模糊PID控制仪及控制方法技术领域
本发明涉及自动化控制领域，具体说的是一种结合模糊算法以及PID算法
的模糊PID控制仪及控制方法。
背景技术
PID控制仪广泛应用于工业自动化控制领域，主要用于完成工业环境下对采
集的物理量信号如温度、压力、液位、流量等实现定点控制，代替传统的人工
经验值判断与调节生产工艺，解决人工经验值判断不准确，控制效果不理想等
问题。一般的PID控制仪主要包括：采集模块、ADC、MCU、显示模块、输出
控制模块，通过采集模块以及ADC完成对工业信号的采集和模数转换，通过
MCU内的程序算法完成PID数学运算，MCU再将运算结果通过输出控制模块
输出到工业现场各伺服机构完成控制输出。现有技术的PID控制仪虽然能够实
现定点控制，但针对控制精度要求高或复杂工况环境其控制效果不理想，易出
现超调、欠调等情况。
申请号为201410454977.0，名称为《一种模糊PID控制的胶囊溶胶罐控制
方法》的专利申请，公开了获取液位实时值后，与液位设定值比较计算液位偏
差e与偏差的导数值ec，将e和ec作为模糊PID控制器的输入，通过模糊化、
模糊推理、去模糊化获得PID参数的修正值。
上述方案的PID控制技术只运用了模糊算法来获取PID参数的修正值，这
种只运用模糊算法的调控方式虽然能够快速的使被控对象达到预期设定值，响
应速度快，但是其超调大、控制误差大、精度低；而现有的另一种PID控制技
术只运用PID算法来获取PID参数的修正值，虽然精度提高，误差较小，超调
较小，但是其响应速度缓慢，影响自动化控制的效率；进一步的，上述两种PID
控制方式都只适用于较为稳定的工况环境，对于一些参数多变，如由于经常开
关设备而导致温度、压力、液位等参数将不断变动的复杂工况环境，其操控效
率低，稳定周期长，控制效果不理想。
因此，有必要提供一种能够同时解决上述问题的模糊PID控制仪及控制方
法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种模糊PID控制仪及控制方法，不
仅响应速度快，不易超调、欠调，而且控制精度高，稳定周期短，能够更好适
用于复杂工况环境。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
模糊PID控制方法，包括：
获取实时采样值；依据实时采样值和设定值计算获取实际偏差EPC，依据
预设的比例增益P计算获取偏差范围EP；
实际偏差EPC在偏差范围EP外，则运用模糊控制算法修正预设的PID参
数，直至实际偏差EPC在偏差范围EP内；
实际偏差EPC在偏差范围EP内，则运用PID算法计算获取控制输出值。
本发明提供的另一个技术方案为：
模糊PID控制仪，包括：
获取模块，用于获取实时采样值；
第一计算模块，用于依据实时采样值和设定值计算获取实际偏差EPC；
第二计算模块，用于依据预设的比例增益P计算获取偏差范围EP；
模糊控制修正模块，用于实际偏差EPC在偏差范围EP外，则运用模糊控
制算法修正预设的PID参数，直至实际偏差EPC在偏差范围EP内；
PID控制输出模块，用于实际偏差EPC在偏差范围EP内，则运用PID算
法计算获取控制输出值。
本发明的有益效果在于：本发明将判断实际偏差EPC是否在偏差范围EP
内，若是，则直接采用PID算法获取所需的控制输出值；若不是，则采用模糊
控制算法动态的修正PID参数，进而递进地改变实时采样值和实际偏差EPC；
以动态修正的过程使实际偏差EPC落入偏差范围EP内之后，再结合PID算法
稳定输出控制输出值。本发明实现了模糊算法动态调控PID参数和实际偏差EPC，
显著提高响应速度；同时，又能通过PID算法降低快速响应导致的超调问题，
确保控制的精度；进一步的，由于融入了模糊控制算法，因此缩短了稳定周期，
能够更好的适用实时采样值多变的复杂工况环境，显著提高自动控制的效率以
及控制效果。
附图说明
图1为本发明模糊PID控制方法的流程示意图；
图2为本发明模糊PID控制方法实施例三的流程示意图；
图3为本发明模糊PID控制方法实施例四的流程示意图；
标号说明：
1、获取模块；2、第一计算模块；3、第二计算模块；
4、模糊控制修正模块；5、PID控制输出模块；6、预设模块；7、判断模块；
8、采样值处理模块；9、数据采集模块；10、按键显示模块；
11、MCU；12、ADC；13、控制输出模块；14、数据存储模块。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并
配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：若实际偏差在偏差范围外，则运用模糊控制算
法动态修正PID参数，控制实际偏差在偏差范围内，再结合PID算法输出控制
输出值；实现在快速响应自动控制的前提下，减少超调和稳定周期，同时保证
控制的精度。
本发明涉及的技术术语解释：
请参照图1和图2，本发明提供模糊PID控制方法，包括：
获取实时采样值；依据实时采样值和设定值计算获取实际偏差EPC，依据
预设的比例增益P计算获取偏差范围EP；
实际偏差EPC在偏差范围EP外，则运用模糊控制算法修正预设的PID参
数，直至实际偏差EPC在偏差范围EP内；
实际偏差EPC在偏差范围EP内，则运用PID算法计算获取控制输出值。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过动态调控过程的模糊控制
算法和稳定调控过程的PID算法相结合的方式，解决现有单一调控过程响应速
度快则易超调、控制误差大，响应速度慢则易欠调、稳定周期长，且都难以适
用实时采样值多变的复杂工况环境的问题；实现自动化定点控制，既加快被测
量上升的速度又同时减少被测量快速上升后产生的超调，解决了以往被测量上
升快但超调也比较大或者超调小但被测量上升速度慢的缺点；显著提高响应速
度的同时，又能确保控制效果达到最佳状态，具备较高的控制精度。
进一步的，所述计算获取偏实际偏差EPC和计算获取偏差范围EP之前，
进一步包括：
预设所述设定值，以及包括比例增益P、积分时间I和微分时间D的PID
参数。
进一步的，计算获取实际偏差EPC和计算获取偏差范围EP之后，进一步
包括：
判断实际偏差EPC是否落在偏差范围EP外，得到判断结果；
若判断结果为是，则执行所述运用模糊控制算法修正预设的PID参数，然
后返回继续所述判断步骤；
若判断结果为否，则执行所述运用PID算法计算获取控制输出值的步骤。
由上述描述可知，本发明实现了使用模糊控制算法动态控制实际偏差EPC
稳定在偏差范围内之后，再结合PID算法通过稳定的运算输出控制信号；通过
二者的结合实现了响应速度、控制精度以及控制效果三者的平衡。
进一步的，所述运用模糊控制算法修正预设的PID参数，直至实际偏差EPC
在偏差范围EP内具体为：
依据采样周期内最后一次采样的实际偏差EPC1、第一次采样的实际偏差
EPC0，以及平均的实际偏差EPC3计算获取实际偏差变化率EC。
依据实际偏差EPC、实际偏差变化率EC和预设的PID参数之间的模糊关
系，调整PID参数；
检测实际偏差EPC和偏差范围EP，直至实际偏差EPC在偏差范围EP内。
由上述描述可知，本发明依据PID参数的变化将影响实时采样值的变化，
而实时采样值的变化将影响实际偏差EPC变化的规律，通过模糊控制算法动态
地修正PID参数，实现对实际偏差EPC的控制，使之稳定在偏差范围EP内，
再运用稳定式的PID算式获取控制输出值。这样不仅实现了响应速度的提高，
同时又能确保控制的精度，缩减稳定周期，从而更好的适用于实时采样值多变
的复杂工况环境中，实现自动控制。
进一步的，所述获取实时采样值以后，进一步包括：
对实时采样值依次进行选通、滤波和运放处理，然后转换为实时采样值数
字信号；
对所述实时采样值数字信号按照一个采样周期内多次分时采样，获取平均
采样值，然后将所述平均采样值作为有效的实时采样值进行实际偏差EPC的计
算。
由上述描述可知，本发明对实时采样值进行了滤波、模数转换、分时采样
等处理后的采样值作为有效采样值进行后续的运算，确保实时采样值的精度读，
提高自动控制的精度。
本发明提供的另一个技术方案为：
模糊PID控制仪，包括：
获取模块1，用于获取实时采样值；
第一计算模块2，用于依据实时采样值和设定值计算获取实际偏差EPC；
第二计算模块3，用于依据预设的比例增益P计算获取偏差范围EP；
模糊控制修正模块4，用于实际偏差EPC在偏差范围EP外，则运用模糊控
制算法修正预设的PID参数，直至实际偏差EPC在偏差范围EP内；
PID控制输出模块5，用于实际偏差EPC在偏差范围EP内，则运用PID算
法计算获取控制输出值。
进一步的，还包括：
预设模块6，用于预设所述设定值，以及包括比例增益P、积分时间I和微
分时间D的PID参数。
进一步的，还包括：
判断模块7，用于判断实际偏差EPC是否落在偏差范围EP外，得到判断结
果；若判断结果为是，则触发模糊控制修正模块4；若判断结果为否，则触发
PID控制输出模块5。
进一步的，所述模糊控制修正模块4，包括：
获取单元，用于依据采样周期内最后一次采样的实际偏差EPC1、第一次采
样的实际偏差EPC0，以及平均的实际偏差EPC3计算获取实际偏差变化率EC；
调整单元，用于依据实际偏差EPC、实际偏差变化率EC和预设的PID参
数之间的模糊关系，调整PID参数；
检测单元，用于检测实际偏差EPC和偏差范围EP，直至实际偏差EPC在
偏差范围EP内。
进一步的，还包括：
采样值处理模块8，用于对实时采样值依次进行选通、滤波和运放处理，然
后转换为实时采样值数字信号；
分时采样模块，用于对所述实时采样值数字信号按照一个采样周期内多次
分时采样，获取平均采样值，然后将所述平均采样值作为有效的实时采样值进
行实际偏差EPC的计算。
实施例一
请参照图1，本实施例提供一种模糊PID控制方法，可以包括：
S1：预设设定值SV，以及包括比例增益P、积分时间I和微分时间D的PID
参数；
S2：通过传感器对工业现场被控设备的工业信号进行实时采集，获取实时
采样值；
S3：依据实时采样值和设定值SV计算获取实际偏差EPC，依据预设的比
例增益P计算获取偏差范围EP；
S4：判断实际偏差EPC是否落在偏差范围EP外；得到判断结果；
若判断结果为实际偏差EPC在偏差范围EP外，则执行S41；
若判断结果实际偏差EPC在偏差范围EP内，则执行S42；
S41：首先运用模糊控制算法修正预设的PID参数，直至实际偏差EPC在
偏差范围EP内；然后执行S42；
S42：调取自动控制系统中的MCU11模块内的运用PID算法，直接计算获
取控制输出值OUT。
具体的，S41可以包括：
S411：依据采样周期内最后一次获取的实时采样值、第一次获取的实时采
样值，以及周期内平均的实际偏差EPC计算获取实际偏差变化率EC；具体的，
通过对一个采集周期内，最后一次采样的实际偏差EPC1与第一次采样的实际偏
差EPC0的差值除于本采样周期内的实际偏差的平均值来获取实际偏差变化率
EC，所述采样周期由模糊PID控制仪的MCU11的晶振振荡频率决定。
S412：依据实际偏差EPC、实际偏差变化率EC和预设的PID参数之间的
模糊关系，动态调整PID参数；
S413：不断的检测实际偏差EPC和实际偏差变化率EC的值，通过首先确
定的模糊规则，利用模糊推理的方法，不断的修正PID参数，实现动态调整被
控设备的实时输出大小，从而改变实时采样值，进而实现对实际偏差EPC的控
制，直至实际偏差EPC落入在偏差范围EP内；最终通过继续执行S42，以稳定
的实际偏差EPC、PID参数、实际偏差变化率EC以及实时采样值计算获取控制
输出值信号，实现对设备参数的控制；如对温度、压力、液位或流量等被测值
的控制信号。具体的，不断修正PID参数的同时，被控设备的输出也在不断调
整，输出的大小调整，被控设备也就对应在改变，如阀门的开度在变大或变小，
液位也就相应的变大或变小，那么测量液位的传感器输出的信号也一次在变大
或变小，PID控制仪表接收到的液位传感器的信号，其实时采样值也就在动态的
变大或变小。
实施例二
本实施例为实施例一方案的延伸，相同内容不再复述，区别点在于，还包
括对S2中实时采集的实时采样值进行预处理的过程，具体包括：
S21：对实时采样值依次进行选通、滤波和运放处理，然后传导给数模转换
模块，将模拟的实时采样值转换为实时采样值数字信号，再传导给微型处理器
MCU11；
S22：微型处理器MCU11对所述实时采样值数字信号按照一个采样周期内
的多次分时采样，获取平均滤波后的采样值，将平均采样值作为有效的实时采
样值保存在数据存储器中，用于进行后续实际偏差EPC的计算。
所述S1中预设的参数是通过扫描操作者的按键输入，以中断的方式获取按
键输入的代码，然后传递给微型处理器MCU11；MCU11识别按键代码后完成
设置预设参数，同时存储在数据存储器中。优选的，还能调取MCU11内部的
显示程序，将预设参数以及采集的实时采样值等显示内容发送至按键显示屏中
进行显示，实现人机交互完成预设控制参数的设定以及显示参数功能。
所述S42获取控制输出值OUT后，将其经过输出模块传导至外部工业现场
被控设备，完成调节控制。
实施例三
请参阅图2，提供一种模糊PID控制仪，包括：
获取模块1，用于获取实时采样值；
采样值处理模块8，用于对实时采样值依次进行选通、滤波和运放处理，然
后转换为实时采样值数字信号；
分时采样模块，用于对所述实时采样值数字信号按照一个采样周期内多次
分时采样，获取平均采样值，然后将所述平均采样值作为有效的实时采样值进
行实际偏差EPC的计算。
预设模块6，用于预设所述设定值，以及包括比例增益P、积分时间I和微
分时间D的PID参数；
第一计算模块2，用于依据实时采样值和设定值计算获取实际偏差EPC；
第二计算模块3，用于依据预设的比例增益P计算获取偏差范围EP；
判断模块7，用于判断实际偏差EPC是否落在偏差范围EP外，得到判断结
果；若判断结果为是，则触发模糊控制修正模块4；若判断结果为否，则触发
PID控制输出模块5。
模糊控制修正模块4，用于实际偏差EPC在偏差范围EP外，则运用模糊控
制算法修正预设的PID参数，直至实际偏差EPC在偏差范围EP内；
所述模糊控制修正模块4，包括：
获取单元，用于依据采样周期内最后一次采样的实际偏差EPC1、第一次采
样的实际偏差EPC0，以及平均的实际偏差EPC3计算获取实际偏差变化率EC；
调整单元，用于依据实际偏差EPC、实际偏差变化率EC和预设的PID参
数之间的模糊关系，调整PID参数；
检测单元，用于检测实际偏差EPC和偏差范围EP，直至实际偏差EPC在
偏差范围EP内。
PID控制输出模块5，用于实际偏差EPC在偏差范围EP内，则运用PID算
法计算获取控制输出值。
实施例四
请参阅图3，本实施例提供一种模糊PID控制仪，包括按键显示处理模块、
数据采集模块9、控制输出模块13、MCU11、ADC12和数据存储模块14；数据
采集模块9与ADC12相连，ADC12与MCU11相连，按键显示处理模块、控制
输出模块13和数据存储模块14分别与MCU11相连；MCU11内部配置有程序
存储器，存储有PID算式及模糊控制算法。
工作原理为：工业现场传感器信号采集后经过数据采集模块9完成对信号
的选通、滤波、运放处理，传导给ADC12完成模拟/数字信号的转换，再将转换
后的数字信号传导给MCU11，MCU11按一个采样周期内的多次分时采样，取
平均滤波后的采样值作为有效采样值保存在数据存储器中，按键显示处理模块
负责扫描操作者的按键输入，以中断的方式将按键输入代码传递给MCU11，
MCU11识别按键代码，完成设置控制参数存于数据存储器中，并调取MCU11
内部的显示程序获得显示内容送按键显示模块10显示，实现人机交互完成控制
参数设定及送显功能，MCU11通过调取数据存储器内采集值与控制参数代入
PID算式及模糊控制算法进行计算得到控制输出值，并将控制输出值传导给控制
输出模块13，控制输出模块13将控制输出信号传导给外部工业现场被控设备完
成调节控制。
实施例五
本实施例为实施例四的模糊PID控制仪的安装工作过程。具体的，模糊PID
控制仪为盘装式仪表，通过在控制柜面板上开槽后，将模糊PID控制仪装入，
通过使用配套的卡扣从控制柜内将模糊PID控制仪固定于控制柜上，实现模糊
PID控制仪的安装作业，将传感器信号接入模糊PID控制仪，将模糊PID控制
仪的输出端接入执行机构，给模糊PID控制仪通电，模糊PID控制仪自检程序
依次执行：上电复位－事件初始化－参数初始化－启动ADC12转换－开启中断，
当操作人员进行了按键输入，模糊PID控制仪通过按键扫描程序进行按键解码，
随后在显示部分反馈对应的菜单或参数的变化给操作人员，实现人机交互操作；
由传感器输入给模糊PID控制仪的信号经ADC12转换开启后，送入MCU11运
算处理，MCU11负责将采集信号进行软件滤波，线性补偿操作，同时MCU11
不断的将采集值代入PID算式进行运算输出，输出的信号不断调节执行机构，
执行机构的不断调整又改变了工况，传感器的信号也同步的在变化，整个控制
形成闭环调节。
综上所述，本发明提供的模糊PID控制仪及控制方法，通过模糊动态控制
与PID算法相结合，不仅提高了自动化控制的响应速度，同时又能确保被测量
快速上升过程不出现超调或欠调的情况；进一步的，又缩短了自动控制过程的
稳定周期，能够更好的适用被测量多变的复杂工况环境，显著提高自动控制的
效率以及控制效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利
用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术
领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。