【正文】 模糊決策，將模糊決策去模糊化，就得到實際控制所需的定量控制輸出或控制參數(shù)了。 自適應 PID控制通過在線辨識被控過程參數(shù)來實時整定控制參數(shù)，其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復雜系統(tǒng)是非常困難的。模糊控制不需要精確的數(shù)學模型，因而是解決不確定性 系統(tǒng)控制的一種有效途徑。在穩(wěn)定性理論方面，沒有創(chuàng)新，仍然套用以往 的知識，對于多輸入多輸出這樣的復雜系統(tǒng)還不能很好的解決其穩(wěn)定性問題。 （ 4）模糊控制器和被控對象的匹配技術(shù)。 （ 2）模糊信息和精確信息進行轉(zhuǎn)換的物理結(jié)構(gòu)和方法。 2）基于模糊 單片機或者集成電路芯片的模糊控制器。 (4)模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面，即有待解決模糊控制中關(guān)于穩(wěn)定性和魯棒性問題。所以需要建立一套系統(tǒng)的模糊控制理論，以解決模糊控制的機理、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)化設(shè)計方法等一系列問題。假設(shè)模糊系統(tǒng)的輸入為 ii Uu? （ 1,2...,in? ） ，輸出為 ii Yy? （ i = 1,2,..., m） ，如圖 所示。 圖 模糊控制系統(tǒng)示意圖 如下圖 ,模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)包括 知識庫 （即語言值、語言變量進 行知識表征） 、 模糊推理 （構(gòu)建模糊規(guī)則進行近似推理） 、輸入量模糊化、 解模糊（ 輸出量 數(shù)字 化 ） 四部分。因此，首先要對 e和 ec進行模糊化處理，變成模糊集 A和 B， A對應偏差量 e， B是偏差量變化率 ec的模糊集。因此一般取三維以下，應用最為廣泛的是二維模糊控制器。 模糊控制器 按照模糊控制器的輸入變量的個數(shù)，可分為一維、二維和三維模糊控制器，如圖 。 (2)輸入 /輸出接口裝置 包括 A/D、 D/A及電平轉(zhuǎn)換線路。應用領(lǐng)域包括圖像識別、自動機理論、語言研究、控制論以及信號處理等方面。此后模糊控制在很多領(lǐng)域中得到了應用，日立公司將仙臺市的地鐵改為模糊控制，富士電機公司開發(fā)了凈水工廠藥劑量的模糊控制系統(tǒng)，立石電機公司向市場投放了最早的模糊控制器硬件，松下電器推出了全自動模糊洗衣機、電飯鍋等 家電產(chǎn)品。此后幾年，模糊控制開始了初步的應用， 1977年，丹麥學者J． J． Ostergrad利用模糊控制器對兩輸入兩輸出的熱變換過程進行控制，英國的 C． P． Pappis和 Mamdani將模糊控制方法應用于十字路 El的交通管理，都取得了很好的控制效果。 1972年， Zadeh在論文“ A Retionnale for Fuzzy Control”中提出了模糊控制的概念，為模糊控制論奠定了基礎(chǔ)。由于這種特性使得人們無法用現(xiàn)有的定量控制理論對這些信息進行處理，需探索出新的控制理論與方法，于是模糊控制的誕生成為人們解決問題的新途徑。針對難以建立數(shù)學模型的復雜被控對象，采用傳統(tǒng)或基于現(xiàn)代控制理論的現(xiàn)代控制方法，往往不如一個有實踐經(jīng)驗的操作人員所進行的手動控制效果好。但是，它們都有一個基本的要求：即需要建立被控對象的精確數(shù)學模 型。大林算法以及 SMITH 預估補償控制算法也仍被廣泛的應用。根據(jù) 上一章節(jié)推導出的三容水箱液位控制系統(tǒng)模型，用 MATLAB 進行仿真。由圖 可知，對于 PID 控制器，在階躍信號作用下，首先是比例、 微分部分起作用，使其控制作用加強，然后再進行積分直到最后消除靜差為止。微分調(diào)節(jié)反映的是誤差的變化率，當誤差沒有變化時，微分作用輸出即為零。 3）微分單元（ D）。積分作用的大小取決于積分時間常數(shù)， T的值越小積分作用越厲害。雖然通過加大比例系數(shù)，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差的變化，但是過大的比例作用，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，更嚴重的會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，根據(jù)遞推規(guī)律得： )]}2()1([)()1({)1( 10 ???????? ??? kekeTTteTTkeKku dkiip （ ） 于是得到增量法計算公式： )]2()1(2)([])1()([)]1()([)1()()( 0 ??????????????? ?? kekekeTTteteTTkekeKkukuku dktip （ ） 式 PID控制算法，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定了 KP、 KI和 KD，只要使用前后三次測量值的誤差，即可由式 。 圖 是位置式 PID控制系統(tǒng)示意圖。應用在計算機控制的 PID 控制器，稱之為數(shù)字 PID 控制器，常見的有位置式 PID 控制算法和增量式 PID控制算法。 PID控制器可分為模擬 PID和數(shù)字 PID。二十世紀七十年代以來，隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展和應用普及，由計算機實現(xiàn)的數(shù)字 PID 控制不僅簡單地將PID控制規(guī)律數(shù)字化，而且可以進一步利用計算機的邏輯判斷功能，開發(fā)出多種不同形式的 PID 控制算法，使得 PID 控制的功能和實用性更強，更能滿足工業(yè)過程提出的各種各樣的控制要求。39。339。 通常在特性曲線工作點 a 附近不大的范圍內(nèi)，用切于 a 點的一段切線代替原曲線上的一段曲線，進行線性化處理。321 3 2 8 3 2 8 )()(hRhR RRRhR RRRRRRhRRRhhRhhRRRhhRhhRQsssssssssssssssssssssi??????????????????? ???? （ ） 通過以上公式的推導最后得出三容水箱輸入量 iQ 和下水箱液位 3h 的三階微分方程。39。321339。3213339。39。39。39。39。3239。39。例如下水箱的流出量為 4Q ，流入量為 3Q ，如果閥門 F111的開度太大同時 F19和 F110開度太小，勢必流出量 4Q 要遠遠超過流入量 3Q ，這樣一來很難達到自平衡狀態(tài)。 .8. 圖 三容水箱實驗 結(jié)構(gòu)圖 被控對象數(shù)學模型的建立通常用下列兩種方法：一種是分析法，即根據(jù)過程的機理，物料或能量平衡關(guān)系求得其數(shù)學模型；另一種是用實驗的方法確定。 (5)可以在控制過程中隨時改變泄水閥門的狀態(tài)，從而模擬故障的發(fā)生，這也為故障診斷的研究提供了研究對象 和試驗平臺。 系統(tǒng)特點 三容水箱系統(tǒng)是有較強代表性和工業(yè)背景的對象，具有非常重要的研究意義 和價值，主要是因為它具有如下特點： .7. (1)通過改變各個閥門的關(guān)閉或打開狀態(tài)可構(gòu)成靈活多變 的對象，如一階對象、二階對象或雙入多出系統(tǒng)對象等。比例電磁閥負責向?qū)嶒炁_的玻璃容器注水，通過控制比例閥的輸入電壓可改變其出口流量，進而達到控制容器內(nèi)液位高度的目的；溢流閥起到保證整個系統(tǒng)壓力恒定作用。 研究意義及目的 從工程應用角度講，三容水箱實驗系統(tǒng)具有很強的代表性和工業(yè)背景，通過各閥門的開關(guān)可組成不同階次的系統(tǒng)對象及簡單和復雜的控制回路，模擬故障的隨機發(fā)生等，這些實驗對象的存在為系統(tǒng)辨識、控制理論及故障診斷等的研究提供了典型的被控對象，尤其是為智能控制理論的研究提供較好的驗證平臺，它的設(shè)計研制可及時解決無法為理論研究提供實際背景支持的難題。不僅如此，還將三容水箱建模以及控制方法推廣到現(xiàn)實的教學實驗中，并取得了很好的效果。神經(jīng)網(wǎng)絡控制和模糊控制分別單獨在三容水箱液位系統(tǒng)中的應用較多，控制效果也比較明顯。 智能控 制是針對被控系統(tǒng)及其控制環(huán)境和任務不確定性而提出的，智能控制過程是含有復雜性、不確定性、模糊性且一般不存在已知算法的非傳統(tǒng)數(shù)學公式化的過程，因此智能控制系統(tǒng)應當對環(huán)境和任務的變化具有快速應變能力，應能完成各種復雜多變的任務。對于簡單的 單容、雙容 液位控制系統(tǒng)，通常選用常規(guī)的控制算法如單回路 PID控 制、串級 PID控制、前饋控制、 SMITH預估補償控制、大林算法、解耦控制等等。用戶通過此裝置既可以進行經(jīng)典 PID控制器設(shè) 計 和調(diào)試，又可以 通過模糊邏輯控制器的設(shè)計和調(diào)試進行智能控制教學實驗與研究。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1） 控制對象方面。常規(guī) PID控制由于采用固定的參數(shù)，難以保證系統(tǒng)適應控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化，液位始終有較大波動，得不到理想效果。通過三容水箱對象的參數(shù)調(diào)試和引入部分干擾等形式的設(shè)計，可以構(gòu)造出具有大滯后和參數(shù)可變等不同狀態(tài)下的被控對象模型；并且可以在不同的反應時段任意加入不同類型的干擾來進行不同算法的控制特性研究。 三容水箱液位控制系統(tǒng)作為一種物理模擬對象，模擬了工業(yè)現(xiàn)場多種復雜的控制系統(tǒng)。不僅如此，往往越高深越先進的控制理論，對它的研究卻僅局限于極少數(shù)的科研院所，脫離了工業(yè)生產(chǎn)這個應用基地。如今工業(yè)自動化越來越 普及，如何確保在提高經(jīng)濟效益和社會效益的基礎(chǔ)上，既達到預期的經(jīng)濟技術(shù)指標，又能改善勞動條件、保護生態(tài)環(huán)境，這將是過程控制技術(shù)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。連續(xù)過程工業(yè)的發(fā)展對于我國國民經(jīng)濟意義重大。但是受到各種因素的影響，目前控制技術(shù)和學術(shù)研究成果很難與實際的工業(yè)生產(chǎn)應用技術(shù)相同步，有的甚至相差幾十年。因此，能否找到一種具有典型對象特性的實驗裝置至關(guān)重要。借 助該裝置不僅可以實現(xiàn)簡單的參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、比值控制，還可以實現(xiàn)復雜的滯后控制、解耦控制等。這幾個特點都嚴重影響 PID控制的效果。采用參數(shù)自整定模糊 PID控制系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力強，在隨機的環(huán)境中可以在線調(diào)整 PID控制的參數(shù)，在被控對象存在擾動情況下控制系統(tǒng)仍然保持良好的性能。 GWT實驗裝置是由固高科技有限公司協(xié)同香港城市大學聯(lián)合研制開發(fā)而成，經(jīng)過香港城市大學三年的實踐檢驗，充分的證實了其潛在 的教學、實驗和研究價值。 2）控制算法方面。 預測控制主要代表為動態(tài)矩陣控制、模型算法控制和廣義預測控制，預測控制算法涉及的參數(shù)較多，如預測長度、控制時域長度、加權(quán)陣等，關(guān)于算法中的主要參數(shù)與閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動靜態(tài)特性和魯棒性之間的定量解析表達式還難以得到，尤其是多變量系統(tǒng)的魯棒性的分析和綜合方面的研究還不夠成熟。神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù) 不像專家系統(tǒng)那樣需要事先建立知識庫，知識的獲取只需足夠的訓練樣本，能夠模擬現(xiàn)實系統(tǒng)復雜的輸入輸出關(guān)系，具有很強的非線性建模能力，由于它具有適應能力和學習能力，因此很適合用作智能 控制的研究工具。華中科技大學的侯燕在三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究這篇學位論文中以三 容水箱液位控制系統(tǒng)為被控對象，研究了模糊控制算法，并通過仿真驗證了其可靠性。合肥工業(yè)大學盧娟提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論與 PID相結(jié)合的算法，充分 .5. 利用神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習、精度高的優(yōu)點，提高了三容水箱液 位控制的魯棒性。 .6. 第二章 液位控制系統(tǒng) 系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu) 三容水箱實驗系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖 ，其組成的各個部分簡單介紹如下： 圖 三容水箱實驗系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖 (1)控制器，由計算機軟件實現(xiàn)，主要實現(xiàn)各種控制算法，如增量式PID控制算法、模糊 PID控制算法等； (2)執(zhí)行機構(gòu)，包括水泵、比例電磁流量閥及其控制器、溢流閥等。 (5)A／ D、 D／ A接口，通過數(shù)據(jù)采集卡的 A／ D轉(zhuǎn)換功能將把傳感器采集的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成計算機可識別的數(shù)字信號，同時通過此數(shù)據(jù)采集卡的 D／ A轉(zhuǎn)換功能，將設(shè)定的數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的模擬電壓信號傳送給比例電磁閥，從而調(diào)節(jié)進水流量，執(zhí)行各種控制算法。 (4)由于對三容水箱系統(tǒng)的控制主要通過計算機來完成，所以，可由計算 機編程實現(xiàn)各種控制算法來對水箱系統(tǒng)進行控制，為控制算法的研究提供了良好的試驗平臺。 有自平衡能力的三容水箱液位控制系統(tǒng)的實驗結(jié)構(gòu)圖如圖 ：上水箱的入水量 iQ 由電動調(diào)節(jié)閥控制：上、中、下三個水箱的出水量 1Q 、2Q 、 3Q 通過改變負載閥的開度來改變；系統(tǒng)的被控制量是下水箱液位高度 3h 。為了讓三容水箱能滿足自平衡能力，三只水箱的放水閥間的開度必須滿足如下關(guān) 系：