【正文】 在此，特向 趙老師 表示深深的敬意和由衷的感謝 ! 在論文寫(xiě)作期間，我的好友 王麟 同學(xué)和其他許多同學(xué)都給了我很大幫助，在此一并感謝 ! 然后，還要感謝我的家人，是他們一直給予我莫大的關(guān)心的鼓勵(lì)，激勵(lì)我認(rèn)真地過(guò)每一天，不斷學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步。所以在模糊控制規(guī)則、隸屬度函數(shù)的選取、模糊推理方法的選取等方面有待更進(jìn)一步的深入研究。具體總結(jié)如下 : (l) 對(duì)傳統(tǒng) PID 控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)和 模糊 PID 控制系統(tǒng) 的原理以及其參數(shù)對(duì)控制效果的影響進(jìn)行了研究分析； (2)分別 設(shè)計(jì)了 傳統(tǒng) PID 控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)和 模糊 PID 控制系統(tǒng)， 并以電加熱爐為控制對(duì)象進(jìn)行了仿真研究。 仿真比較 根據(jù)以上 設(shè)計(jì) 的三種 控制器，對(duì)其 給定溫度值為 600℃ 時(shí) ， 仿真 響應(yīng) 曲線控制效果的各種參數(shù)對(duì)比如表 54。 根據(jù)上述在不同偏差 E和偏差變化 EC下參數(shù) 、 和 的模糊控制 規(guī)則表 如表 552和 53。 (2)相位Ⅱ：在這一過(guò)程中，系統(tǒng)輸出值已超出了給定值，偏差 E=(ry)0并且其絕對(duì)值逐漸加大；系統(tǒng)響應(yīng)、偏差和偏差變化的過(guò)程特性表現(xiàn)為偏 差 E=(ry)0，偏 差 變化 EC0并且其絕對(duì)值逐漸減??；在相位 Ⅱ 時(shí)， E EC0，系統(tǒng)輸出朝背離給定值方向變化。 電阻爐溫度的模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì) 模糊自整定 PID控制器 是一種在常規(guī) PID調(diào)節(jié)器 （ 51） 的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊理論建立參數(shù) 、 和 與偏差絕對(duì)值│ E│和偏差變化絕對(duì)值 │ EC│間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為 = （│ E│， | EC |） = （│ E│， | EC |） （ 52） = （│ E│， | EC |） 的控制器，并可根據(jù)不同的 │ E│ 和 | EC |在線自整定 、 和 。 圖 51 模糊 PID控制器結(jié)構(gòu)圖 由圖可見(jiàn)，模糊自 適應(yīng) 控制器包括一個(gè)常規(guī) 控制器和一個(gè)模糊推理的參數(shù)校正部分。 圖 45 電阻爐純模糊控制仿真模型 當(dāng)給定溫度值為 600℃時(shí)，控制系統(tǒng)模糊控制仿真響應(yīng)曲線如圖 46所示。 模糊控制器的仿真研究 在 MATLAB7． 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(gè) FIS型文件，命名為 weilong． fis，如圖 42所示 。在此重點(diǎn)介紹 Mamdani推理法。 建立模糊控制規(guī)則或控制算法 在模糊推理系統(tǒng)中，選取模糊控制規(guī)則是設(shè)計(jì)模糊控制器的核心，它是由設(shè)計(jì)者根據(jù)專家和操作人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，通過(guò) 大量 觀察和試驗(yàn)，總結(jié)形成一系列模糊條件句，把它們作為模糊控制規(guī)則存儲(chǔ)起來(lái)，用于模糊推理過(guò) 程 中。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 16 精確量的模糊化 在模糊控制器中系統(tǒng)的輸入、輸出變量有實(shí)際的變化范圍，稱之為變量的基本論域。由于正偏差和負(fù)偏差符號(hào)相反，因此，制定模糊控制器的規(guī)則時(shí)，其規(guī)則后件控制變量 u(t)的作用就要考慮偏差的定義。例如溫度控制系統(tǒng)往往是要求保持某個(gè)溫度值，根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)際溫度與期望溫度間的偏差來(lái)進(jìn)行控制。因此，模糊控制器設(shè)計(jì)的第一步也就是確定控制器的輸入輸出變量。加上最近幾年國(guó)外不斷推出的種種開(kāi)發(fā)軟件工具，使模糊邏輯控制設(shè)計(jì)變得相對(duì)更加容易，所以目前大部分模糊邏輯控制的應(yīng)用是在通用單片機(jī)上運(yùn)行模糊控制算法軟件實(shí)現(xiàn)的，并且不少應(yīng)用都獲得了成功。由于數(shù)據(jù)采集是分段進(jìn)行的，所以控制過(guò)程也是分段進(jìn)行的，一段采集到控制完成，接著第二段，第三段等等循環(huán)下去，以此實(shí)現(xiàn)整體模糊控制。模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人，著名的控制論專家扎德教授舉過(guò)停車的例子，正如一個(gè)汽車司機(jī)，不懂汽車的數(shù)學(xué)模型而能很好的駕駛汽車一樣。 通過(guò)對(duì) PID控制器控制系統(tǒng)的仿真曲線，可以得出，當(dāng)電阻爐溫度控制系統(tǒng)采 用 PID控制時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性 挺好，調(diào)節(jié)時(shí)間挺短，但是 控制系統(tǒng)卻出現(xiàn)了較 大 的超調(diào) 量 。取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào) 節(jié) 精度，使響應(yīng)速度變慢，從而延長(zhǎng)調(diào) 節(jié) 時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理圖如圖 3— 1所示。那么，被控對(duì)象電阻爐的理想模型即為： （ 28） 對(duì) 于 模型參數(shù)的求取，可以采 飛 升曲線法，飛升曲線的測(cè)量方法是：當(dāng)系統(tǒng)在穩(wěn)定控制信號(hào)作用下有一個(gè)穩(wěn)定的輸出時(shí)，突然在輸入端加一幅度適宜的階躍控制信號(hào)，這時(shí)輸出對(duì)應(yīng)也有一個(gè)變化部分，此即為輸出的飛升曲線。 電阻爐 的數(shù)學(xué)模型 從實(shí)際應(yīng) 用 中可以知道電阻爐是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，將電阻爐爐膛內(nèi)的溫度作為 唯 一變量，可以寫(xiě)出它的常微分方程。人工智能的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制向智能控制的發(fā)展。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)典型的人機(jī)系統(tǒng)。尤其是近些年來(lái)，過(guò)程控制技術(shù)的發(fā)展更為迅速。它應(yīng)用人工智能的理論和技術(shù)及運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法等與控制理論相結(jié)合，能克服被控對(duì)象和環(huán)境所具有的高度復(fù)雜性和不確定性，仿效人的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)有效的控制。 自動(dòng)控制理論的發(fā)展一般把它分為以下三個(gè)階段 : (1)20世紀(jì) 40年代至 60年代，稱為經(jīng)典控制理論階段。 （ 3） 針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的電阻爐對(duì)象設(shè)計(jì)模糊 PID控制器，設(shè)計(jì)模糊 PID控制算法 。 高梅娟在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng) 用 了 雙 模預(yù)測(cè)模糊進(jìn)行溫度控制，具有超調(diào)量小，抗干擾能力強(qiáng)和穩(wěn)態(tài)誤差小的特點(diǎn)，優(yōu)于 PID控制和常規(guī)模糊控制 。如今Simens 和 Inform 公司聯(lián)合研制了性能優(yōu)良的模糊控制開(kāi)發(fā)軟件工具及第三代模糊微處陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 2 理器，可利用軟件或硬件的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的模糊控制。應(yīng) 用廣 泛的溫度智能控制的方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 等，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、 自協(xié)調(diào) 等能力，保證了控制系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。 溫度控制技術(shù)的發(fā)展 大 致經(jīng)歷了定值開(kāi)關(guān)控制、 PID 控制和智能控制 三 個(gè)階段。針對(duì) PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基 于 模糊自適應(yīng) PID的電阻爐溫度控制器。 I 畢業(yè)論文 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究 摘 要 電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。 模糊自整定 PID控制是在一般 PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng) 。定值開(kāi)關(guān)控制方法的原理是若所測(cè)溫度比 設(shè) 定溫度低，則開(kāi)啟控制開(kāi)關(guān)加熱，反之則關(guān)斷控制開(kāi)關(guān)。比較而言，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)的性能要明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)，其根本原因就是控制算法的不同。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在 Zadeh創(chuàng)立模糊集合論的同年，我國(guó)傅京孫教授首先提出了把人工智能中的直覺(jué)推理方法用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，奠定了國(guó)內(nèi)智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。 紀(jì)友芳等人在所設(shè)計(jì)的智能溫度控制儀表中采 用 了模糊 PID控制，控制結(jié)果表明：其具有響應(yīng)速度快、超調(diào)小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。 （ 4） 在 MATLAB軟件中的 Fuzzy和 Smulink工具箱中進(jìn)行了系統(tǒng)仿真研究。經(jīng)典控制理論主要 是研究單變量控制系統(tǒng)，它應(yīng)用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等方法在頻率域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)分析，其控制原理是負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)，以自動(dòng)調(diào)節(jié)器為反饋控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。智能控制系統(tǒng)是以知識(shí)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，因此以知識(shí)的表示、獲取和利用為中心的知識(shí)工程是智能控制的重要基礎(chǔ)。 70年代中期，集散控制系統(tǒng)問(wèn)世了。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究 5 圖 22 閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)則是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，從被控對(duì)象檢測(cè)出狀態(tài)變量，用此檢測(cè)值與目標(biāo)期望值進(jìn)行比較，控制器根據(jù)兩者的偏差按某種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，用其輸出結(jié)果作為控制量 。但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，很少有人提到控制理論與人工智能的關(guān)系。當(dāng)電阻爐爐膛溫度穩(wěn)定時(shí)，則某一時(shí)刻加陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 6 熱元件發(fā)出的熱量 應(yīng)該等于該時(shí)刻爐膛中積累的熱量 和通過(guò)爐體 散 失掉的熱 量之和， 即 （ 21） ， 可 用 下 面 兩 個(gè) 式 子 表 示 ： （ 22） （ 23） 在公式 (2— 2)、 (2— 3)中 ， C 為電阻爐的熱容量； 為爐內(nèi)溫度； t 為燒結(jié)時(shí)間；為環(huán)境溫度； R 為電阻爐的熱阻 (絕緣材料及爐內(nèi)、外流動(dòng)氣體產(chǎn)生的 )。 實(shí)測(cè)的飛升曲線起始部分有彎曲，不容易找到確切的位置來(lái)定滯后時(shí)間，這時(shí)可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(diǎn) (即拐點(diǎn) )處作一切線，如圖 24所示，該切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)即為純滯后時(shí)間 τ ，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)時(shí)間應(yīng)為 T，加上純滯后時(shí)間則實(shí)測(cè)為 τ +T，這樣就求出一階對(duì)象的參數(shù) T、 τ 。 圖 31 PID控制原理圖 整個(gè)系統(tǒng)主要由 PID控制器和被控對(duì)象組成。 （ 2） 積分作用對(duì)控制性能的影響 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 過(guò) 大 ，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 12 4 模糊控制 系統(tǒng) 模糊控制的起源 模糊控制的誕生是和社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要分不開(kāi)的。這是因?yàn)椴僮魅藛T對(duì)系統(tǒng)的控制是建立在直觀的經(jīng)驗(yàn)上的，憑借在實(shí)際中取得的經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策就可以很好的完成控制工作。 模糊控制系統(tǒng)的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線框中所示，模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì) 算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。還有，當(dāng)前許多可編程邏輯控制器 PLC配備有模糊邏輯控制軟件程序，使用起來(lái)很方便。通常模糊控制器根據(jù)輸入輸出物理變量的個(gè)數(shù)分為單變 量 模糊控制器和多變 量 模糊控制器。其規(guī)則形式是 :“若溫度偏差為正大，則控制為正大”等。對(duì)于式 (41)所表達(dá)的正偏差定義，規(guī)則的形式可能是 : 若溫度偏差為正大，則控制量為負(fù)大 當(dāng)采用式 (42)所表示的負(fù)偏差定義時(shí)，規(guī)則的形式可能是 : 若溫度偏差為正大，則控制量為正大 這是一類最為常用的模糊控制器，它有兩個(gè)輸入量 ， ，一個(gè)輸出量 y。在進(jìn)行模糊化處理時(shí)，必須先將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的模糊集的論域，方法是將輸入變量基本論域中的變量值乘以相應(yīng)的量化因子。 模糊控制規(guī)則的一般形式為： If is and is , then is （ i=1,2, ? m； j=1,2, ? n) 其中： 表示被控量的設(shè)定值 與其實(shí)際值 的偏差 的模糊化量； 和 表示偏 差 變化率 和輸出 量 的模糊化量； 表示相應(yīng)于 模糊化 量 的第 個(gè)模糊子集； 表示相應(yīng)于模糊化 量 的第 j個(gè)模糊子集； 表示相應(yīng)于模糊化量 的某一模糊子集； 和 分別是 和 ，的模糊子集劃分?jǐn)?shù)目。 Mamdani推理法是一種在控制過(guò)程中普遍使用的方法，它本質(zhì)上仍然是一種合成推理法，只不過(guò)對(duì)模糊蘊(yùn)含關(guān)系取不同的形式 而已。 圖 42 純模糊控制器 由圖 42知，模糊控制器的輸入變量為 E和 EC，輸出為控制變量 U。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 22 圖 46 純模糊控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 在純模糊控制下，在圖 46中，電阻爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間=420s， 超調(diào)量σ％ =0，穩(wěn)態(tài)誤 差 =68℃。偏差 E和偏差的變化率 作為模糊系統(tǒng)的輸入， 控制器三個(gè)參數(shù) 、和 的值作為模糊系統(tǒng)的輸出，根據(jù)事先確定好的模糊控制規(guī)則作出模糊推理的參數(shù)校正，在線改變 參數(shù)的值，從而實(shí)現(xiàn) 參數(shù)的 自 整定 。 確定模糊控制規(guī)則的原則是必須使控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳。 (3)相位 Ⅲ ：在這一過(guò)程中，系統(tǒng)輸出值減小，但是偏差 E=(ry)0，其絕對(duì)值逐漸減小，偏差變化 EC0。 表 51 的模糊控制規(guī)則表 EC E NB NM NS Z P PM PB NB PB PB PM PS PS Z Z NM PB PB PM PS PS Z NS NS PM PM PM PS Z NS NS Z PM PM PS Z NS NM NM PS PS PS Z NS NS NM NM PM PS Z NS NM NM NM NB PB Z Z NM NM NM NB NB 表 52 的模糊控制規(guī)則表 EC E NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NM NM NS Z Z NM NB NB NM NS NS Z Z NS NB NM NS NS Z PS PS Z NM NM NS Z PS PM PM PS NM NS Z PS PS PM PB PM Z Z PS PS PM PB PB PB Z Z PS PM PM PB PB 基于模糊 PID