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摘要：针对传统PID控制在压力波动时的控制不足，本文提出将PID控制、模糊控制和神经网络控制的优点结合起来引入到恒压供水的控制系统，形成一种新型的恒压供水控制策略。
关键词：神经网络模糊控制PID控制
0 引言
随着我国市场经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，与此同时用户对供水系统可靠性和供水质量的要求也越来越高；另外，资源的紧缺和人们环保意识的增加，如何把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求，因此无论是在性能方面考虑还是在节能方面考虑，供水系统都需要巨大的变革。
1 传统控制策略
由于变频调速恒压供水系统具有典型的大延迟性、非线性，而且城市用水具有季节性、时间性、水压扰动量大等特点。因此，虽然统治工业控制领域多年的传统PID控制有很多优点并且长期应用于供水系统，但是其固定参数模式致使其不适宜应用于恒压供水系统。由于PID控制拥有很多较好的优点，诸如：原理简单，使用方便，适应强，鲁棒性强等优点。因此在工业控制中人们往往还是会想到PID控制。根据被控对象的不同制定合适的KP、KI、KD参数，可以获得满意的控制效果。然而，PID控制并非尽如人意，因为PID控制适合系统模型非时变的情况。对于一个时变系统，由于PID的参数不会随系统变化而动态的调整KP、KI、KD参数，这样会使控制作用变差，甚至造成系统不稳定。
与传统PID控制相比，模糊控制具有很多优点。模糊控制是建立在模糊数学基础上的一种智能控制技术，可以达到传统控制策略无法达到的效果。模糊控制能较好得跟随系统状态的变化动态调整自身控制参数，不需要建立精确的控制对象模型，因而在实际上的应用越来越广泛。
但是作为一门较为新型的控制科学，还没有系统的方法来指导设计参数精良的模糊控制器。模糊控制器控制规则的确定以及其可调节性是对其控制效果影响最大的一方面。尤其是控制规则的合理制定是模糊控制中的重要部分。目前存在的主要问题是在建立模糊控制规则时要考虑若干参数的选择是否合适，恰当的选择参数是非常重要的。如在供水系统的水压控制中，系统误差和误差变化率的动态范围需要反复多次整定以满足控制需要。
尽管模糊推理系统的设计（隶属度函数及模糊规则的建立）不主要依靠对象的模型，但是它却相当依靠专家或操作人员的经验和知识。若缺乏这样的经验和知识，则很难期望它能够得到满意的控制效果。神经网络的出现很好的弥补了这一缺陷。神经网络系统的一大特点就是其自学习功能，将这种自学习的方法应用于对模糊特征的分析与建模上，产生了自适应的神经网络技术。这种自适应的神经网络技术对于模糊系统的模型建立是非常有效的工具。而自适应神经模糊系统就是基于数据的建模方法，该系统中的模糊隶属度函数及模糊规则是通过对大量已知数据的学习得到的，而不是基于经验或直觉任意给定的，这对于那些特性还不被人们所完全了解或者特性非常复杂的系统尤为重要。
神经网络可以与模糊控制相结合组成神经网络模糊控制，两者各有所长，神经网络能够通过给定的经验集学习并生成映射规则，但其规则不可见；模糊控制制定的规则虽然可见，但是其自学习能力欠缺，导致其规则的动态调整不足。因此有必要将上述两点结合。
2 新型控制策略
由于供水系统的非线性、大惯性及纯滞后性等特点，很显然单纯依靠PID、模糊控制和神经网络控制都不能实现很好的控制效果。因此可以考虑应用一种综合的控制策略以实现对供水系统的良好控制。基于此本文提出了一种新型控制策略——神经模糊PID控制算法，该算法可以综合以上各算法的优点，它不仅具有神经网络控制的自学习自组织能力，还具有模糊控制的鲁棒性强、适应性强的优点，另外还拥有PID控制的实现简单方便等优点，优于以往的算法。
如图显示了神经网络模糊PID控制器的结构框图，该控制器是由三部分组成：
①神经网络控制器：控制模糊规则的动态调整，通过神经网络的自学习，使模糊规则的生成转变为加权系数的确定和调节。根据供水系统的运行状态，调节PID控制器参数，使供水系统最终达到最优控制。
②模糊控制器：对系统的输入输出变量进行模糊化和归一化运算。这些运算的意义是鉴于模糊控制的强鲁棒性和非线性控制作用，对输入到神经网络的模糊规则进行预处理，避免了神经网络采用sigmoid激活函数时，由于输入过大而导致输出饱和。
③传统PID控制器：直接对供水系统的控制过程进行闭环控制，并且三个参数KP、KI、KD实行在线调节，使控制作用时刻跟踪系统的变化。
以上过程简要说来就是使输出层神经元的输出状态与PID控制器的KP、KI、KD参数相对应，这样可以通过神经网络的自学习能力实现加权系数调整，进而使其稳定状态与PID的最优控制相对应，最终利用PID控制器的输出u来实现对供水系统的水压的控制。
参考文献：
[1]刘萍丽.交流变频恒压供水控制器的设计.大连海事大学硕士学位论文.2005.
[2]谢静，韦力.新型恒压供水系统[J].应用能源技术，11，2010：42-45.
作者简介：
谢静（1968-），女，陕西省咸阳市人，讲师，硕士，研究方向：电工电子、控制工程理论及应用
赵瑞林（1976-），男，陕西省宝鸡人，讲师，硕士，主要从事控制理论及控制工程研究。
基金项目：陕西工业职业技术学院2011年院级科研课题，项目名称：基于神经模糊PID混合控制的变频调速恒压供水系统，项目编号：ZK11-09
关键词：神经网络模糊控制PID控制
0 引言
随着我国市场经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，与此同时用户对供水系统可靠性和供水质量的要求也越来越高；另外，资源的紧缺和人们环保意识的增加，如何把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求，因此无论是在性能方面考虑还是在节能方面考虑，供水系统都需要巨大的变革。
1 传统控制策略
由于变频调速恒压供水系统具有典型的大延迟性、非线性，而且城市用水具有季节性、时间性、水压扰动量大等特点。因此，虽然统治工业控制领域多年的传统PID控制有很多优点并且长期应用于供水系统，但是其固定参数模式致使其不适宜应用于恒压供水系统。由于PID控制拥有很多较好的优点，诸如：原理简单，使用方便，适应强，鲁棒性强等优点。因此在工业控制中人们往往还是会想到PID控制。根据被控对象的不同制定合适的KP、KI、KD参数，可以获得满意的控制效果。然而，PID控制并非尽如人意，因为PID控制适合系统模型非时变的情况。对于一个时变系统，由于PID的参数不会随系统变化而动态的调整KP、KI、KD参数，这样会使控制作用变差，甚至造成系统不稳定。
与传统PID控制相比，模糊控制具有很多优点。模糊控制是建立在模糊数学基础上的一种智能控制技术，可以达到传统控制策略无法达到的效果。模糊控制能较好得跟随系统状态的变化动态调整自身控制参数，不需要建立精确的控制对象模型，因而在实际上的应用越来越广泛。
但是作为一门较为新型的控制科学，还没有系统的方法来指导设计参数精良的模糊控制器。模糊控制器控制规则的确定以及其可调节性是对其控制效果影响最大的一方面。尤其是控制规则的合理制定是模糊控制中的重要部分。目前存在的主要问题是在建立模糊控制规则时要考虑若干参数的选择是否合适，恰当的选择参数是非常重要的。如在供水系统的水压控制中，系统误差和误差变化率的动态范围需要反复多次整定以满足控制需要。
尽管模糊推理系统的设计（隶属度函数及模糊规则的建立）不主要依靠对象的模型，但是它却相当依靠专家或操作人员的经验和知识。若缺乏这样的经验和知识，则很难期望它能够得到满意的控制效果。神经网络的出现很好的弥补了这一缺陷。神经网络系统的一大特点就是其自学习功能，将这种自学习的方法应用于对模糊特征的分析与建模上，产生了自适应的神经网络技术。这种自适应的神经网络技术对于模糊系统的模型建立是非常有效的工具。而自适应神经模糊系统就是基于数据的建模方法，该系统中的模糊隶属度函数及模糊规则是通过对大量已知数据的学习得到的，而不是基于经验或直觉任意给定的，这对于那些特性还不被人们所完全了解或者特性非常复杂的系统尤为重要。
神经网络可以与模糊控制相结合组成神经网络模糊控制，两者各有所长，神经网络能够通过给定的经验集学习并生成映射规则，但其规则不可见；模糊控制制定的规则虽然可见，但是其自学习能力欠缺，导致其规则的动态调整不足。因此有必要将上述两点结合。
2 新型控制策略
由于供水系统的非线性、大惯性及纯滞后性等特点，很显然单纯依靠PID、模糊控制和神经网络控制都不能实现很好的控制效果。因此可以考虑应用一种综合的控制策略以实现对供水系统的良好控制。基于此本文提出了一种新型控制策略——神经模糊PID控制算法，该算法可以综合以上各算法的优点，它不仅具有神经网络控制的自学习自组织能力，还具有模糊控制的鲁棒性强、适应性强的优点，另外还拥有PID控制的实现简单方便等优点，优于以往的算法。
如图显示了神经网络模糊PID控制器的结构框图，该控制器是由三部分组成：
①神经网络控制器：控制模糊规则的动态调整，通过神经网络的自学习，使模糊规则的生成转变为加权系数的确定和调节。根据供水系统的运行状态，调节PID控制器参数，使供水系统最终达到最优控制。
②模糊控制器：对系统的输入输出变量进行模糊化和归一化运算。这些运算的意义是鉴于模糊控制的强鲁棒性和非线性控制作用，对输入到神经网络的模糊规则进行预处理，避免了神经网络采用sigmoid激活函数时，由于输入过大而导致输出饱和。
③传统PID控制器：直接对供水系统的控制过程进行闭环控制，并且三个参数KP、KI、KD实行在线调节，使控制作用时刻跟踪系统的变化。
以上过程简要说来就是使输出层神经元的输出状态与PID控制器的KP、KI、KD参数相对应，这样可以通过神经网络的自学习能力实现加权系数调整，进而使其稳定状态与PID的最优控制相对应，最终利用PID控制器的输出u来实现对供水系统的水压的控制。
参考文献：
[1]刘萍丽.交流变频恒压供水控制器的设计.大连海事大学硕士学位论文.2005.
[2]谢静，韦力.新型恒压供水系统[J].应用能源技术，11，2010：42-45.
作者简介：
谢静（1968-），女，陕西省咸阳市人，讲师，硕士，研究方向：电工电子、控制工程理论及应用
赵瑞林（1976-），男，陕西省宝鸡人，讲师，硕士，主要从事控制理论及控制工程研究。
基金项目：陕西工业职业技术学院2011年院级科研课题，项目名称：基于神经模糊PID混合控制的变频调速恒压供水系统，项目编号：ZK11-09