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案例頻道1.前言
基金會現場總線（FF）是專門針對過程控制領域設計的一類總線，已經被越來越廣泛的應用到工業中。利用其標準功能塊可以在用戶層很容易實現大多數的工業控制任務。但是對于一些未知或不準確的控制系統模型，顯然利用標準功能塊無法精確控制，模糊理論已被證明是一種解決此類模型的有效方法。而且PID控制是迄今為止應用最為廣泛的一種控制方法，在工業過程中大多采用PID控制，其優點是原理簡單，魯棒性好，通用性強。基于以上現狀，本文冗合模糊理論和功能塊技術，在FF中提出了一種實現自適應模糊PID控制算法的方法，擴大了FF的應用領域。
2.FF功能塊
基金會現場總線的功能塊應用進程規范對功能塊的定義為：帶有一個或多個輸入輸出參數的模塊，并允許設備制造商按照協議開發自己的功能塊。基金會現場總線體系結構中定義了1種資源塊、10種基本功能塊、19種先進功能塊以及7種標準的轉換塊。功能塊提供控制系統行為，它的輸入、輸出參數可以通過現場總線連接。各功能塊的執行均受精確調度。功能塊是參數、算法、事件三者的完整結合。由外部事件驅動功能塊的執行，通過算法把輸入參數轉化為輸出參數，實現應用系統的控制功能。功能塊根據設備的功能需要設置到現場總線設備內。
功能塊的內部結構如圖一[1]
圖 一 功能塊的內部結構
3.基于FF的自適應模糊PID功能塊
模糊控制是將操作者或專家的控制經驗和知識表示成語言變量描述的控制規則，然后用這些控制規則去控制系統。
目前，PID控制在工業上的應用非常廣泛，它的優點吸引著很多的學者，將其與模糊控制相結合可形成自適應模糊PID控制，自適應模糊PID控制就是在PID算法的基礎上，通過計算當前系統的誤差e和誤差的變化率ec，利用工程人員的技術知識和實際操作經驗建立知識庫（模糊規則），通過模糊推理來進行參數調整的[2]。基金會現場總線的功能塊應用進程規范使先進控制在設備級的實現成為可能，自適應模糊PID控制器可以在FF中作為控制功能塊被應用。FF已經定義了標準的PID功能塊，我們可以在此基礎上增加必要的參數構成自適應模糊PID功能塊。
3.1自適應模糊PID控制器結構
圖二給出了自適應模糊PID控制器的結構圖，自適應模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的要求，利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改，從而構成了自適應模糊PID控制器。從外部看來他與傳統的PID相似，不同之處就是PID控制器參數Kp,Ki,Kd，通過計算誤差e和誤差率ec，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行整定了[3]。
圖 二 自適應模糊PID控制器結構
3.2模糊推理系統輸入輸出變量的隸屬度函數
在現場總線設備中，功能塊需要快速反應完成實時控制任務，因此在模糊推理系統中，輸入輸出變量的隸屬度函數我們都選用分段線性函數，因為它的控制要求易于滿足，并且可以快速計算。下圖三給出了模糊推理系統的輸入輸出變量的隸屬度函數，工程人員通過調整論域元素來啟用輸入輸出變量[4]。
3.3模糊推理系統的參數整定規則
當誤差E和誤差率EC變化時，Kp,Ki,Kd的自我整定規則如下[4]：
（1）當誤差E較大時，Kp要足夠大才能使系統快速響應。為了減小微分飽和，Kd要調小。同時，為了避免由于因積分飽和而引起的系統超調，Ki要減小到零。
（2）當誤差E和誤差率EC都不是很大時，為了減小系統超調，Kp要小，Ki也要仔細選取。在這種情況下，Kd對系統的響應速度起了很大的作用，要保持適當的值。
（3）為了得到好的靜態系統性能，當誤差E較小時，輸出值接近設定值，Kp、Ki的值要增加。同時，為了避免輸出在設定值附近上下搖擺，Kd要仔細確定。一般情況下，誤差E小時，Kd要大。相反，E大時，Kd要小。
根據以上的整定準則，得到模糊參數調整狀態表如下：
|
EC /Kd |
B |
M |
S |
Z |
|
B |
M/Z/S |
S/S/M |
M/M/Z |
M/B/Z |
|
M |
B/Z/M |
M/S/M |
B/B/S |
B/B/Z |
|
S |
B/Z/B |
M/Z/B |
B/B/S |
B/B/S |
|
Z |
B/Z/B |
M/Z/B |
B/B/S |
Z/B/Z |
表一 模糊參數狀態調節表
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