【文章內容簡介】 用的模糊芯片和模糊計算機。 雖然模糊理論的提出只有短短 30 多年的時間，但其發(fā)展速度卻十分的驚人。大量對模糊理論進行研究的文獻論文不斷發(fā)表，并且數量呈幾何趨勢增長。這充分體現了模糊理論的發(fā)展速度，而且顯示了模糊控制理論巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著科學技術的不斷進步，自動控制系統被控對象也朝著復雜化的方向發(fā)展，主要表現在多輸入多輸出的強禍合性、參數時變性和嚴重的非線性等特點上。然而就在這樣復雜的多變量、非線性、時變的系統中，對控制質量的要求卻越來越高。正是由于模糊控制具有突出的遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁優(yōu)點，并且在解決控制系統中的復雜問題上有著特別的優(yōu)勢，所以對模糊控制理論的深入研究對控制理論的發(fā)展來說是十分重要的，并且很有實際意義。 模糊控制的特點 模糊 PID 控制的基本原理是在普通 PID 控制器的基礎上，加上一個模糊控制環(huán)節(jié)。模糊控制環(huán)節(jié)根據系統的實時狀態(tài)在線分別調節(jié) PID 的三個參數。 模糊控制之所以能獲得迅速的發(fā)展，與其自身具備的特點不無關系，模糊控制的突出特點在于 ???： （1）模糊控制器是建立在對專家、操作人員的經驗和現場操作數據的模仿總結基礎之上，這種控制器的設計不要求知道被控對象的精確數學模型，而只需要提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。 （2）控制系統的魯棒性強，對于非線性時變滯后系統，因為其對參數變化不敏感，所以其動態(tài)特性和靜態(tài)特性均優(yōu)于常規(guī)控制手段。 （3）以語言變量代替常規(guī)的數學變量，易于構造形成專家“知識” 。 （4）控制推理采用“不精確推理” （approximate reasoning） 。由于推理過程模仿人的思維過程，介入了人類的經驗，因而能夠處理復雜甚至“病態(tài)”系統。 模糊控制的基本概念 模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制 ???。模糊控制系統的結構和一般的傳統控制系統沒有多大區(qū)別，只是用模糊控制器取代了傳統的控制器。模糊控制器的基本結構如圖 所示。從理論上講模糊控制器應是連續(xù)型的控制器，但在工程上實現模糊控制都是采用數字計算機，所以在實際應用中模糊控制器又是一種離散型的控制器。實現一般模糊控制算法的過程描述如下：微機經過中斷采樣獲得被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號 e，一般選誤差信號 e 作為模糊控制器的一個輸入量，把誤差信號的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差 e 的模糊量可用相應的模糊語言表示，得到誤差 e 的模糊語言集合的一個子集 E （E 是一個模糊矢量） ，再由 E 和模糊控制規(guī)則 R（模糊算子）根據推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量 U。 （）R?? 模糊控制器是以模糊集理論為基礎發(fā)展起來的，并已成為把人的控制經驗及推理遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁納入自動控制策略之中的一條簡捷途徑。圖 模糊控制器的結構圖 （1）模糊集合 給定論域 X， 是 X 中的模糊集合，就是指用 ： 這樣的隸屬度函??xA?A???1,0?X數來表示其特征的集合。模糊集合有很多種表示方法，最根本是要將它所包含的元素及相應的隸屬度函數表示出來。因此它可用如下的序偶形式來表示： （）?XxA??)(,? （2）隸屬函數 用 中的一個實數來度量元素 屬于模糊集的程度，這個實數稱為 “隸屬度” ，[0,1] i對于一個模糊集而言，隸屬度隨著元素 x 的不同而改變，這個表示隸屬度變化規(guī)律的函數稱為“隸屬函數” 。隸屬函數在模糊控制中占有十分重要的地位，確定隸屬函數的方法主要有模糊統計法、相對比較法、對比平均法以及專家經驗法等。在實際模糊邏輯應用中，常用的隸屬函數有以下幾種。① 高斯型這是最常用的模糊分布。它用兩個參數來描述，一般可表述為： （）)0](/)(exp[2?????a其分布曲線見圖 。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁圖 高斯分布②三角形這種隸屬函數的形狀和分布由三個參數表示，一般可描述為： ??????cxcbxba)/()(若若?（）分布曲線見圖 。圖 三角分布③梯形這種隸屬函數的形狀和分布由四個參數表示，一般可描述為： （）????????dxcdbax若若 若1)(?分布曲線見圖 。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁圖 梯形分布（3）模糊關系以集合 A 和 B 的直積 為論域的一個模糊子集 R 稱為集合 A??ByAx???,到 B 的模糊關系，也稱為二元模糊關系。當論域為 n 個集合的直積 時，n??21稱 R 為 n 元模糊關系。模糊關系是模糊運算、模糊函數等的基礎。 （4）模糊邏輯 研究模糊命題的邏輯稱為模糊邏輯，模糊邏輯的真值在[0，1]之間連續(xù)取值。 （5）模糊邏輯函數 如果： 取值區(qū)間為 [0，1]，則稱 為模糊變量，模糊變量的集合為 ，ixxi ??nx?,21則映射 ： 定義為模糊邏輯函數，記為 它是由變量 及f]1,0[],[?n ),(21nxf? 0i取有限次析取 、合取 、非運算及括號組成。?? （6）模糊語言變量 模糊語言變量是一個取值為模糊數的由語言詞來定義的變量。 （7）量化因子和比例因子 把模糊控制器的輸入變量偏差、偏差變化率的實際范圍及輸出變量的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。顯然，基本論域內的量為精確量。為了進行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊集的論域，從而引入量化因子 ，eK。每次采樣經模糊控制算法給出的控制量（模糊量）還不能直接控制對象，必須將ecK其轉換為控制對象所能接受的基本論域中去，從而引入比例因子 。設偏差 e 的基本u論域 ，對應的論域為離散論域 或連續(xù)論域 ，則],[ex???nn,1,0)(,???? ],[n?量化因子 為： （）eexK/?同理若選擇相同的論域范圍，則遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 （）ececxnK/?比例因子 （）u/ 模糊控制的基本理論 從圖 可以看出，模糊控制器主要由四個基本部分組成，即模糊化、知識庫、模糊推理、清晰化。 （1）模糊化 所謂模糊化，就是把輸入 E 和 EC 根據輸入變量模糊子集的隸屬度函數找出所定義的各個語言值的隸屬度的過程，從而把精確量輸入“模糊化” 成不同的語言值，實現模糊控制的第一步。此外，為了按照一定的語言規(guī)則進行模糊推理，還要事先確定輸出量的隸屬函數。 模糊化模塊的作用是將一個精確的輸入變量通過定義在其論域上的隸屬度函數計算出其屬于各模糊集合的隸屬度，從而將其轉化成為一個模糊變量。以偏差 e 為例，假設其模糊論域上定義了{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} 七個模糊集合，為便于工程實施，實際應用中通常采用三角形或者梯形隸屬度函數。圖 等分三角形隸屬度函數 圖 給出了隸屬度函數為等分三角形時的情況。對于任意的輸入變量，可以通過上面定義的隸屬度函數計算出其屬于這七個模糊集合的隸屬度。 （2）知識庫 知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標，它通常由數據庫和控制規(guī)則庫兩部分組成。 ①數據庫中包含了與模糊控制規(guī)則及模糊數據處理有關的各種參數，其中包括尺遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁度變換參數、模糊空間分割和隸屬度函數的選擇等。數據庫提供所有必要的定義。所有輸入、輸出變量所對應的論域，以及這些論域上所定義的規(guī)則庫中所使用的全部模糊子集的定義，都存放在數據庫中。在模糊控制器推理過程中，數據庫向推理機提供必要的數據。在模糊化接口和清晰化接口進行模糊化和清晰化時，數據庫也向它們提供相應論域的必要數據。 模糊控制規(guī)則中前提的語言變量構成模糊輸入空間，結論的語言變量構成模糊輸出空間。每個語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構成了語言名稱的集合。模糊分割是要確定對于每個語言變量取值的模糊語言名稱的個數，模糊分割的個數決定了模糊控制精細化的程度。在實際應用中，相應輸入、輸出論域的模糊子集常用有標識性的符號標記，如 NB（負大） 、NM（負中） 、NS（負?。?、NO（負零） 、ZO（零） 、PO（正零） 、PS （正?。?、PM（正中） 、PB （正大）等來表示。表 模糊控制規(guī)則表ECUNB NM NS ZO PS PM PBNB PB PB PB PB PM PM ZONM PB PB PB PB PM PM ZONS PM PM PM PM ZO ZO NSZO PM PM PS ZO NS NS NMPS PS PS ZO NM NM NM NMPM ZO PS NM NB NB NB NBEPB ZO ZO NM NB NB NB NB表 是一個典型的模糊控制規(guī)則表，它表示了 49（即 7X7）條模糊條件語句。模糊分割的個數也決定了最大可能的模糊規(guī)則個數。模糊分割數越多，控制規(guī)則數也越多，所以模糊分割不可太細，否則需要確定太多的控制性能進行精心的調整。若希望系統在要求的范圍內都能實現很好的控制，在選擇某一模糊變量的各個模糊子集時必須使它們在論域上合理分布，能較好地覆蓋整個論域。通常，當論域中的元素總數為模糊子集總數的 23 倍時，模糊子集對論域的覆蓋程度較好。目前尚沒有一個確定模糊分割數的指導性的方法和步驟，它仍主要依靠經驗和試湊。 ②規(guī)則庫存放模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則是基于手動操作人員長期積累的控制經驗和領域專家的有關知識，它是對被控對象進行控制的一個知識模型。這個模型建遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁立的是否準確，將決定模糊控制器性能的好壞。正如前面所說，模糊控制是模仿人的一種控制方法。在模糊控制中，通過一組語言描述的規(guī)則來表示專家的知識，專家知識通常具有如下的形式： IF（滿足一組條件）THEN（可以推出一組結論） 在 IFTHEN 規(guī)則中的前提和結論均是模糊的概念，常常稱這樣的 IFTHEN 規(guī)則為模糊條件句。因此在模糊控制中，模糊控制規(guī)則也就是模糊條件句。模