【文章內(nèi)容簡介】 非線性的，可能是定常的或時(shí)變的，可能是一階的或高階的，可能是確定性的或是隨機(jī)過程，當(dāng)然也可能是混合有多種特性的過程。正如前文所述，有不少對象是難以建模的。對于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，對于非線性和時(shí)變對象，模糊控制策略是較為適宜采用的一種方案。檢測裝置檢測裝置一般包括傳感器和變送裝置。它們檢測各種非電量如溫度、流量、壓力、液位、轉(zhuǎn)速、角度、濃度、成份等并變換放大為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，包括模擬的或數(shù)字的等形式。在某些場合，檢測量也可能是電量。檢測裝置的精度級別應(yīng)該高于系統(tǒng)的精度控制指標(biāo)，這在模糊控制系統(tǒng)中同樣適用，但是，一般認(rèn)為在以高精度為目標(biāo)的控制系統(tǒng)中不宜采用模糊控制方案，因此在模糊控制系統(tǒng)中檢測裝置的精度應(yīng)視具體控制指標(biāo)的要求具體確定。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對象賴以施加控制作用的裝置，如工業(yè)過程控制中應(yīng)用最普遍最典型的各種調(diào)節(jié)閥。執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的控制作用常常表現(xiàn)為使角度、位置發(fā)生變化，因此它往往是由伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓閥等加上驅(qū)動(dòng)裝置組成。輸入輸出接口 輸入輸出接口是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)連接的橋梁，輸入接口主要與檢測裝置連接，把檢測信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)并輸入給計(jì)算機(jī)。輸出接口把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的信號(hào)，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)對被控對象施加控制作用。由于大部分檢測裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)都是模擬信號(hào)，因此輸入輸出接口常常是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 (A/D)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 (D/A)。模糊控制器模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要標(biāo)志。模糊控制器一般由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)程序和硬件實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，計(jì)算機(jī)可以是單片機(jī)，IPC，工業(yè)控制機(jī)等各種類型的微型計(jì)算機(jī)，程序設(shè)計(jì)語言可以是匯編語言，C語言及其它各種語言?，F(xiàn)在也有一些模糊芯片實(shí)現(xiàn)模糊邏輯推理算法，成為模糊控制器的重要組成部分。 模糊控制器在實(shí)際生產(chǎn)過程中，人們發(fā)現(xiàn)，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，雖然不懂被控對象或被控過程的數(shù)學(xué)模型，卻能憑借經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)決策，很好的完成控制工作。例如，要用建立數(shù)學(xué)模型解數(shù)學(xué)方程的方法來控制倒立擺直立不倒是一件很困難的事情，但人們在用手控制竹竿直立不倒時(shí)，一邊用眼觀測，一邊用手控制；若竹竿向前傾，則手向前運(yùn)動(dòng)；若竹竿向前傾一點(diǎn)，則手向前動(dòng)一點(diǎn)；若竹竿突然向后倒，則手快速向后退。這里，人的經(jīng)驗(yàn)可以用一系列具有模糊性的語言來表述，這就是模糊條件語句。再用模糊邏輯推理對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)觀測進(jìn)行處理，則可產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策，這就是模糊控制。模糊控制能避開對象的數(shù)學(xué)模型[15](如狀態(tài)方程或傳遞函數(shù)等)，它力圖對人們關(guān)于某個(gè)控制問題的成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工，總結(jié)出知識(shí)，從中提煉出控制規(guī)則，用一系列多維模糊條件語句構(gòu)造系統(tǒng)的模糊語言變量模型，應(yīng)用CRI等各類模糊推理方法，可以得到適合控制要求的控制量，可以說模糊控制器是一種語言變量的控制器。由于一個(gè)模糊概念可以用一個(gè)模糊集合來表示，因此模糊概念的確定問題，就可以直接轉(zhuǎn)換為模糊集隸屬函數(shù)的求取問題。因此，對于一類缺乏精確數(shù)學(xué)模型的被控對象，可以用模糊集合的理論，總結(jié)人對系統(tǒng)的操作和控制的經(jīng)驗(yàn)，用模糊條件語句寫出控制規(guī)則，也能設(shè)計(jì)出比較理想的控制系統(tǒng)。圖中Yr，為系統(tǒng)設(shè)定值，u為系統(tǒng)輸出值，它們都是清晰量。從圖可以看出，它和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有多大區(qū)別，只是模糊控制器替代傳統(tǒng)的數(shù)字控制器。，模糊控制器的輸入量是系統(tǒng)的偏差量e，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中它是數(shù)字量，是有確定數(shù)值的清晰量。通過模糊化處理，用模糊語言變量E來描述偏差，若以T (E)記E的語言值集合，則有 T(E)={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}或用符號(hào)表示負(fù)大NB (Negative Big)，負(fù)中NM (Negative Medium)，負(fù)小NS (Negative Small),零ZE (Zero),正小PS (Positive Small)，正中PM (Positive Medium)，正大PB (Positive Big)，則T(E)=(NB, NM, NS, ZE, PS, PM,PB)語言規(guī)則模塊是一個(gè)規(guī)則庫。設(shè)E是輸入，控制U為輸出，規(guī)則形式為 規(guī)則 1: IF E1 THEN U1, ELSE 規(guī)則2: IF E2 THEN U2, ELSE …規(guī)則n: IF En THEN Un, ELSE……每一條規(guī)則可以建立一個(gè)模糊關(guān)系Ri，所以系統(tǒng)總的模糊關(guān)系R為 R=R1UR2U…URn若已知系統(tǒng)的輸入e0對應(yīng)模糊變量E*。應(yīng)用CRI合成推理法，可得到模糊輸出變量U*， U*=E*oR模糊推理輸出U*是一個(gè)模糊變量，在系統(tǒng)中要實(shí)施控制時(shí)，模糊量U*還要轉(zhuǎn)化為清晰值，因此要進(jìn)行清晰化處理，得到可操作的確定值ui，這就是模糊控制器的輸出值，通過的ui調(diào)整控制作用，使偏差e盡量小。一般說來，模糊控制器有三個(gè)主要的功能模塊。模糊化 (Fuzzification )模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語言變量值的過程，此相應(yīng)語言變量值均由對應(yīng)的隸屬度來定義。模糊推理(Fuzzy Inference)模糊推理包括三個(gè)組成部分：大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)多維模糊條件語句，構(gòu)成規(guī)則庫；小前提是一個(gè)模糊判斷句，又稱事實(shí)。以己知的規(guī)則庫和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過程叫做模糊推理.清晰化(Defuzzfication )清晰化是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過程。與傳統(tǒng)的控制相比，模糊控制有以下特點(diǎn)：適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不很清楚或難以求得，只要求掌握操作人員或領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)或知識(shí)。模糊控制是一種語言變更控制器，其控制規(guī)則只用語言變量的形式定性的表達(dá)，構(gòu)成了被控對象的模糊模型。在經(jīng)典控制中，系統(tǒng)模型是用傳遞函數(shù)來描述。在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，則用狀態(tài)方程來描述。系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用干非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。 模糊控制算法模糊控制算法的目的，就是從輸入的連續(xù)精確量中，通過模糊推理的算法過程，求出相應(yīng)的清晰值的控制算法。模糊控制算法有多種實(shí)現(xiàn)形式。為了便于在數(shù)字計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮算法的實(shí)時(shí)性，模糊控制系統(tǒng)目前常采用的算法有：CRI推理的查表法，CRI推理的解析公式法，Mamdani直接推理法，后件函數(shù)法等。 模糊控制器基本設(shè)計(jì)方法模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，因而在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中怎樣設(shè)計(jì)和調(diào)整模糊控制器及其參數(shù)是一項(xiàng)很重要的工作。模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量[31]究竟選擇何種信息作為模糊控制器的變量，必須深入研究手動(dòng)控制過程中有經(jīng)驗(yàn)的操作人員主要根據(jù)哪些信息來控制被控對象向預(yù)期目標(biāo)逼近。(1)手動(dòng)控制過程中的信息量人在進(jìn)行手動(dòng)控制過程中，操作者期望實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，一旦偏離了目標(biāo)，出現(xiàn)了偏差，操作者便根據(jù)偏差的大小進(jìn)行調(diào)整。人的大腦中誤差的 “大”或“小”，這些概念是模糊的。在整個(gè)手動(dòng)控制過程中，人所能獲取的信息一般可以概括為三個(gè)：誤差、誤差的變化和誤差變化的速率。(2)模糊控制器的輸入輸出變量 在手動(dòng)控制過程中，人對誤差、誤差的變化以及誤差變化的速率這三個(gè)信息的敏感程度是完全不同的。比如，在往空桶中放水時(shí)，人對水面高度離桶上邊的距離 (誤差)比較敏感；而對液位差減小的速度就比較遲鈍；對液位差減小速度的變化率就很難感覺出來。由于模糊控制器的控制規(guī)則往往是根據(jù)手動(dòng)控制的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，因此模糊控制器的輸入變量自然也可以有三個(gè)：即誤差、誤差的變化和誤差變化的速率；而輸出變量則一般選擇為控制量的變化，即增量。 通常將模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。常見的模糊控制器的結(jié)構(gòu)有三種形式：一維、二維和三維。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制的效果也越好，但是維數(shù)高的模糊控制器實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)復(fù)雜和困難。而維數(shù)低的模糊控制器，控制效果又不理想，因此，目前大都使用二維模糊控制器，其控制精度一般可以滿足要求。模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵，具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括以下三個(gè)部分；選擇描述輸入輸出變量的詞集：一般要求詞集中詞匯少，并且利用這些詞匯又可以對各種自然現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。定義各模糊變量的模糊子集：由干模糊變量沒有明確的外延，如何用具體的數(shù)據(jù)來刻畫一個(gè)模糊變量的性質(zhì)，這就是模糊子集的確定問題。對模糊子集的理想要求是必須客觀地反映實(shí)際情況。建立模糊控制器的控制規(guī)則：模糊控制規(guī)則應(yīng)該是人們在手動(dòng)控制過程中經(jīng)過長期操作實(shí)踐，不斷修正完善后的一套行之有效的控制策略。(1) 選擇描述輸入、輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則一般表示為一組模糊條件語句。在條件語句中用于描述輸入輸出變量狀態(tài)的詞匯(如 “正大”、“負(fù)小”等)的集合，稱為這些變量的詞集，亦稱變量的模糊狀態(tài)。一般選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來描述輸入輸出變量的狀態(tài)。由于人的行為在正、負(fù)兩個(gè)方向的判斷基本是對稱的，將大、中、小再加上正、負(fù)兩個(gè)方向 (極性)并考慮零狀態(tài)，這樣一共就有七個(gè)詞匯，即 {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}或用英文詞頭縮寫的形式表示為 {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}對誤差的變化這個(gè)輸入變量，在選擇描述其狀態(tài)的詞匯時(shí)，常常將“零”分為“正零”和 “負(fù)零”，以表示誤差的變化在當(dāng)前是“增加”趨勢還是 “減少”趨勢。于是詞集又增加了負(fù)零(NO)和正零(PO).描述輸入輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來表示。因此，模糊集合的確定問題就轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題了。(2) 定義各模糊變量的模糊子集定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的子集。隸屬函數(shù)曲線表示論域X中的元素。對模糊變量的A的隸屬程度，設(shè)定X={6，5，4，3，2，－1,0,+l，＋2,+3,+4,＋5，+6}則有在論域X內(nèi)，除x=2, 3, 4, 5, 6各點(diǎn)外，其余離散點(diǎn)上的隸屬度均為0，此時(shí)模糊變量A的模糊子集可以表示為從上述算例可知，當(dāng)確定了某一模糊變量A的隸屬曲線后，就可以很容易地獲得該模糊變量的一個(gè)模糊子集。從自動(dòng)控制的角度來看，希望一個(gè)控制系統(tǒng)在要求的范圍內(nèi)都能夠很好的實(shí)現(xiàn)控制。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也要重視這個(gè)問題。因此在選擇描述某一模糊變量的各個(gè)模糊于集時(shí)，要使它們在整個(gè)論域上分布合理，即它們應(yīng)該較好地覆蓋整個(gè)論域。通常的方法是：在定義這些模糊子集時(shí)要注意使論域中任何一點(diǎn)對這些模糊子集的隸屬度的最大值不能太小，否則在這樣的點(diǎn)附近將出現(xiàn)控制動(dòng)作的死區(qū)，使控制性能變壞。(3) 建立模糊控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是以手動(dòng)控制策略為基礎(chǔ)的。它利用模糊集合理論將手動(dòng)控制策略上升為具體的數(shù)值運(yùn)算，根據(jù)推理運(yùn)算的結(jié)果做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制被控對象的運(yùn)行。要建立模糊控制器的控制規(guī)則，就是要利用語言來歸納手動(dòng)控制過程中所使用的控制策略。手動(dòng)控制策略一般都可以用“IFTHEN”形式的條件語句來加以描述。常見的模糊條件語句及其對應(yīng)的模糊關(guān)系有：(1) if A then B(若A則B) R=AB(2) if A then B else C(若A則B否則C) R=(AB)+(C)(3) if A and B then C(若A則B則C) R=(A B)(B C)這條語句也可以表述為： if A then if B then C(若A則若B則C) R=A(BC)=ABC(4) if A or B and C or D then E(若A或B且C或D則E) R=[