【正文】 的數(shù)目，模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。由于MATLAB提供強大的矩陣處理和繪圖功能，很多控制界的知名學者在自己擅長的領(lǐng)域編寫了特殊的MATLAB工具箱。MATLAB中的模糊邏輯工具箱支持兩種模糊模型的建立，一種是Mamdani型，另一種是Sugeno型。(2) 發(fā)展時問長，被設(shè)計者廣為接受。用戶可以利用這些模塊搭建起自己的系統(tǒng)并進行仿真，通過更改這些模塊的參數(shù)提高系統(tǒng)的性能，最終得到合乎自己設(shè)計要求的系統(tǒng)。雖然仿真環(huán)境不可能與實際情況完全相同，但它的結(jié)果還是有相當?shù)闹笇?dǎo)意義的。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象各種各樣。所以，電烤箱模型的傳遞函數(shù)為： （）式中 K 為對象的靜態(tài)增益，T 為對象的時間常數(shù)，τ 為對象的純滯后時間目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測量過程對象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。圖 電烤箱飛升曲線CohnCoon 公式如下： △M系統(tǒng)階躍輸入；△C系統(tǒng)的輸出響應(yīng)對象飛升曲線為 △C時的時間（分）對象飛升曲線為 △C時的時間（分）從而求得 K=, T=144s, τ=30s所以電烤箱模型為[[] 王春霞. 模糊自整定PID溫控系統(tǒng)的仿真研究及設(shè)計[D]:[碩士學位論文]. 遼寧:東北師范大學,2005]： () 仿真和方案選擇電烤箱的工作范圍為20℃200℃，控制要求要達到系統(tǒng)響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時間短、無超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差較小。通過不斷調(diào)整PID三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中=3，=，=0當給定值為 100 和 150 時。比較常用的有 Mamdani 型。可見，e, ec 和 u 的模糊子集均為｛NB,NS,0,PS,PB｝，它們模糊子集的論域都為｛3,2,1,0,1,2,3｝，各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線都為三角形。然后，使用模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)。另外經(jīng)過模糊控制算法后的輸出控制量，變化范圍為﹛m, m+1, …,0, …,m1,m﹜不能直接作用于被控對象，還必須將其轉(zhuǎn)換到為控制量所能接受的基本論域[yu, yu]中去?？梢娦阅苤笜藶椋赫{(diào)節(jié)時間ts =200s，超調(diào)量σ%幾乎為零，可穩(wěn)態(tài)誤差很大，約為 10℃。首先設(shè)計模糊控制器。各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線都為三角形。然后，使用該模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)。小 結(jié)經(jīng)過以上的對PID控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制三種控制方案的仿真研究和分析，明顯看出，PID控制響應(yīng)曲線超調(diào)量較大，純模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差大，而參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略可實現(xiàn)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零以及強的抗干擾能力等非常理想的性能指標。由于模糊控制是在固定論域上進行均勻分檔，當系統(tǒng)愈接近穩(wěn)態(tài)，控制策略愈不細膩。(2) 要有扎實的控制理論知識，對微控制器應(yīng)用系統(tǒng)要熟悉，要有一定的計算機技術(shù)，具有一定的軟、硬件開發(fā)理論與技術(shù)，沒有理論作基礎(chǔ)，很難完成高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)計。(2) 由于目前模糊控制器的設(shè)計基本上是根據(jù)專家和具有豐富經(jīng)驗的操作人員的經(jīng)驗和大量的計算機模擬實驗，具有一定的“暗箱效應(yīng)”，控制規(guī)則不能自動生成與優(yōu)化，需進一步研究自學習模糊控制策略。(2) 傳統(tǒng)控制理論、現(xiàn)代控制理論與智能控制技術(shù)(模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等)相融合集成的研究，從功能上組成互補系統(tǒng)和利用一種智能技術(shù)來改進另一種智能技術(shù)的研究，將是今后控制理論研究的一個重要發(fā)展方向。具體設(shè)計了以 AT89C52 單片機為核心，K型熱電偶為溫度傳感器， MAX6675芯片 ICL7135 為溫度轉(zhuǎn)換元件,由雙向晶閘管和SSR構(gòu)成溫度反饋信息給單片機，并由按鍵、 LED 數(shù)碼顯示器及報警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)，并進行了相應(yīng)軟件程序流程結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文的這一設(shè)計思想也為以后繼續(xù)完善奠定了基礎(chǔ)，提供了思路，可進一步研制成實驗設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)過程中的控制儀表。最后還要感謝在百忙之中抽出寶貴時間對本論文進行評審的各位專家們，衷心感謝您們對這篇論文提出的寶貴意見。還要特別感謝我的父母，感謝他們多年來對我的養(yǎng)育之恩，感謝他們始終如一地尊重并支持我的選擇。雖然仿真環(huán)境不可能與實際情況完全相同，但它的結(jié)果還是有相當指導(dǎo)意義的。結(jié)果表明： PID 控制響應(yīng)曲線超調(diào)量較大，模糊控制的響應(yīng)特性穩(wěn)態(tài)誤差大；而采用本文設(shè)計的用模糊規(guī)則調(diào)節(jié)、兩個參數(shù)的參數(shù)模糊自整定 PID 控制方法，可得到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零的極為理想的性能指標。智能控制理論與應(yīng)用仍然有許多需要完善的部分，將多種控制策略相互結(jié)合是今后計算機控制系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究的重要方向。 存在的問題及未來的方向1．下一步的工作本論文將智能模糊控制方法引入電烤箱的控制中，在模擬仿真中得到滿意的效果。3．模糊PID控制算法針對單一控制的不足，結(jié)合PID控制的穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)慢與模糊控制動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度低的特點，采用模糊PID控制算法，以實現(xiàn)優(yōu)劣互補，以滿足電烤箱的設(shè)計要求。PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計和仿真 第五章 總結(jié)與展望第五章 總結(jié)與展望 主要工作內(nèi)容論文主要著眼于控制理論的研究，具體討論了以下幾個問題：1．PID控制算法對PID控制算法進行了仿真，著重分析了其存在的兩個主要問題：參數(shù)整定困難，動態(tài)響應(yīng)慢。由上面各圖看出性能指標：調(diào)節(jié)時間最大約為 200s，超調(diào)量σ%=0，穩(wěn)態(tài)誤差=0。同樣控制規(guī)則是在Rule Editor窗口輸入的，這里的形式為if e～and ec～，then ～，～（～表示各變量所分成的模糊值）。 采用參數(shù)模糊自整定PID控制的模糊控制器 圖 輸入變量 e 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸入變量 ec 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 Mamdani 型模糊控制器的各個變量的隸屬函數(shù)圖。所以，考慮把它們兩者相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。上圖中的三個增益模塊Gain分別給出量化因子、比例因子。這里e的量化因子= n/xe。在模糊邏輯工具箱中,控制規(guī)則是在 Rule Editor 窗口輸入的，以 ifthen 的形式表達,這里為 if e～and ec～then u～，（～表示各變量所分成的模糊值）共 25 條規(guī)則?？梢娔：刂破鞯妮斎胱兞繛閑和ec，輸出為控制變量u。2. 模糊控制模糊控制有快速、魯棒性好的特點。1. PID 控制 Simulink 中創(chuàng)建的用PID算法控制電烤箱溫度的結(jié)構(gòu)圖。給定輸入階躍信號250℃，用溫度計測量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點。然而，對于二階振蕩系統(tǒng)，通過參數(shù)辨識可以降為一階模型。 控制對象模型本設(shè)計的電烤箱其工作頻率為 50HZ，總功率為 600W，工作范圍為室溫20℃200℃。 仿真和優(yōu)選仿真過程是在 MATLAB 的 simulink 環(huán)境中完成的。Simulink是MATLAB的建模和仿真環(huán)境。本文用的是Mamdani型。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。它的優(yōu)勢在于它可以利用MATLAB軟件本身豐富的資源，來構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的模糊系統(tǒng)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊系統(tǒng)，遺傳算法模糊系統(tǒng)，模糊PID系統(tǒng)等等，并對這樣的系統(tǒng)進行仿真、分析[[] 昊曉莉, 林哲輝. MATLAB輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計[M]. 西安：西安電子科技大學出版社, 2002．][[] Miha Mraz. The design of intelligent control of a kitchen refrigerator[J]. Mathematics and Computer in Simulation, 200l, 56：259267．]。38PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計和仿真 第四章 仿真研究第四章 仿真研究為了進行模糊系統(tǒng)的仿真設(shè)計，國內(nèi)外的學者都開發(fā)了一些工具。它適用于控制不易取得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或經(jīng)常變化的對象。其實現(xiàn)思想是先找出PID各個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，在根據(jù)模糊控制原理來對各個參數(shù)進行在線修改，以滿足在不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能，且計算量小，易于用單片機實現(xiàn)。但是模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。二者的轉(zhuǎn)換閾值由微機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。由此可見，模糊控制器實質(zhì)上是反映輸入語言變量與輸出語言變量及語言控制規(guī)則的模糊定量關(guān)系算法結(jié)構(gòu)，一般常用的是二維模糊控制器，即以偏差和偏差變化率作為輸入，工作過程可概括為下述幾個步驟：(1) 將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?2) 根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量（模糊量）；(3) 上述得到的控制量（模糊量）清晰化計算得到精確的控制量。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。(4) 采用模糊控制，過程的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID 控制，并對過程參數(shù)的變化具有較強的適應(yīng)性[[] 李士勇. 模糊控制在這段時間中模糊控制已經(jīng)歷了二個階段，即簡單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。 模糊控制的概述1965年，美國加里福尼亞大學 Zadeh 教授發(fā)表了《模糊集合論》一文，標志著模糊數(shù)學的誕生。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使 PID 算法離散化，將描述連續(xù)時間 PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時間 PID 算法的差分方程，即為數(shù)字PID 位置型控制算式，如下式（）： （）式中：為k采樣周期時的輸出為k采樣周期時的偏差為采樣周期 即有 （）其中、分別為比例、積分、微分系數(shù)。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制器是通過計算機PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。(3)微分部分微分部分數(shù)學表達式為： （）微分控制得出偏差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。當較大時，則積分作用較弱，這時，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。(2)積分部分積分部分數(shù)學表達式為： （）從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量以消除偏差。它是最廣泛應(yīng)用的一種控制器。PID控制是迄今為止最通用的控制方法。而鍵盤輸入接口也采用掃描方式來進行按鍵處理，同時采用555報警器蜂鳴報警。因此前向通道必須高精確度。(5) 恢復(fù)過程：當暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，定時電容C將通過飽和導(dǎo)通的晶體三極管TD放電，時間常數(shù)為τ2=RCES?C，（RCES是TD的飽和導(dǎo)通電阻，很?。?jīng)3~5τ2后，C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束。因為=，由高電平跳變到低電平時，比較器C2的輸出跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器立刻被置成1狀態(tài)，即暫穩(wěn)態(tài)。 4位LED動態(tài)顯示接