【正文】 大類：基于專家系統(tǒng)的智能控制、分層遞階智能控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。目前，它已經(jīng)稱為智能控制領(lǐng)域的一個重要分支。 海 南 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計） 題 目 ： 模糊控制器算法設(shè)計與仿真 學(xué) 號： 20220714059 姓 名： 蘇 新 慧 年 級： 2022級 學(xué) 院： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 系 別： 電子信息工程系 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 沈 荻 帆 老師 完成日期： 2022年 4 月 30 日 2 摘 要 目前的大部分控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法都是 被控對象的數(shù)學(xué)模型是已知的，或者通過實驗等辨識方法能夠獲取的， 但是現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，有些復(fù)雜的系統(tǒng)，要想獲取它的精確的模型幾乎沒有可能，這時候，無法用傳統(tǒng)控制方法進行控制。模糊控制過程不依賴于被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，而是以人的實際操作經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，是把人的智能和控制系統(tǒng)結(jié)合到了一起，因此模糊控制屬于智能控制領(lǐng)域。s practical experience as a foundation, is to human intelligence and control systems bined to together, so the field of fuzzy control is intelligent control. Currently, it has been called the field of intelligent control an important branch. Matlab39。模糊控制在實踐應(yīng)用中，具有許多傳統(tǒng)控制無法比擬的優(yōu)點： ，不需要掌握過程的精確數(shù)學(xué)模型。 ，過程的動態(tài)響 應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的 PID控制，并對過程參數(shù)的變化具有很強的適應(yīng)性。如何更好地提高控制性能，滿足不同系統(tǒng)的控制要求，是目前科學(xué) 了解 領(lǐng)域的一個重要課題。與傳統(tǒng)的以煤和石化產(chǎn)品為燃料的鍋爐相比還具有基本投資少、占地面積小、操作方便、熱效率高、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點。采用這些控制方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，超調(diào)量大，同時對外界環(huán)境變化響應(yīng)慢，實時性差。并對控制算法的實現(xiàn)、控制器的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整進行深入 了解 。 分析一下 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 [10]： )(tu 比例 積分 微分 被控對象 )(tr )(tc)(te 8 e(t)，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著積分時間常數(shù) iT 減小，靜差在減??；但過小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 PID控制規(guī)律在計算機中的實現(xiàn)，也是用數(shù)值逼近的方法?？梢钥闯?，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、 Kd，只要使用前 3 次的測量值偏差，即可求出控制量的增量。 Smith補償?shù)脑硎牵号c PID控制器并接一個補償環(huán)節(jié)，這個補償環(huán)節(jié)就是Smith 預(yù)估器，其傳遞函數(shù)為 )()1( SGe s??? (τ為滯后時間 )，即加入 Smith 預(yù)估 10 器的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 1120 )1()( 122 ??? ? seSG s （ 37） 分解得： sessSG 1221120 )( ????? （ 38） 設(shè)計 PID 控制器時注意事項 PID 位置式算法，在實現(xiàn)控制的過程中，只要系統(tǒng)的偏差沒有消除，積分作用就會繼續(xù)增加或減小，最后使控制量達到上限或者下限，系統(tǒng)進入飽和范圍。 積分分離法的基本思想是：當(dāng)誤差大于某個規(guī)定的門限值時，刪去積分作用，從而使積分項不至于過大，只有當(dāng)誤差較小時，才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除干擾的影響，除了在硬件采取相應(yīng)的措施以外，在控制算法上也要采取一定的措施。此時可以使用四點中心差分法等方法對差分項進行改進，以提高系統(tǒng)抗干擾能力。控制規(guī)則 11 通常是根據(jù)專家的經(jīng)驗得出的，所以模糊控制的基本思想就是利用計算機實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。具體因子 k k2和量化因子 k3與系統(tǒng)性能的如下關(guān)系。 k2越大，對系統(tǒng)狀態(tài)變化的抑制能力增大，使 超調(diào)量減小，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。在上升階段k3 越大，上升越快，但也容易產(chǎn)生超調(diào)。 查表法是輸入論域上的點到輸出論域 的對應(yīng)關(guān)系，它已經(jīng)是經(jīng)過了模糊化、模糊推理和解模糊的過程，它可以離線計算得到，模糊控制器在線運行時，進行查表就可以了，因而可以大大加快在線運行的速度。 ，也就是把 輸入的精確量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)語言變量的模糊集合。 ，就是對所有模糊規(guī)則輸出的模糊集合進行綜合的過程。由于經(jīng)過模糊推理后得到的是輸出變量的一個范圍上的隸屬度函數(shù)，因此必須進行反模糊化處理。 如果在輸出論域中 Z 中，其最大隸屬度函數(shù)對應(yīng)的輸出值多于一個時，簡單的方法是取所有具有最大隸屬度輸出的平均，即 模糊化 規(guī)則集 合成算法 解模糊 k1 k2 量化 量化 查詢表 K3 離線 在 線 13 ???pi icpkC 11)( （ 311） ))(max( cuc Ci ? （ 312） 其中， p為具有相同最大隸屬度輸出的總數(shù)。 若輸出是連續(xù)模糊集，則模糊控制器的輸出為 ??? ducu cducukC CC )( )()( （ 314） 模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制具有快速性、魯棒性好的特點，可以考慮用它對系統(tǒng)進行控制。 本設(shè)計也主要采用 Mamdani型。其工作原理與傳統(tǒng)意義上的鍋爐有相似之處，從結(jié)構(gòu)上看也有“鍋”和“爐”兩大部分。 鍋爐控制作為過程控制的一個典型，動態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點，而且伴有非線性。 圖 23自整定模糊 PID控制器框圖 PID 調(diào)節(jié)器 被控對象 模糊推理 de/dt R eecypK iK dK 16 方案比較 1號方案是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法， 經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，都是建立在系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的。 因此 可采用的控制方案是 1號方案 和 3 號方案。系統(tǒng)經(jīng)過幾年的試用之后， Moler博士等一批數(shù)學(xué)家與軟件專家組建了一個名為 MathWorks 的軟 件開發(fā)公司，專門擴展并改進 MATLAB，推出了該軟件的正式版本。 Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。為了進行模糊系統(tǒng)的仿真設(shè)計，國內(nèi)外的學(xué)者都開發(fā)了一些工具，其中一個就是 MATLAB 的模 17 糊控制工具箱 (Fuzzy Logic Toolbox)。它的優(yōu)勢在于可以利用 MATLAB 軟件本身的豐富資源，方便的將模糊工具箱與其它一些工具箱集合使用，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，并對這樣的系統(tǒng)進行仿真、分析 [12]。 18 圖 42帶有 Smith預(yù) 估器的 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 電鍋爐溫控系統(tǒng)的 參數(shù)自整定 模糊 PID 控制 首先，在 MATLAB 的 Fuzzy Logic Toolbox 中構(gòu)建如下 Mamdani 型模糊控制器，利用模糊邏輯工具箱建立一個 FIS 型文件，命名為 ，如圖 43 所示： 圖 43 電鍋爐模糊 PID控制器 19 可見模糊控制器的輸入變量為 E 和 EC，輸出為控制變量 U。mamdani39。max39。min39。 E、 EC以及 KP、 KI、 KD的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)。干擾信號及其仿真結(jié)構(gòu)圖依次如下圖所示。 PID的 kp， ki， kd三個參數(shù)是用的整定值。 27 0 500 1000 1500 2022 2500 3000 3500 4000 4500 5000010203040506070 圖 54 加 延遲 干擾信號 的 ChienHrones參數(shù) 純 PID控制響應(yīng)曲線圖 由圖 54 可見 , 加 延遲 干擾信號 的 ChienHrones 參數(shù) 純 PID 控制 系統(tǒng)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間 tss=1010秒，超調(diào)量δ %=%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 相比常規(guī) PID控制加了 smith預(yù)估器調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量都下降了，可見加了 smith 預(yù)估器系統(tǒng)性能提高了。 可見加上述干擾對系統(tǒng)性能影響很小甚至沒有影響。 |e|和 |ec|為中等大小，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖 49曲線的第 II段時，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減少， Kp、 Ki和 Kd都不能取大，取較小的 Kp值， Ki和 Kd值的大小要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ y 31 其基本算法如下：由 E， EC及 Kp、 Ki和 Kd的 Fuzzy子集的隸屬度，再根據(jù)各 Fuzzy子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)的 Fuzzy 調(diào)整規(guī)則模型，運用 Fuzzy合成推理設(shè)計出 的 PID參數(shù) Fuzzy調(diào)整矩陣表，這是整定系統(tǒng) Fuzzy控制算法的核心，我們將其存入程序存儲器中供查詢 [10]。,39。i， K39。 經(jīng)過我的調(diào)試，主要是調(diào)節(jié)積分比例因子，在多次的調(diào)試過后得到了系統(tǒng)性能比較好一組參 數(shù)，kp=、 ki=、 kd=，調(diào)節(jié)時間較短，而且超調(diào)量較小。加延遲時間干擾對系統(tǒng)性能基本沒有影響。從圖 512中也可以看出，常規(guī) PID控制使用范圍雖然很廣，但是仍有局限性。因此選用參數(shù)自整定模糊 PID控制為電鍋爐溫度控制 系統(tǒng) 34 的控制方案。在以上的參數(shù)情況下，仿真的結(jié)果計較理想。本 設(shè)計 將模糊控制理論與經(jīng)典的 PID控制理論結(jié)合，設(shè)計一種模糊 PID控制器，對電鍋爐溫度控制系統(tǒng)進行控制 。 9 總結(jié)與體會 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)四年里歷時最長的設(shè)計，也是我們對大學(xué)知識的一次綜合運用， 本 次設(shè)計 達到了電鍋爐溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小等預(yù)期要求。畢業(yè)我們所學(xué)，但所用甚少