【正文】 對(duì)模糊自適應(yīng)控制的研究，本論文只是小小的一部分，還有許多問題需要進(jìn)一步研究。 重點(diǎn)是 本文在 傳統(tǒng) PID 控制器的基礎(chǔ)上，與 模糊 控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了模糊自整定 PID 控制器，對(duì)加熱爐的溫度進(jìn)行控制。 當(dāng) |E|較大 ，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較好的快速跟蹤性能，并避免因開始時(shí)的偏差的瞬間變大，可能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較大的 和較小的 ，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，需對(duì)積分作用加以限制，通常取 =0。 (1) 當(dāng) |E|較大 ,為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較好 的快速跟蹤性能，并避免因開始時(shí)的偏差的瞬陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 24 間變大，可能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較大的 和較小的 ，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，需對(duì)積分作用加以限制，通常取 =0。 由圖 43可知， E、 EC和 U的模糊子集均為 {NB， NM， NS， Z， PS， PM， PB}， E和 EC及 U的論域?yàn)?{一 6，一 5，一 4，一 3，一 2，一 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6)， E和 EC及 U的模糊隸屬度函數(shù)除 NB和 PB取 Z型和 S型函數(shù)外，其 余均取 三角形隸屬度函 數(shù) 。 Zadeh在 1973年對(duì)于模糊命題“若 A則 B”，利用模糊關(guān)系的合成運(yùn)算提出了一種近似推理的方法，并稱為推理的合成法則。凡取為偏差的變化。假設(shè)模糊控制器的輸入變量為 e，輸出變量為 u。因此，模糊控制器的結(jié)構(gòu)通常由模糊化接口、規(guī)則庫(kù)、推理機(jī)、反模糊化接口四部分組成。雖然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一些問題，但范圍是有限的。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 10 各個(gè)參數(shù)對(duì) PID 控制效果的影響 式 (32)和式 (33)是我們?cè)诟鞣N文獻(xiàn)中最?？?到 的 PID控制器的兩種表達(dá)形式。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究 7 圖 23 系統(tǒng)框圖 控 制器的輸出為 u， U(s)可以設(shè)定正比于 ，即 , ?；径乙彩亲畛Ｓ玫恼{(diào)節(jié)規(guī)律是 PID調(diào)節(jié) 。過程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。由于溫度控制設(shè)計(jì)到冶金、化工、機(jī)械等眾多領(lǐng)域，因而溫度智能控制技術(shù)也是國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的重要內(nèi)容，越來越多與智能溫度控制有關(guān)的論文在科技刊物上發(fā)表。 PID 控制對(duì)于確定的溫度系統(tǒng)，控制效果良好，但對(duì)于控制 大 滯后、大慣性、時(shí)變性溫度系統(tǒng)，控制品質(zhì)難以保證。 其次 文中設(shè)計(jì)了 三 種控制系統(tǒng)。 One is pure fuzzy control system, the other is the fuzzy PID control system. The paper studies the conventional PID control scheme, the fuzzy control scheme, and to resistance furnace respectively the PID control system, pure fuzzy control system simulation analysis. Results show that the PID control system overshoots too big, fuzzy control system, while can effectively reduce overshoot meal, but the steadystate error is bigger. Aimed at the PID control and fuzzy control, design the advantages and disadvantages of based on fuzzy adaptive PID resistance furnace temperature controller. to the resistance furnace fuzzy adaptive PID control system simulation analysis, and the results show that the fuzzy adaptive PID control can be realized when asked short, ultra adjust remains in small amount and steadystate error of plus or minus l within177。 1976 年， P． J． King 和 Mamdani 等人合作， 用模糊控制對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行溫度控制，他們采 用 模糊模型的預(yù)估方案，從而成功解決了不穩(wěn)定問題。相比較而 言，國(guó)內(nèi)智能控制技術(shù)的應(yīng)用 要落后于國(guó)外，目前國(guó)內(nèi)成熟的溫度控制系統(tǒng)以常規(guī) PID和各種改進(jìn) PID控制為主，商品化的智能控制系統(tǒng)少，在智能控制算法和控制軟件的開發(fā)方面投入人力、 物力也較少 。它們的共同特點(diǎn)是基于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，即被控對(duì)象和干擾都要用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程和函數(shù)表示，控制任務(wù)和目標(biāo)一般 都要比較直接明確，控制對(duì)象的不確定性和外界變化只允許在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。 傳統(tǒng)控制方法 傳統(tǒng)控制的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)被控對(duì)象的狀態(tài)變量是否被負(fù)反饋到控制器，可以分成開環(huán)控制系統(tǒng) 和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類，兩類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖分別如圖 21和 22所示 。智能控制所研究的主要內(nèi)容為下面幾個(gè)類型 ： 分級(jí)遞階智能控制 ， 基于模糊推理的智能控制一模糊控制系統(tǒng) ，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) ， 自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) ， 專家系統(tǒng) 等。第二個(gè)可以采用 的控制方案是模糊控制，由 于 它是以先驗(yàn)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)為控制規(guī)則的智能控制技術(shù)，可以模擬人的推理和決策過程，因此無須知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，且響應(yīng)時(shí)間短，可以保持較小的超調(diào)量。 PID 控制器的仿真研究 在 MATLAB7． Simulink環(huán)境中創(chuàng)建 用 PID算法控制電阻爐溫度的仿真模型，如圖 3— 2所示： 圖 32 PID控制系統(tǒng)仿真圖 在圖中的 PID模塊中對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在 Transport Delay模塊中設(shè)定滯后時(shí)間 30秒。這也就是模糊控制器的工作過程。模糊控制器的設(shè)計(jì)也即主要是對(duì)以上因素的設(shè)計(jì)。值得注意的是，控制系統(tǒng)中有關(guān)偏差的 概念問題。 在將各變量從基本論域轉(zhuǎn)換到模糊集論域以后，接下來就要進(jìn)行模糊化處理，模糊化處理就是要確定各變量的模糊語言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)，即定義各變量模糊集論域上的模糊子集。因此可以針對(duì)輸入情況的不同組合離線計(jì)算，得出相應(yīng)的控制量，從而組成一張控制表，實(shí)際控制時(shí)只要直接查這張表就可以，在線的運(yùn)算量是很小的。它將模糊控制和 PID控制器兩者結(jié)合起來，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID控制精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。設(shè) r為某一系統(tǒng)的躍輸入信號(hào)，系統(tǒng)的輸出信號(hào)為 y，則系統(tǒng)輸出 y，系統(tǒng)偏差 E=ry及偏差 EC= 的變化曲線如圖 52所示 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究 25 圖 52 定值控制系統(tǒng)一般響應(yīng)及偏差和偏差變化曲線圖 如圖 5— 2，系統(tǒng)的響應(yīng)是連續(xù)的四個(gè)相位 (I， II，Ⅲ， IV)周期重復(fù)出現(xiàn)，并且輸出值的變化量比上個(gè)周期逐漸減小。圖 54是模糊 PID控制器的各個(gè) 變量 的隸屬函數(shù)圖。 (2)如何選擇一個(gè)比較好的參考模型，使其更易于模糊控制器的整定。 最后，敬請(qǐng)各位專家、教授對(duì)本論文的缺點(diǎn)和不足之處提出寶貴的意見。雖然仿真環(huán)境不能與實(shí)際情況完全相同，但是，它的結(jié)果還是相當(dāng)有指導(dǎo)意義的。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究 29 圖 53 模糊自適應(yīng) PID控制器 由圖 53知，模糊 PID控制器的輸入變量為 E和 EC，輸出為控制變量 U。 下面先確定不同的 E和 EC對(duì)控制系統(tǒng)輸出的影響。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究 23 5 模糊 PID 控制 系統(tǒng) 模糊 PID 控制器的原理 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)。目前，反模糊化的方法很多，常用的有最大隸屬度法，重心法，加權(quán)平均法。 假設(shè)偏差變量的基本論域?yàn)?，偏差變化量的基本論域?yàn)?，控制器輸出變?(控制量 )的基本論域?yàn)?。這是因?yàn)?，?duì)于這類控制器，只要偏差相同，則不管當(dāng)前偏差是在快速增大或在快速減小，執(zhí)行的控制行為則是相同的。 模糊控制系統(tǒng)與通常的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了模糊控制器。因此，模糊集合理論用于描述人的經(jīng)驗(yàn)就有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 （ 3） 微分作用對(duì)控制性能的影響 的作 用 是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏 差 向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。根據(jù)電阻爐爐溫的測(cè) 量 數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合可求得一階對(duì)象的三個(gè)參數(shù) K、 T、τ 。 簡(jiǎn)單來講，智能控制就是能驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程。這種系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的，就是將計(jì)算機(jī)分布到車間或裝置。現(xiàn)代控制理論主要以多變量控制為研究對(duì)象，在時(shí)間域內(nèi)應(yīng)用狀態(tài)方程進(jìn)行系統(tǒng)分析，其建模方法不再局限于對(duì)象的物理特性，而是向一般化的參數(shù)估計(jì)與系統(tǒng)辯識(shí)理論擴(kuò)展。 總體上說，智能控制在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng) 用越來越廣 泛。自智能控制理論發(fā)展以來，智能控制技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于 工 業(yè)控制。 l℃內(nèi)的性能指標(biāo)，并對(duì)該控制方案的抗干擾性，魯棒性進(jìn)行了仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該控制方案是一種較為理想的智能型控制方案。 本文分析 研究了常規(guī) PID控制方案、模糊控制方案 ， 并分別對(duì)電阻爐 PID控制系統(tǒng)、純模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。目前國(guó)內(nèi)成熟的電阻爐溫度測(cè)控系統(tǒng) 主 要以 PID 控制器為主，由 于 其參數(shù)整定不理想， 因 此很難保證電阻爐控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等。 王樹清、劉興池采用日本生產(chǎn)的 SR70智能模糊控制器對(duì)電阻加熱爐進(jìn)行控制，穩(wěn)態(tài)精度達(dá) 到 177。近幾十年來，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇宙航行、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)技術(shù)更具有特別重要的作用。 在本世紀(jì) 40年代前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗(yàn) 用人工去控制生產(chǎn)過程，生產(chǎn)效率很低。這種控制算法實(shí)際上在一定程度上也是模仿人的手動(dòng)控制作用。 R，稱為對(duì)象的靜態(tài)增益； T=C這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響 到 PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞，其對(duì)控制性能的影響如下： （ 1） 比例作 用 對(duì)控制性能的影響 比例系數(shù)后 的作 用 是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào) 節(jié) 精度。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn)之一就是有能力對(duì)模糊事物進(jìn)行 識(shí)別和判決，看起來似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_(dá)到精確的目的 。如果確定采用模糊邏輯控制，就要決定是用硬 件實(shí)現(xiàn)還是用軟件實(shí)現(xiàn)。 例如，對(duì) 于加熱爐溫度控制系統(tǒng)有 : 規(guī)則 1:若加熱溫度太高，則減小加熱裝置開度 規(guī)則 2:若加熱溫度偏高，則稍微減小加熱裝置開度 ? 等等。此時(shí)模糊控制器的輸出量是輸入量 偏差和偏差變化的非線性函數(shù) (非線性映射 )。強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法是當(dāng)控制系統(tǒng)有精確量輸入時(shí)，精確值在條件語句的前件中所得到的語言變量值強(qiáng)度轉(zhuǎn)移到后件的語言變量值去，從而得到推理結(jié)果的方法。該 模糊控制器 控制規(guī)則共有 49條，如表 41所示： 表 41 模糊規(guī)則表 EC E NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NB NM NM NS Z NM NB NB NM NM NS Z PS NS NM NM NM NS Z PS PS Z NM NS NS Z PS PS PM PS NS NS Z PS PM PM PM PM NS Z PS PM PM PB PB PB Z PS PM PM PB PB PB 其中用模糊語句構(gòu)成的控制規(guī)則如圖 44所示。 (3) 當(dāng) |E|較 小時(shí) ，為了使系統(tǒng)具有 良 好 的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的 和 ，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。 當(dāng) |E|較小時(shí)，為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的 和 ，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。它是基于專家的控制經(jīng)驗(yàn)，以模糊集合理論為基礎(chǔ)，對(duì)一些難以確定精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜控制對(duì)象進(jìn)行控制，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的控制效果。從論文前期材料的準(zhǔn)備、選題、撰寫到最后的定稿， 趙 老師都花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，給予了我很 大的指導(dǎo)和幫助。要將理論研究更好地應(yīng)用于實(shí)際，需 要更多地接觸實(shí)際與大量實(shí)驗(yàn)。 因此，通過本文的研究分析得出了電阻爐的 自 適應(yīng) PID控制 比 傳統(tǒng) PID控制和模糊控制 的控制效果更好。在相位 Ⅲ 時(shí)， E EC0，系統(tǒng)輸出朝給定值方向變化。 自整定設(shè)計(jì)思想是： 參數(shù)自整定的設(shè)計(jì)思想是先找出 三個(gè)參數(shù)與 偏差 | |和偏差的變化率 | |之間的模糊關(guān)系，在工作中通過不斷檢測(cè) | |和 | |，再根據(jù)模糊控制原理對(duì)參數(shù) 、 和 進(jìn)行在線校正，以滿足不同 | |和 | |時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng) ﹑ 靜態(tài)性能，而且計(jì)算量小，便于微機(jī)實(shí)現(xiàn)。 And操作為