PID参数的自适应模糊逻辑

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宝冬

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PID参数的自适应模糊逻辑

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2020-06-29 17:11:32

偏差(E)和偏差变化率(EC)是PID问题的基础。

每一次过程采样,都会产生一对E和EC值。

每个E或EC值,都可以被规范成一个标准范围内的值,比如从-3到+3之间。

这个范围又细分为6个区间,每个区间都有一对首尾节点,(-3~-2)、(-2~-1)、(-1~0)、(0~+1)、(+1~+2)、(+2~+3)。

规范化的E或EC值一定会落入这六个区间中的某一个。

为什么要选择从-3到+3做为标准范围呢?这七个数字代表了,我们自然常见的对事物变化的主观评价的七种情况。

没有变化(0,符号表达ZE,Zero)

正向的很小变化(+1,符号表达PS,Positive Small)

负向的很小变化(-1,符号表达NS,Negative Small)

正向的中等变化(+2,符号表达PM,Positive Medium)

负向的中等变化(-2,符号表达NM,Negative Medium)

正向的很大变化(+3,符号表达PL,Positive Large)

负向的很大变化(-3,符号表达NL,Negative Large)

过程值落入这个标准范围,就是对过程变化进行标准化的评价。

 

在落入的区间中,E或EC的值可能距离首节点比较近,也可能距离尾节点比较近。根据距离远近,可以分别得出与首尾节点的关联度(通常叫隶属度)。隶属度代表数值出现在该点的概率。

这样一来,数值就被描述成了空间的属性,而变化的数值也就成了空间属性的变化。这实际是把关注点从数值本身转向了数值所处的空间。空间成了问题的本质,具体数值只是空间的瞬态。

 

E和EC是问题的两个维度,它们各对应一个标准范围,各有七个节点的隶属度描述。

两个标准范围结合在一起,就成了一个有49个节点交叉的二维空间。数学上这个二维空间用一个表格也就是二维数组来表达。每个交叉点代表对应的两个维度的相应节点的隶属度都为1的场景,这表示当前的过程值刚刚好好发生在这个交叉点上,没有偏差。

这个二维空间包含了49个这样的标准节点场景,显然这些场景是不可能同时出现的。

这个二维空间的每个维度用一组现实的E和EC的7个节点隶属度分布去填充,就会得到过程真实场景的分布画像。

每个维度的七个节点中,最多只可能有两个节点的隶属度不为零,且相加得1,其它节点的隶属度都为零。

那么在二维场景中,碰巧了也许正好有一个标准场景的概率为1(交叉点对应的E和EC的节点隶属度相乘)会发生,而其它场景的概率都为0,这种可能性极低。绝大多数情况下,E和EC每个维度的隶属度描述会出现2个不为0的节点隶属度,相应的在二维空间中,会形成4种标准场景的概率组合。


对于这个二维表格的49种标准场景,在表格的每个交叉点上给出一个数值。这个数值代表了该处的标准场景概率为1时候的标准对策数值。在场景概率组合的情况下,显然这个数值不会被100%采用。

这个被填充了标准对策数值的二维表格,被称为规则表。PID有三个参数,就需要三个规则表来描述各自的对策。下面是3个具体规则表。

那么做为最终结果的对策数值,也就是按照4种标准场景的概率组合,对4个对策数值进行加权平均的结果。其实说成是全部49种场景的加权合成也行,因为其它项的结果都只能为0。

这里面的权重就是每个标准场景的概率。这就是用现实去过滤策略的理论值,或者说把规则映射到现实场景。

最后在每个算法周期的上升沿,用最终结果去增量式调整PID参数。

这样的模糊逻辑,与PID控制程序链接,就会产生自适应的效果。


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模糊控制的本质在于找到合适的策略表达方式,让具体的场景能够与之匹配。

它的应用远远不止PID这个二维空间的问题,这也是它能引起我兴趣的原因。

这种控制方式很简单易用,不需要数学模型。是一种非常通用的方式。

把它做为自动工具来观察和总结一个具体过程的特点,也许比直接应用更有意义。

网上对模糊控制的解释,普遍都是就数学形式照葫芦画瓢。纯度不够就不能极致抽象,而抽象的尽头就是回归接地气,质朴化,直觉化。


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