【正文】 e 和偏差變化率△ e 對 PID參數(shù)自整定的要求，利用模糊控制規(guī)則在線對 PID 參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了增益調(diào)整型模糊 PID 控制器該類 控 制 器中輸出的物理量直接對應(yīng) 增益參數(shù)，通過應(yīng)用模糊規(guī)則實(shí)現(xiàn)對三個增益參數(shù)的調(diào)整。其有兩種形式 : ①基于性能監(jiān)督的增益調(diào)整型模糊 PID 控制器，如 : If (Perform Index is … ) then (△ Kp is … ) and △ Ki is … ) 有關(guān)性能指標(biāo) (Perform Index)可以是超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差或其它靜動態(tài)特性。由于這些性能指標(biāo)需要一個完整控制過程得到，因此該類控制器可以用于自整定或自適應(yīng)方式對增益進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。 ② 基于誤差驅(qū)動的模糊 PID 控制器， Zhao 等人應(yīng)用了如下的規(guī)則形式 : If(e is…) and (△ e is…) then (Kp is…) and (Ki is…) and (Kd is…) 該控制器的PID 增益參數(shù)將是誤差 e 和誤差變化△ e 的非線性函數(shù)。如非線性比例增益可以記為 :Kp= f(e, △ e)。以 He 等發(fā)展的模糊 PID 控制器應(yīng)用二維模糊推理機(jī)計算單因子參數(shù) a，各增益參數(shù)均表現(xiàn)為。 (e, △ e )的函數(shù)，從而達(dá)到了調(diào)整各參數(shù)的目的。 對于那些含有對被控過程在線辨識環(huán)節(jié)的 FuzzyPID 控制器，對具有不確定性的對象有較好的控制效果。通常用兩種方式實(shí)現(xiàn)對被控過程的在線辨識。一種是運(yùn)用模糊 規(guī)則控制的同時進(jìn)行在線辨識，另一種是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力和自學(xué)習(xí)能力，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成可代替被控對象的逆模型，然后再進(jìn)行控制。 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 3 (2) 直接控制量型 (Directaction)模糊 PID 控制器 如果模糊推理機(jī)的輸出是 PID 原理范圍內(nèi)的控制作用量，則該控制器屬于直接控制量型。 1987 年， 在模糊控制理論中首次嚴(yán)格地建立了模糊控制器與傳統(tǒng)控制器的分析解關(guān)系，其中特別重要的是證明了 Mamdani模糊 PI(或PD)型控制器是具有變增益的非線性 PID 控制器。這些工作為模糊控制理論與傳統(tǒng) PID 控制理論相結(jié) 合建立了橋梁。隨后這種模糊 PID 控制算法結(jié)構(gòu)研究的許多新成果不斷涌現(xiàn)。并給出了最為深刻的理論分析，證明了具有最簡單線性控制規(guī)則的二維模糊控制器其輸出可等同于一個非線性 PI 控制器，在線性對象和非線性對象上的仿真結(jié)果表明了模糊控制器同 PI 控制器的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別。并將此方法推廣到具有通常線性控制規(guī)則的二維模糊控制器，證明了其輸出可等同于一個全局多層次線性關(guān)系式和一個局域非線性 PI 控制器，將結(jié)構(gòu)分析方法推廣到具有線性規(guī)則的三維模糊控制器上，得出了三維模糊控制器的一般解析輸出表達(dá)式，證明了具有一般線性推理規(guī)則的三維模 糊控制器可等同于一個全局多層次關(guān)系式和一個局部非線性 PID 控制器。 (3) 混合型 (hybrid)模糊 PID 控制器 混合型模糊 PID 控制器可以有各種形式出現(xiàn) :如增益調(diào)整型與直接控制量型的結(jié)合，或傳統(tǒng)線性 PID 控制器與模糊控制器的結(jié)合。 類比傳統(tǒng)的 PD、 PI、 PID 控制，模糊控制器亦可分為 PD、 PI 和 PID 型。人們在 1974 年 Mamdani工作的基礎(chǔ)上，提出了二維模糊控制器結(jié)構(gòu)。這種模糊控制器主要可分為 2 類 :PI型的模糊控制器，由偏差 e和偏差的和∑ e作為輸入量 。PD型的模糊控制器，由偏差 e 和偏差的變化△ e 作為 輸入量。但二者都有不足， PI型控制由于有積分的作用，在高階系統(tǒng)中過渡過程較差 。PD 型控制因沒有積分的作用，難以消除穩(wěn)態(tài)誤差，為此在模糊控制器中引入積分作用。 雖然以偏差 e，偏差和∑ e,偏差變化△ e 以及偏差變化的變化△ e2 作為輸入構(gòu)成常規(guī)或增量式模糊 PID 控制器可以實(shí)現(xiàn) PID 的控制功能，但因增加了一個輸入量使得模糊控制器的設(shè)計和計算復(fù)雜，規(guī)則繁多，推理運(yùn)算時間變長。 傳統(tǒng) PID 控制器與模糊控制器的結(jié)合有兩種結(jié)構(gòu)形式 :串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。 串聯(lián)結(jié)構(gòu) :結(jié)構(gòu)原理如圖 11 所示。 PID 對象 FUZZY K r _ e e uf y 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 4 當(dāng)系統(tǒng)的偏差 e 大于 語言變量值零檔時，即在動態(tài)過程中， e 和 uf同時用做PID 控制器的輸入信號，即 e’(t)=e(t)+uf(t)，對 PID 控制器產(chǎn)生較強(qiáng)的控制信號，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較快；而當(dāng)偏差信號 e 小于語言變量值零檔時，模糊控制器通過開關(guān) K 斷開，這時 e’(t)=e(t) 只有偏差信號進(jìn)入 PID 控制器，由于此時系統(tǒng)的輸出和給定值己經(jīng)很接近，所以能很快地趨于給定值，消除穩(wěn)態(tài)誤差。這種結(jié)構(gòu)的模糊控制器產(chǎn)生階梯狀的非線性控制信號作用于 PID 控制器，依靠調(diào)節(jié) PID 輸入的突然變化來提高動態(tài)響應(yīng)速度，往往易造成 PID 作用的誤調(diào)節(jié)。 并聯(lián)結(jié)構(gòu) :結(jié)構(gòu)原理如圖 12 所示。 它是將模糊控制器和 PID 控制器并聯(lián)起來對系統(tǒng)進(jìn)行控制，即有模糊和 PID兩種模態(tài)。其中模糊控制器采用常規(guī)模糊控制器，輸入變量為偏差 e 和偏差變化△ e，輸出為 u,模糊控制規(guī)則采用 IFTHEN 形式，推理合成采用 MAXMIN 算法，反模糊化采用面積重心法。這種模糊控制器本質(zhì)上是一 PD 控制器，由于缺乏積分環(huán)節(jié)系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，為此在偏差 e 小于某一閩值 M 時，控制器切換至常規(guī)PID 控制器，從而使得這種雙?？刂破骶哂许憫?yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。 Visual C++ 中文 版的簡介 本文介紹了基于 Visual C++ 平臺的 VC 的模糊 PID 控制模塊設(shè)計。 而Visual C++ 是在多年使用過程中不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)上推出的，它在前一版的Visual C++ 的基礎(chǔ)上做了很大改進(jìn)，增添了許多新功能，其主要的功能特點(diǎn)可概括為以下幾個方面。 PID 對象 FUZZY r _ e y uf upid 圖 12 并聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)合控制 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 5 (1)編譯器改進(jìn)了對于 ANSI C++標(biāo)準(zhǔn)的支持。 Visual C++ 的編譯器不但可以支持 ANSI C++標(biāo)準(zhǔn)，還增添了對邏輯型數(shù)據(jù)的支持，并且對于模板的支持也得到了相當(dāng)?shù)母纳啤? (2) Developer Studio 編輯器得到了很大改進(jìn)。 Visual C++ 使用的編輯器Developer Studio 具有為用戶自動完成通用語句編輯的功能。使用 Developer Studio，不僅可以創(chuàng)建由 Visual C++ 使用的源文件和其他文檔，而且可以創(chuàng)建，查看和編輯與任何 ActiveX 部件有關(guān)的文檔。在 Developer Studio 中，可以在項目工作區(qū)中組織文件、項目和項目配置，可以使用工作區(qū)窗口來查看和訪問項目中的各種元素。 (3)最快的集成數(shù)據(jù)庫訪問： Visual C++ 允許用戶建立強(qiáng)有 力的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序 ,可以使用 Windows 平臺提供的 ODBC 類和高性能的 32 位 ODBC 驅(qū)動程序來訪問各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，也可以使用 DAO(數(shù)據(jù)訪問對象 )類通過編程語言來訪問和操縱數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并管理數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫對象與結(jié)構(gòu)?？梢?， Visual C++ 提供了最快的集成數(shù)據(jù)庫訪問。 (4)包含了對于 MFC 庫的新改進(jìn)。 Visual C++ 增加了用于 Inter 編程的類，并且支持在 Inter Explorer 和 Windows 98 環(huán)境下編程的新的通用控件。 (5)增強(qiáng)型的聯(lián)機(jī)幫助 。 Visual C++ 改進(jìn)了在線幫助系統(tǒng)，使得訪問Microsoft Developer Network 更加容易，只需單擊鼠標(biāo)即可。聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng)將自動使用安裝在計算機(jī)中最新的 MSDN 庫。 Visual C++ 包括三個不同規(guī)模的版本，分別為學(xué)習(xí)版（ Learning Edition）、專業(yè)版（ Professional Edition）和企業(yè)版（ Enterprise Edition）。 （ 1）學(xué)習(xí)版是 Visual C++ 的基礎(chǔ)版本，是針對初學(xué)者學(xué)習(xí)和使用的。學(xué)習(xí)版提供了一組標(biāo)準(zhǔn)工具，可以創(chuàng) 建功能完備的 Windows 應(yīng)用程序。 （ 2）專業(yè)版除了具有學(xué)習(xí)版的全部功能外，還包括生成分布式應(yīng)用程序必備的工具。所生成的分布式應(yīng)用程序適用于所有 32 位 PC 環(huán)境。 （ 3）企業(yè)版是 Visual C++ 的最完整版本，除了具有學(xué)習(xí)版和專業(yè)版的全部功能外，還包含了一些用于創(chuàng)建客戶 /服務(wù)器應(yīng)用程序所需的工具等。 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 6 2 模糊控制概述 簡介 在日益復(fù)雜的被控過程面前，由于不可能得到過程的精確數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的基于精確模型的控制系統(tǒng)設(shè)計理論 (包括古典控制理論及現(xiàn)代控制理論 )受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。智能控制通過在系統(tǒng)控制和 決策中引入人工智能，實(shí)現(xiàn)了對這些用傳統(tǒng)控制理論難以控制的過程的有效控制。智能控制理論覆蓋的范疇十分廣泛，其主要分支有模糊控制、學(xué)習(xí)控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 圖 21 所示的模糊控制系統(tǒng)和常見的負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)相似，唯一不同之處是控制裝置由模糊控制器來實(shí)現(xiàn)。 模糊控制器的設(shè)計 在模糊邏輯控制中主要使用 Mamdani模糊模型和 TakagiSugeno 模糊模型。 Mamdani模糊模型是一種語言模型，利用 Mamdani 模型構(gòu)成的模糊邏輯系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一組模糊 IFTHEN 規(guī)則，在這組規(guī)則中前件 變量和后件變量均為模糊語言變量，其一般形式如下 : Ri:if xi is Ai1 and? and xn is Ain, then y1 is Bi1 and ? ym is Aim 其中： xi、 x xn是規(guī)則前件語言變量； yi、 y yn 是規(guī)則后件語言變量，代表了作用于對象的控制量； Ai1? Ain ， Bi1 ? Bin是模糊語言變量 Ri 表示第 i條規(guī)則。 Mamdani模糊模型是由英國的 .Mamdani提出的，它是最早在實(shí)踐中得到應(yīng)用的一個模型，但本文用的是 TS 模擬模型。 TakagiSugeno 模糊模型是 1985 年由日本的 Takagi和 Sugeno 提出，后來由Sugen 和 Kang 進(jìn)一步完善。這種模型從某種意義上來說與 Mamdani模型有類似之處 :都是由 IFTHEN 規(guī)則構(gòu)成 。規(guī)則前件含有模糊語言值。然而 TakagiSugeno模糊模型 (簡稱 TS 模型 )的后件是一線性函數(shù)。 TS 模糊模型一般具有如下形式 : 圖 21 模糊控制系統(tǒng)圖 模糊控制器 控制對象 給定值 + _ 偏差 控制量 被控制量 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 7 Ri:if x is Ai,then yi=f(x) 其中： x為規(guī)則前件語言變量； yi 為第 i條規(guī) 則的輸出量； Ai 為模糊語言值； Ri 表示 TS 模糊模型的第 i條規(guī)則。 TS 模糊模型的后件為線性函數(shù)，這就為模糊控制理論與現(xiàn)有的線性系統(tǒng)理論相結(jié)合提供了可能，從而為利用線性系統(tǒng)理論來分析模糊控制系統(tǒng)的特性提供了途徑。近年來應(yīng)用 TS 模型進(jìn)行系統(tǒng)的辨識的比較多。 基于 TS 模型的模糊 PID 控制 設(shè)連續(xù) PID 調(diào)節(jié)器的輸出值 VM 表示為 y(t)，則： 其中 x(t)為偏差信號，等于設(shè)定值 Vs 與測量值 Vp 之差； P， Ti， Td 分別為比例度和積分、微分時間常數(shù)。 數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是斷續(xù)動作。它以采樣周期△ T 為間隔，對偏差信號 x（ t）采樣和作模 /數(shù)轉(zhuǎn)換后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律算出輸出值。可以將連續(xù) PID 表達(dá)式離散化，用差分方程表示，得出第 n次的輸出量 Yn 為： 式中， Xi 是偏差信號 x(t)的第 i次采樣值。 3 軟件設(shè)計 VC 工程文件的建立 運(yùn)行 VC++ 中文版，新建一個工程文件，如下設(shè)置： 1 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 8 界面設(shè)計 新建好的工程文件界面如下： 圖 31 VC 工程文件的建立 圖 32 VC 工程文件的建立 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 9 點(diǎn)擊控件欄，放置玩控件的界面如下： MSchart 控件的加載 MSchart 控件為 ActiveX 控件，控件欄中沒有所以要手工加載，加載前一定要確保 PC 中裝有完整的 Office 或 VB。 圖 33 界面設(shè)計 圖 34 界面設(shè)計 基于 VC的模糊 PID 控制模塊設(shè)計 10 加載 MScha