【正文】 是把對(duì)特定的被控對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列以 if(條件 )和 then(作用 )的形式表示的控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理得到控制作用集，作用于被控對(duì)象或過(guò)程?？刂破鞯妮斎?X 被模糊化為一關(guān)系 x，模糊輸出 Y 可應(yīng)用合成推理規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，對(duì)模糊輸出 Y 進(jìn)行模糊判決 (解模糊 )得到精確的數(shù)值輸出 y，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。 (2)模糊推理 根 據(jù)事先己定制好的一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊規(guī)則庫(kù)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理計(jì)算，從而根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)輸入的一系列條件進(jìn)行綜合評(píng)估，以得到一個(gè)定性的用語(yǔ)言表示的量，即模糊輸出量。 (4)知識(shí)庫(kù) 由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分組成。(2)模糊糊控制器不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，可以用于控制那些系統(tǒng)模型無(wú)法確定的系統(tǒng) 。故把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成 FuzzyPI(或 PID)復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。 (2)比例 模糊 PI控制 當(dāng)偏差 e大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過(guò)程；當(dāng)偏差 e減小到閉值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過(guò)程中的超調(diào)。 (3)模糊 積分混合控制 是將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。 自適應(yīng)模糊 PID控制基本特性 模糊控制引入了邏輯推理，有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，對(duì)非線性、大延遲等復(fù)雜系有良好的控制效果。自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程是模仿人的思維過(guò)推理實(shí)現(xiàn)的，由于人固有的特性，這一過(guò)程又一定是模糊的，如“如果當(dāng)前偏差很大而偏差變化的速度仍很慢，則加大調(diào)節(jié)作用，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度”，“如果前偏差已很 小而偏差變化的速度仍很大，則減小調(diào)節(jié)作用，以便減小系統(tǒng)超調(diào)”等為簡(jiǎn)化運(yùn)算，使問(wèn)題求解難度降低，以滿足實(shí)時(shí)性的要求，在不降低其它性能標(biāo)的前提下，本文將模糊推理器設(shè)計(jì)成二輸入三輸出的推理器，即輸入是偏差 e 和差變化率 ec，輸出是△ Kp，△ Ki，△ Kd，用來(lái)分別調(diào)節(jié) PK ， IK ， DK 的值。 模糊化 模糊 推理 常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器 被控 對(duì)象 d/dt 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 14 自適應(yīng)模糊 PID控制工作流程 自適應(yīng)模糊 PID 是在 PID 算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差 e 和誤差變化 ec，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè) PID 修正參數(shù)的模糊矩陣表 (在程序中執(zhí)行 )，在線查出修正參數(shù)后帶入下式計(jì)算 : d}ec,e{KdKdi}ec,e{KiKip}ec,e{KpKp39。其工作流程如圖所示。所以，電阻爐溫度模型的傳遞函數(shù)為 () 1sKeGS TS ???? ? （ ） 其中， K， T， ? 分別為對(duì)象模型的靜態(tài)增益、純滯后時(shí)間常數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)， s為復(fù)變量。 2)滯后時(shí)間 T 在過(guò)程控制中，很多被控對(duì)象在受到輸入變量的作用以后，其被控量并不立即發(fā)生改變，而是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才發(fā)生變化，這就是滯后現(xiàn)象，滯后時(shí)間下是描述這種現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。 給定輸入階躍信號(hào) 250℃，用熱電偶測(cè)量電阻爐的溫度，每分鐘采一次點(diǎn)。 模糊邏輯工具箱中模糊推理系統(tǒng)有五個(gè)過(guò)程：輸入變量的模糊化、模糊關(guān)系運(yùn)算、模糊合成運(yùn)算、不同規(guī)則結(jié)果的綜合、去模糊化 ]14[ 。同樣， or 操作的方法也有兩種，即最大法（ max）和概率法（ probor）。誤差 e的論域?yàn)?{30,30}。 (3)在 各輸入和輸出語(yǔ)言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集 ]15[ 。確定模糊控制規(guī)則的原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特征達(dá)到最佳。即有如下控制規(guī)則： 規(guī)則 1：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 PB，則控制 U為 PB； 規(guī)則 2：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 PS，則控制 U為 PB； 規(guī)則 3：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 ZE，則控制 U為 PB； 規(guī)則 4：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 NS，則控制 U為 PB； 當(dāng) 誤差 e為負(fù)小或零時(shí)，主要矛盾轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題了。這樣就可以得出剩余的 9 條規(guī)則。人們運(yùn)用模學(xué)的基本原理和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制則以及其有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì) PID 參數(shù)的最佳調(diào)整，構(gòu)成模糊自整 PID 控制 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 20 器。模糊控制器的輸入變量通常取誤差 E和誤差的變化 EC，構(gòu)成二維模糊 PD 控制器，輸出變量一般選擇控制量的增量。首先確定模糊子集個(gè)數(shù)，確定每個(gè)模糊子集的語(yǔ)言變量，然后為各語(yǔ)言變量選擇合適的隸屬度函數(shù)。 (4)模糊推理模糊判決。模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運(yùn)算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級(jí) E、 EC與 PID 控制量 PK ， IK ， DK 之間的確定關(guān)系。本文也設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器，以溫度的偏差 e 和偏差的變化 ec作為輸入量，其相應(yīng)的語(yǔ)言變量為 E 和 EC，輸出量為 PID 控制參數(shù) PK ， IK , DK ，其相應(yīng)的語(yǔ)言變量為 PK ， IK ， DK ，輸入輸出分別采用正態(tài)分布函數(shù)的隸屬度。的基本論域?yàn)?:{50,50}設(shè)其量化論域?yàn)?{3， 3}，則量化因子 Ke=3/50=。 DK 的基本論域?yàn)?{3， 3}，其量化論域?yàn)?{3， 3}，則量化因子 1 (3)確定隸屬度函數(shù) 根據(jù)溫度的控制的特性分別將輸入和輸出的三角形隸屬度函數(shù)曲線，進(jìn)行離散化處理，分別得到溫度偏差，偏差變化， PK ， IK ， DK 的各個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)表。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制規(guī)則更加方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。 將 E、 EC 和 Kp其劃分為 7個(gè)檔次，即 E、 EC、 PK ={3，一 2，一 1， 0， +1,+2，+3}。條件句的前提部分為輸入和狀態(tài)，而結(jié)論部分為控制變量。 ③根據(jù)對(duì)手工控制操作的系統(tǒng)觀察和測(cè)量生成控制規(guī)則 。 PK 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。若 IK 過(guò)小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 ②當(dāng)溫度偏差 |e|和偏差變化 |ec|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 25 的超調(diào)， PK 應(yīng)取得小些， IK 和 DK 取值要適當(dāng)，這時(shí) DK 的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大。 ④偏差變化量 |ec|的物理意義是表明溫度偏差變化的快慢速率， |ec|值越大， PK 的取值越小， IK 取值越大 ]22[ 。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 27 4 仿真研究與比較 PID 控制 以下就是 Simulink 中創(chuàng)建的用 PID 算法控制電電阻爐溫度的結(jié)構(gòu)圖： 圖 PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 在圖中的 PID 模塊中對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)不斷調(diào)整 PID 三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中 , PK =2， IK =， DK =，當(dāng)定值為 10 時(shí)得到的仿真結(jié)果如下： 圖 PID 控制響應(yīng)曲線 可見(jiàn)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間 ts=400s，超調(diào)量σ %約為 20%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。本章節(jié)經(jīng)過(guò)以上對(duì) PID控制、模糊控制和自適應(yīng) 模糊 PID 控制三種方案的仿真研究和分析，從下表中明顯看出： 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 30 表 三種控制方法的比較 調(diào)整時(shí)間 超調(diào)量 穩(wěn)態(tài)誤差 PID 控制 400s 20% 0 模糊控制 200s 3% 0 模糊 PID 控制 180s 0% 0 PID 控制響應(yīng)曲線超調(diào)量較大，純模糊控制有超調(diào)量但是較小，而自適應(yīng)模糊 PID控制方法可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零等非常理想的性能指標(biāo)?？刂埔?guī)則往往是由對(duì)被控過(guò)程十分熟悉的專門人員給出的，所以模糊控制在本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種專家控制。 今后將研究以下兩個(gè)方面的內(nèi)容： 基于模糊 PID 技術(shù)的控制系統(tǒng)是離線計(jì)算形成模糊控制表的，因而沒(méi)有在線模糊推理功能，同時(shí)系統(tǒng)沒(méi)有自學(xué)習(xí)能力，如果能夠和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力。段老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng) 、高尚的道德情操和寬以待人的優(yōu)秀品質(zhì)給我留下了非常深刻的印象。 Application, 20xx,20(2):293296. [14] 雷勇 . 單參數(shù) PID 模糊控制器的設(shè)計(jì) [J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 1998,610. [15] 李林靜 . 基于單片機(jī)的爐溫控制系統(tǒng) [J]. 通用機(jī)械， 20xx， 1:5052 [16] 李士勇 . 模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論 [M] .哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1996. [17] 蘇金明 . 實(shí)用指南 [M]. 北京 :電子工業(yè)出版社 , 20xx [18] 李芳 ,白曉虎 ,紀(jì)建偉 . 基于模糊控制的溫室控制系統(tǒng)的研究 [J].農(nóng)機(jī)化研 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 34 究， 20xx（ 1）： 8384. [19] 韓峻峰，李玉惠 . 模糊控制技術(shù) [M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社 ， 20xx [20] 李迎霞 ,杜尚豐 .中國(guó)溫室環(huán)境智能控制算法研究進(jìn)展 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，20xx， 20（ 2）： 267271. 。在學(xué)術(shù)上給了我莫大的啟迪和幫助，使我拓展了知識(shí)面，更使我在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題方面的能力都有了明顯的提高，這一切都將使我受益終生，在此向段老師表示我最誠(chéng)摯的敬意 ! 其次我要特別感謝我的老師們、同事們、師兄姐弟妹們和學(xué)生們給予的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝 ! 最后還要感謝在百忙之中抽出寶貴時(shí)間對(duì)本論文進(jìn)行評(píng)審的各位專家們，衷心感謝您們對(duì)這篇論文提出的寶貴意見(jiàn)。 模糊 PID 控制屬于智能控制的一部分，如果設(shè)計(jì)具有強(qiáng)適應(yīng)性和較高智能的控制系統(tǒng)則需要增加硬件和軟件功能。但它的缺點(diǎn)在于主觀性比較大，不能按給定的控制性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)比純 PID 控制、純模糊控制自適應(yīng)模糊 PID 控制方法，單純 PID 控制使得超調(diào)量比較大，單純模糊控制使超調(diào)量也比較大，只有自適應(yīng)模糊 PID 控制方法能夠保證超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都很小可以幾乎不計(jì)。 電阻爐模糊 PID 控制 使用模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)，如下圖所示 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 29 圖 自適應(yīng)模糊 PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 對(duì)應(yīng)的仿真曲線結(jié)果如下面各圖： 圖 自適應(yīng)模糊 PID 控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 由上面?zhèn)€圖看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時(shí)間 ts最大約為 180s，超調(diào)量σ %=0，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 KdKdKKiKiKKpKpKp0D0I0????????? 上式中 0Kp , 0Ki , 0Kd 是 PID 控制器的原始值，一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試由經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定。同時(shí)為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，一般是當(dāng) |ec|較小時(shí)， DK 可大些 。但 DK過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 ②積分作用系數(shù) IK 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 PID參數(shù)模糊自整定是找出 PID三個(gè)參 數(shù)與電阻爐溫度偏差和溫度偏差變化之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)溫度偏差和計(jì)算偏差的變化，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì) 3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同溫度設(shè)定和溫度偏差及偏差變化時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。模糊控制規(guī)則的生成大致有以下四種方法，即 ①根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過(guò)程控制知識(shí)生成模糊規(guī)則 。 同理，將 DK 和 IK 的在模糊論域上也