【文章內容簡介】 數學》。隨著模糊理論及其技術的發(fā)展，該刊在1987年改名為《模糊系統與數學》。目前我國已成為模糊數學研究的四大力量之一(美國、西歐、日本及中國)，也是世界_L模糊控制技術研究的領先者之一:在模糊數學理論方面的研究成果已引起國際模糊界的特別關注和重視，模糊技術的應用研究也在穩(wěn)步地發(fā)展。1979年、李寶緩、劉志俊等人用連續(xù)數字仿真方法研究了典型模糊控制器的性能。1988年3月由北京師范大學汪培莊教授及其博上生張洪敏等研制成功的“模糊推理機分離元件樣機”成功地實現了控制倒擺實驗。1984年李太航和沈祖良推出了語義推理的自學習算法。1987年，張洪敏和張志明研制成功我國第一臺模糊推理機。1993年汪培莊的博士生劉增良先后參加國家自然科學基金重大項f]“模糊信息處理與機器智能”等，并提出“因素神經網絡理淪( FNN)_，在此基礎上開發(fā)完成的“模糊控制i卜算機系統”和“基于F39。NN的學習型模糊推理控制機”等一系列成果都達到了世界先進水平。玻璃拉管線模糊控制器、電冰箱模糊控制器、可編程模糊控制器f3FFC898系列產品、水泥廠礦石破碎機的模糊控制系統都已形成產品并投人運行，近年來，我國也推出廠電烤箱、電烤柜模糊控制器、模糊控制燃氣快速熱水器、模糊控制自動恒溫器、燈光恒照度模糊控制器、模糊全白動洗衣機和模糊電飯鍋等產品，標志著我國模糊技術的應用研究也有了長足的進步。毫無疑同，十幾年來，我國在模糊邏輯控制的研究和應用開發(fā)上已達到了一定的規(guī)模，形成了高新技術領域的研究熱點技術。 目前，模糊控制技術日趨成熟和完善。各種模糊產品充滿西方國家的市場，如模糊洗衣機、模糊吸塵器和模糊攝像機等等，模糊技術幾乎變得無所不能，各國都爭先開發(fā)模糊新技術和新產品。多年來一直未解決的穩(wěn)定性分析問題正在逐步解決。模糊芯片也已研制成功且功能不斷加強，成本不斷下降。直接采用模糊芯片開發(fā)產品己成為趨勢。模糊開發(fā)軟件包也充滿市場。模糊控制技術除了在硬件、軟件上繼續(xù)發(fā)展外，將在自適應模糊控制、混合模糊控制以及神經模糊控制上取得較大發(fā)展。隨著其它學科新理論、新技術的建立和發(fā)展，模糊理論的應用更加廣泛。 模糊控制作為一項正在發(fā)展的新技術，目前在大多數專家還把主要精力放在應用系統研究上，并取得了相當的成果，但在理論研究和系統分析上還是相對落后的，以至于一些學者質疑其理論依據和有效性。鑒于此可以明確得知：模糊控制理論和實踐的結合仍有待于進一步探索。在近四十年的發(fā)展進程中，模糊控制也有一些局限性： 精度不太高；(2)自適應能力有限；(3)易產生振蕩現象。 模糊控制理論是控制理論領域中很有發(fā)展前途的一個分支，鑒于它所具有的一系列傳統控制無法比擬的優(yōu)點、國外專家預言，這將是下一代工廠自動化的基礎，并稱之為21世紀的技術。工廠自動化設備的主要生產廠家美國奧姆倫電子公司的副總經理弗蘭克紐伯恩說:“就工廠而言，模糊邏輯可以幫助那些用常規(guī)技術無法實現白動化的任務實現自動化，而且使機器和操作人員之間形成一種新型伙伴關系。” 迄今為止，模糊控制技術已對我國的工業(yè)、信息產業(yè)、交通等眾多領域產生了重要影響，特別是模糊家電產品的出現更是普及了大眾對模糊控制技術的認識。但應該指出:目前模糊控制技術尚處于發(fā)展的初步階段，還存在大量有待解決的問題:.至今它還沒有完善的系統分析手段，而民決定模糊控制系統品質優(yōu)劣的因素—模糊控制規(guī)則的獲取以及輸人模糊變量論域和隸屬函數的確定還都是實驗分析和操作人員經驗的匯總，受人為主觀因素影響較大。當然，模糊控制無論在理論上和實用上都是一門“年輕”的科學。正處于不斷發(fā)展和完善的進程之中。不像經典控制理論和現代控制理論皆已形成了較完善的理論體系。同時，也許也正因為它的不完善和正在發(fā)展，顯示了它有很大的發(fā)展?jié)摿颓巴尽Ｄ?錄第一章 緒論10 課題研究的背景及學術意義10 經典PID控制系統的分類與簡介10 模糊邏輯與模糊控制的概念12 模糊控制技術的應用概況13 本文的研究目的和內容14第二章 PID控制15 PID的算法和參數15 PID參數對系統控制性能的影響18 PID控制器的選擇與PID參數整定19第三章 模糊控制器及其設計20 模糊控制器的基本結構與工作原理20 模糊控制器各部分組成20 模糊控制器的隸屬函數24 模糊PID控制器的工作原理27第四章 模糊PID控制器的設計28 模糊PID控制器組織結構和算法的確定28 模糊PID控制器模糊部分設計28第五章 模糊PID控制器的MATLAB仿真34 模糊控制部分的fuzzy inference system仿真34 對模糊控制器的SIMULINK建模36 PID部分的SIMULINK建模37 模糊PID控制器的SIMULINK建模38 利用子系統對控制系統進行SIMULINK建模38 控制系統的SIMULINK仿真研究39第六章 總結與展望43參考文獻44無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院畢業(yè)設計說明書第一章 緒論 課題研究的背景及學術意義隨著越來越多的新型自動控制應用于實踐，其控制理論的發(fā)展也經歷了經典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機。自動控制系統可分為開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。一個控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋涍^輸出接口、執(zhí)行機構加到被控系統上；控制系統的被控量，經過傳感器、變送器通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統，傳感器、 變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統要采用壓力傳感器；電加熱控制系統要采用溫度傳感器[1]。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用。比如，工業(yè)生產過程中，對于生產裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產工藝的要求。PID控制器可以根據PID控制原理對整個控制系統進行偏差調節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。經典PID控制的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它因結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一，現今也在很多領域有應用。尤其是當被控對象的結構和參數不能完全掌握或得不到精確的數學模型，控制理論的其它技術難以采用，系統控制器的結構和參數又必須依靠經驗和現場調試來確定時，應用PID控制技術最為方便。根據統計數據：全世界過程控制領域使用的控制器84%仍是純PID調節(jié)器，若改進型包含在內則超過90%。 經典PID控制系統的分類與簡介 P控制這類控制輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，輸入偏差越大輸出越大。單純的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負荷變化小，要求不高，允許有一定剩余誤差存在的場合。在工業(yè)生產中，比例控制規(guī)律使用較為普遍，它是控制規(guī)律中最基本的、應用最普遍的一種，其最大優(yōu)點就是控制及時、迅速。只要有偏差產生，控制器立即產生控制作用。但是不能最終消除剩余誤差的缺點限制了它的單獨使用。 PI控制克服剩余誤差的辦法是在比例控制的基礎上加上積分控制。積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。它的輸出不僅與輸入偏差的大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會不斷累積，一直到偏差為零，累積才會停止。所以，積分控制可以消除剩余誤差。 PD控制當被控對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發(fā)生變化，而是有一個時間上的延遲。因此要引入比例、微分作用，即PD控制。它比單純的比例作用更快。尤其是對容量滯后大的對象，可以減小偏差的幅度，節(jié)省控制時間，顯著改善控制質量。 比例積分微分（PID）控制最為理想的控制當屬比例積分微分控制。它集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除剩余誤差能力，還有微分作用的超前控制功能。當偏差擾動出現時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使振蕩幅度減小。由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，積分作用可以慢慢把剩余誤差克服掉，因此可使系統比較穩(wěn)定；只要三個作用的控制參數選擇得當，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。然而伴隨著新的控制系統的不斷涌現，PID控制策略在控制非線性、時變、強耦合及參數和結構不確定的復雜過程時，控制效果不理想。因此，它的應用受到了很大程度上的限制。 模糊邏輯與模糊控制的概念 模糊控制相關概念“模糊邏輯”的概念，其根本在于區(qū)分布爾邏輯或清晰邏輯，用來定義那些含混不清，無法量化或精確化的問題，對于馮?諾依曼開創(chuàng)的基于“真－假”推理機制，以及因此開創(chuàng)的電子電路和集成電路的布爾算法，模糊邏輯填補了特殊事物在取樣分析方面的空白。在模糊邏輯為基礎的模糊集合理論中，某特定事物具有特色集的隸屬度，他可以在“是”和“非”之間的范圍內取任何值。而模糊邏輯是合理的量化數學理論，是以數學基礎為根本去處理這些不確定、不精確的信息。模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個過程的控制算法。它是用模糊數學的知識模仿人腦的思維方式，根據模糊現象進行識別和判決，給出精確控制量，進而對被控對象進行控制的。對于參數精確已知的數學模型，我們可以用波特圖或奈克斯特圖來分析其過程以獲得精確的設計參數。而對一些復雜系統，如粒子反應，氣象預報等設備，建立一個合理而精確的數學模型是非常困難的。對于電力傳動中的變速矢量控制問題，盡管可以通過測量得知其模型，但由于其多變量且非線性變化的特點，精確控制也是非常困難的。模糊控制技術依據與操作者的實踐經驗和直觀推斷，也依靠設計人員和研發(fā)人員的經驗和知識積累。它無需建立設備模型，因此基本上是自適應的，具有很強的魯棒性。歷經多年發(fā)展，已有許多成功應用模糊控制理論的案例，如Rutherford、Carter應用于冶金爐和熱交換器的控制裝置。 模糊控制的優(yōu)點對比常規(guī)控制辦法，模糊控制有以下幾點優(yōu)勢：（1）模糊控制完全是在操作人員經驗控制基礎上實現對系統的控制，無需建立數學模型，是解決不確定系統的一種有效途徑。（2）模糊控制具有較強的魯棒性，被控對象參數的變化對模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時變、時滯的系統，并能獲得優(yōu)良的控制效果。（3）由離散計算得到控制查詢表，提高了控制系統的實時性、快速性。（4）控制的機理符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，是人工智能的再現，屬于智能控制。 模糊控制技術的應用概況國內在模糊控制方面也同樣取得了顯著成果。1986年，都志杰等人用單片機研制了工業(yè)用模糊控制器。隨后，何鋼、能秋思、劉浪舟等人相繼將模糊控制方法成功地應用在堿熔釜反應溫度、玻璃窯爐等控制系統中。在社會生活領域中，體現在模糊控制技術在家電中的應用，所謂模糊家電，就是根據人的經驗，在電腦或者芯片的控制下實現可模仿人的思維進行操作的家用電器。幾種典型的模糊家電產品如下：⑴ 模糊電視機這類電視機可根據室內光線的強弱調整電視機的亮度，根據人與電視機的距離自動調整音量，同時能夠自動調節(jié)電視機的色度、清晰度和對比度。⑵ 模糊空調器模糊空調器可以靈敏地控制室內的溫度。日本研制了一種模糊空調器，利用紅外線