井下双车道工况、单车道工况与颠簸路面工况下进行了轨迹跟踪仿真验证。结果表明:在3种工况下车辆轨迹跟踪过程中的最大横向误差仅为5 cm,最大纵向误差仅为10 cm,速度误差控制在1 m/s以内,航向误差范围为±0.1 rad,前轮偏转角变化平稳未出现抖动现象。为验证控制器在井下实际环境下的跟踪性能,使用实验室小车于陕西某井下巷道进行了现场试验验证,结果表明:井下实际巷道下试验结果误差仍在合理范围内,解决了车辆运行过程中的速度和路径的时变问题,反映出该控制器具有较高的精度和较好的稳定性。

爆胎车辆动力学分析及模糊PID控制优化策略研究

车辆通过控制系统提高行驶的稳定性,但在爆胎时容易导致车辆行驶失去稳定性,从而造成车辆发生侧翻现象。为改善车辆动力学控制系统输出效果,建立了车辆轮胎动力学模型。引用模糊比例-积分-微分(PID)控制器,给出了模糊PID控制器输出参数与误差和误差变化率的关系图。提出人群搜索算法,利用人群搜索算法迭代搜索原理对模糊PID控制器参数进行寻优。以车辆2种行驶路况为例,利用Matlab软件对爆胎车辆的稳定性进行仿真,比较和分析爆胎车辆优化控制系统的输出效果。结果显示:采用模糊PID控制系统,爆胎车辆产生的偏航角、俯仰角加速度和侧倾角加速度较大。采用人群搜索算法优化模糊PID控制系统,爆胎车辆产生的偏航角、俯仰角加速度和侧倾角加速度较小。爆胎车辆采用人群搜索算法优化后的模糊PID控制器,不仅响应速度快,而且行驶的稳定性较好。

基于模糊PID控制的粉碎机转速和位置自适应控制研究

为提高粉碎机的控制性能,提出一种基于模糊PID控制的粉碎机转速和位置自适应控制算法。方法以粉碎机STM86步进电机控制为研究对象,构建粉碎机驱动电机数学模型,并结合PID控制和模糊控制设计基于模糊PID控制算法,以实现粉碎机的自适应控制。结果表明,模糊PID控制算法对粉碎机速度和位置控制的超调量分别为4.20%和0.13%,调节时间分别为0.21 s和0.02 s、平均跟随误差分别为0.02 mm和0.01 r/min;相较于PID控制、模糊滑模控制、模糊自抗干扰控制算法,模糊PID控制算法具有更低的超调量,更短的调节时间和更小的平均跟随误差。由此得出,模糊PID控制方法可实现更优异的粉碎机自适应控制,且具有一定的实际应用价值。

高海拔潮气量双环PID控制系统研究

为解决高海拔地区气压降低导致急救呼吸机潮气量控制精度下降的问题,提出了双环PID潮气量控制系统。该系统采用气压补偿型PID控制器调整风机转速,并辅以积分分离式PID控制器,以实现对气流速度的精确控制。在实际海拔4370 m、大气压59 kPa的环境中,系统性能测试表明,相较于单环PID控制,双环控制系统在高海拔条件下表现出快速响应和无超调的卓越性能。平均气流速度输出误差为3.19%,最大误差为4.1%,优于现有临床设备的准确性。这一技术突破不仅提供了高海拔急救呼吸机潮气量控制的有效解决方案,也为特殊环境下的通气控制技术发展贡献了重要参考。

“自动控制原理”课程思政教学探讨——以PID控制教学为例

随着信息技术的飞速发展及在各行各业的深入渗透,高校教学过程中越来越多的专业开设了控制类课程。“自动控制原理”是自动化类专业的核心基础课程,也是武汉大学全校公共专业基础平台课,受众面十分广泛。通过主要阐述经典控制理论PID控制器中体现的系统思想,通过剖析PID控制的物理内涵,润物无声地融入思政元素,将控制理论内在的技术哲学自然融入专业课程教学,在传授知识的同时进行价值引领,切实提升立德树人成效。