【文章內(nèi)容簡介】 糊控制 傳統(tǒng)控制 啟發(fā)式規(guī)則和人類經(jīng)驗，控制器是為規(guī)則和人類經(jīng)驗面設(shè)計的。 線性和非線性等經(jīng)典數(shù)學(xué)模型能用微分方程等進(jìn)行分析，控制器是為數(shù)學(xué)模型設(shè)計的。 用于分析所設(shè)計的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具相似，因為它們研究的是同一類系統(tǒng)的相同 高級模糊控制器是模糊控制器和傳統(tǒng)控制器的組合 6 問題（穩(wěn)定性、收斂性）。 模糊控制目前存在的主要問題 [4]： ① 在非線性復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用中的模糊建模、模糊規(guī)則的建立和模糊推理算法的深入研究 。 ② 由于復(fù)雜模糊規(guī)則的相互作用，使得到的合成推算法具有相當(dāng)程度的非線性性能，致使模糊控制效果不夠理想 。 ③ 模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論探討 。 ④ 糊控制策略和智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn) 。 ⑤ 簡單 、實用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制裝置、通用模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)和推廣應(yīng)用 。 模糊控制系統(tǒng)研究計劃如下表 。 表 模糊工程課題覆蓋表 模 糊 系 統(tǒng) 研 究 計 劃 模糊理論與基本技術(shù) 模糊邏輯 模糊推理算法 模糊計算機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù) 如：編程語言與體系結(jié)構(gòu)、模擬模糊存儲器等 人類功能實現(xiàn)與人機(jī)界面 模糊控制技術(shù) 高速不穩(wěn)定系統(tǒng)智能控制 未知結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的智能控制 識別技術(shù) 實現(xiàn)圖象理解 手寫文字識別 感覺信息處理過程的模型化 人機(jī)界技術(shù) 人類智能信息處理過程及自然現(xiàn)象與社會現(xiàn)象剖析 智能信息處理技術(shù) 如智能評價系統(tǒng)檢索技術(shù) 人類行為和社會現(xiàn)象的解釋 大系統(tǒng)可靠性評價 面向經(jīng)營與社 會問題的模糊 方法論與模糊系統(tǒng)開發(fā) 自然現(xiàn)象的解釋 地震預(yù)測技術(shù) 大氣污染寬域預(yù)測 植物生長模型 7 最后我們將引 模糊控制發(fā)展現(xiàn)狀部分 的結(jié)束語 。 這位著名的教授在接受 1989年日本本田發(fā)獎儀式上對模糊理論及應(yīng)用作了如下的概括與展望 :“我認(rèn)為模糊理論今后將在兩個領(lǐng)域取得較大進(jìn)展，一是熟練技術(shù)者替代系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將人無意識進(jìn)行的操作由機(jī)器替代，如日本仙臺市營地鐵的自動駕駛系統(tǒng) ； 另一是替代專家的專家系統(tǒng)，象山一 證券 公司的股票交易系統(tǒng)以及醫(yī)療診斷系統(tǒng) 。 為使專家頭腦中所進(jìn)行的思考與決策能實現(xiàn)自動化，模糊理論將起重要作用 。 當(dāng)然，模糊理論并不能解決所有問題，但是只要不回避現(xiàn)實中不確 定事物并加以認(rèn)真對待，就有可能大大提高在不確定 (模糊 )環(huán)境中進(jìn)行智慧思考與決策的人及機(jī)器的能力 [5]。” 電阻爐控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 電阻爐是實驗室、工礦企業(yè)、科研等單位作為化學(xué)分析、物理測定及熱電偶檢定等的加熱設(shè)備精確可靠地測量和控制電阻爐的溫度 ， 是保證試驗順利進(jìn)行的必要條件 。 在機(jī)械行業(yè)，廣泛使用電阻爐對機(jī)械零件或材料進(jìn)行熱處理，以增加零部件的硬度和耐磨性。這種電阻爐的爐膛通常有 多組電熱體構(gòu)成，當(dāng)通以電流時，爐溫上升，加熱工件，直到爐溫達(dá)到要求的溫度值。之后，爐子處于保溫狀態(tài)，以使碳、氮等化學(xué)元素能均勻滲入工件內(nèi)部。由于不同的工件所需的處理溫度不同，因此，電阻爐的加熱溫度常 需要 在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 電阻爐溫度控制技術(shù)的發(fā)展日新月異。從模擬 PID到最 優(yōu) 控制、自適應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到改善。當(dāng)前，電阻爐溫度控制的主要問題是：由于電阻爐是一個特性參數(shù)隨爐溫變化而變化的被控對象，爐溫控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后 和 時變性的特點。 模糊控制是一種新的控制方法，它 的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、理論基礎(chǔ)、實現(xiàn)方法都和傳統(tǒng)的控制方法有很大的區(qū)別。 把模糊數(shù)學(xué)理論用于自動控制領(lǐng)域而產(chǎn)生的控制方法稱為模糊控制。模糊控制的誕生是和社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要分不開的。傳統(tǒng)控制方法在執(zhí)行控制時，往往需要取得對象的數(shù)學(xué)模型，而在實際中，很多被控對象的數(shù)學(xué)模型是難于求取或者無法求取的，特別是那些時變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，往往根本無法取得精確的數(shù)學(xué)模型。在生產(chǎn)實踐中，人們發(fā)現(xiàn)有經(jīng)驗的操作人員雖然不懂被控對象的數(shù)學(xué)模型，但卻能十分有效地對系統(tǒng)執(zhí)行控制。正如一個汽車司機(jī)，不懂汽車的數(shù)學(xué)模型而能很好的駕駛汽車一 樣。這是因為操作人員對系統(tǒng)的控制是建立在直觀的經(jīng)驗上 8 的，憑借在實際中取得的經(jīng)驗采取相應(yīng)的決策就可以很好的完成控制工作 。 模糊控制的優(yōu)點是能夠得到較好的動態(tài)響應(yīng)特性 ， 并且無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型 ， 適應(yīng)性強 ， 魯棒性好。但模糊控制也存在固有的缺點 ， 容易受模糊規(guī)則有限等級的限制而引起誤差。 課題的研究意義 模糊控制是由控制理論與模糊集合理論相互結(jié)合發(fā)展起來的一種新型控制技術(shù)。由于它能夠利用熟練運行人員的操作經(jīng)驗或領(lǐng)域?qū)＜抑R ， 解決比較復(fù)雜對象的控制問題而引起了控制界的廣泛興趣 ， 并得到了快速的發(fā)展。 模糊控制是領(lǐng)先將 模糊理論實用化的一個領(lǐng)域，其控制方法在于充分發(fā)揮人們的操作表現(xiàn)、信息 和 行動等模糊的優(yōu)點，進(jìn)行靈活控制。為此，運用模糊理論將模糊輸入的內(nèi)容模型化，并由計算機(jī)執(zhí)行。 為獲得較高的控溫精度，電阻爐的溫度調(diào)節(jié)常采用閉環(huán)控制，利用傳感器對爐溫進(jìn)行檢測，并將反饋量輸入控制器與設(shè)定值比較，差值經(jīng) 模糊規(guī)則 運算產(chǎn)生控制信號，再通過觸發(fā)電路對功率器件進(jìn)行控制，以改變主電路的輸出功率，從而實現(xiàn)爐溫的自動調(diào)節(jié)。在數(shù)字控制技術(shù)用于工業(yè)設(shè)備以來，出現(xiàn)了性能較好的數(shù)字式控溫器件，許多控制功能可通過軟件編程實現(xiàn)，于是溫度調(diào)節(jié)精度和可靠性大 大提高。 本次課題的 整體結(jié)構(gòu) 本文共分為四章，概括內(nèi)容如下： 第一章緒論部分，介紹模糊控制及電阻爐控制系統(tǒng)的國內(nèi)外技術(shù)水平現(xiàn)狀，闡述了課題研究的實際意義，本文的主要工作和整體結(jié)構(gòu)。 第 二 章是系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)與設(shè)計方案 第 三 章模糊控制模糊控制器設(shè)計，介紹了模糊控制系統(tǒng)的組成，原理及特點，模糊控制器的組成和原理，規(guī)則 自整定 模糊控制原理在電阻爐溫度控制中的應(yīng)用。 第四章是電阻爐爐溫控制系統(tǒng) MATLAB建模仿真 ， 通過仿真結(jié)果， 驗證了 模糊控制器的性能。 最后是本課題的總結(jié)和對以后研究工作的建議。 9 2 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)與設(shè)計 控制系統(tǒng)性能指標(biāo) 以電阻爐為被控對象。加熱設(shè)備由三相交流調(diào)壓供電裝置，輸入信號為 0~5V，輸出相電壓為 0~220V，輸出最大功率為 180KW，參看電加熱裝置示意圖 ，且已知當(dāng)控制信號 u(t)=5V時，爐膛最高可待 625℃。 圖 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)： 1. 溫度調(diào)節(jié)范圍： 100~500℃； 2. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零 控制方案的確定 該系統(tǒng)的被控對象為電阻爐，通過改變熱電阻上的電壓調(diào)節(jié)爐膛溫度。圖 中從控制信號 u(t)到爐膛溫度 c(t)可以看做廣義被控對象。當(dāng)控制信號 u(t)=5V時，爐膛溫度最高可達(dá)到 625℃，如圖 所示。被控對象具有慣性特性，當(dāng)然可以采用傳統(tǒng)的 PID 控制設(shè)計。但是，這里不寫出被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而是設(shè)計模糊控制系統(tǒng)，通過與 PID控制相對比，說明模糊控制的優(yōu)點。 圖 由于系統(tǒng)為無靜差控制系統(tǒng)，被控對象具有慣性特征，為達(dá)到設(shè)計要求 因而采用二維模糊控制 PID控制器，如圖 所示。系統(tǒng)采用二維模糊控制器與積分算法 10 相結(jié)合的形式實現(xiàn)模糊 PID控制器。首先 對該控制方案進(jìn)行分析，明確器控制特點。由圖 )()()()( 11 kTeKKkTuKTkTukTu ieu ????? （ ） 式中， T 為采樣周期； uK 為模糊控制器輸出增益系數(shù)； iK 為積分系數(shù)。 由式 可知，控制變量 1u (kT)由三部分組成：第一部分是上一采樣時刻的控制量 )(1 TkTu ? ，第二部分是由模糊控制器提供的增量輸出 )(kTuKu? ，第三部分是)(kTeKK ie 。 對式 兩邊取 Z 變換 )()()()( 111 zEKKzUKzUzzU ieu ???? ? )(1zU = )(1 1)(1 1 11 zEKKzzUKz ieu ?? ???? ( ) 在 Z 域中，111??z具有累加和的性質(zhì)相當(dāng)于連續(xù)域中的積分。由式 可知控制變量 )(1kTu 是對以下兩項的積分的結(jié)果：第一項是模糊控制器提供的增量輸)(kTuKu? ，第二項是 )(kTeKK ie 。如果只有第一項，根據(jù)模糊控制器的性質(zhì)，當(dāng))(kTu? =0 時，其系統(tǒng)偏差 )(kTe 不一定為零，此時控制變量 1u (kT)保持不變，其結(jié)果不能消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。第二項時 1u (kT)對 )(kTeKK ie 的積分，理論上只有)(kTe =0， 1u (kT)才能停止變化，系統(tǒng)達(dá)到無靜差控制。 圖 11 3 模糊控制系統(tǒng)概述 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制有較強的適應(yīng)對象參數(shù)變化的能力，與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制的主要優(yōu)點在于在設(shè)計系統(tǒng)時不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而只需要已有的相關(guān)知識和經(jīng)驗即可。因此，模糊控制特別適用于數(shù)學(xué)模型未知或不易于建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜、非線性系統(tǒng)的控制。模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入 /輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象和測量裝置等五個部分組成。 圖 模糊控制系統(tǒng)組成框圖 （ 1） 被控對象 被控對象可以是線性的或非線性的 ， 確定的或模糊的，有滯后或無滯后的，定常的或時變等多種情況。對于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更適宜采用模糊控制。 （ 2） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 有電氣的，如各類交、直流電動機(jī)，伺服電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)等，還有氣動的和液壓的，如各類氣動調(diào)節(jié)閥和液壓馬達(dá)、液壓閥等。 （ 3） 模糊控制器 控制器是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分，在模糊控制理論中，采用基于模糊知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動控制系統(tǒng)的特點所在。 （ 4） 輸入 /輸出（ I/O）接口 模糊控制器 A/D 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 測量裝置 給定輸入 被控制量 被控對象 D /A 12 在實際系統(tǒng)中，由于多數(shù)被控對象的控制量及其可觀測狀態(tài)量是模擬量，因此，模糊控制系統(tǒng)必須具有模 /數(shù)（ A/D）、數(shù) /模（ D/A）轉(zhuǎn)換單元，同時在模糊控制系統(tǒng)中，還應(yīng)該有適用于模糊邏輯處理的“模糊化”與“解模糊化”（或稱“非模糊化”）環(huán)節(jié)，這部分通常也被