【文章內(nèi)容簡介】 識工程為指導(dǎo)的、具有思維能力和學(xué)習(xí)、自適應(yīng)調(diào)整及自組織功能的先進控制思想和策略。智能控制系統(tǒng)研究內(nèi)容主要包含：模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制系統(tǒng)。隨著模糊理論的成熟，模糊控制技術(shù)和PID控制技術(shù)結(jié)合在一起的研究，成了這個領(lǐng)域的研究熱點。目前多數(shù)模糊控制器都是模糊PID型的，各種研究表明，模糊控制理論與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)合取得了良好的效果。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器、專家PID控制器、基于遺傳算法的PID控制器都是研究的熱點[19]。 PID控制PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，被廣泛用于工業(yè)過程控制，至今大概有90%左右的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。在連續(xù)―時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因為計算機程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法[20]。 PID控制概述PID控制器也就是比例、積分、微分控制器，是一種最基本的控制方式，它是復(fù)雜調(diào)節(jié)和計算機直接數(shù)字控制的基礎(chǔ)。[20]。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 (41)從而針對控制偏差進行比例、積分、微分調(diào)節(jié)的一種方法，其連續(xù)形式為: （42）其中e(t)=r(t)c(t)為系統(tǒng)偏差，Kp、TI、TD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。，我們不妨簡單分析一下PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用：① 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。控制作用強弱取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大，則過渡過程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越小；但Kp越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致動態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。故而，比例系數(shù)Kp選擇必須適當，才能取得過渡時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。② 積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，控制偏差量將處在一很小的范圍內(nèi)。從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量以消除靜差?？梢姡e分部分的作用可以消除系統(tǒng)的靜差。可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時間TI對積分部分的作用影響極大。當TI較大時，則積分作用較弱，這時，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除靜差所需的時間較長。當TI較小時，則積分作用較強，這時系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需的時間較短。③ 微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度，微分控制能敏感出偏差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強弱由微分時間TD決定。TD越大，則它抑制e(t)變化的作用越強，TD越小，它反抗e(t)變化的作用越弱，它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。 PID參數(shù)整定PID控制中最核心的問題，就是控制器比例系數(shù)、積分時間和微分時間的整定。整定的好壞直接影響控制質(zhì)量，而且還會影響到控制器的魯棒性。在PID控制發(fā)展的過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過很多實用的PID參數(shù)整定方法[21]，主要方法有以下幾種：(1) ZeglerNiehols設(shè)定方法；(2) ISTE最優(yōu)設(shè)定方法；(3) 衰減曲線法等；(4) 基于增益優(yōu)化的整定法；(5) 基于總和時間常數(shù)的整定法；(6) 基于交叉兩點法的PID參數(shù)整定規(guī)則；這些方法大多需要提前獲取對象特征參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗公式進行計算，適用于手工離線整定，過程復(fù)雜，效率較低，難以達到最佳的控制效果。由于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在為數(shù)眾多的不確定性，這些不確定性造成模型參數(shù)的變化難以預(yù)測，某些情況甚至能夠?qū)е履Ｐ徒Y(jié)構(gòu)突變，這使得按照傳統(tǒng)的整定方法得到的整定參數(shù)無法保證系統(tǒng)一直保持良好的工作狀態(tài)，這時就要求PID控制器具有在線修正參數(shù)的功能。從PID控制得到廣泛使用以來，這一問題始終是人們關(guān)注的重點之一。初始PID參數(shù)的確定使用穩(wěn)定邊界法，又叫臨界靈敏度法。這是一種閉環(huán)的整定方法。它基于純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)，即臨界比例增益Kps和臨界振蕩周期Ts利用一些經(jīng)驗公式，求取調(diào)節(jié)器最佳數(shù)值。具體步驟如下：1. 置調(diào)節(jié)器積分時間TI到最大值(TI=∞)，微分時間為零(TD=0)，比例增益置較小值，使控制系統(tǒng)投入運行；2. 待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，逐漸增大比例增益，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即所謂的臨界振蕩過程。記下此時的臨界比例增益Kps，并計算兩個波峰的時間Ts；3. 利用Kps和Ts的值，按下式計算Kp、TI 、TD。, ， （43）PID控制中一個至關(guān)重要的問題，就是控制器三參數(shù)(比例系數(shù)KP、積分時間TI、微分時間TD)的整定?，F(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著名目繁多的不確定性，這些不確定性能造成模型參數(shù)變化甚至模型結(jié)構(gòu)突變，使得原整定參數(shù)無法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作，這時就要求PID控制器具有在線修正參數(shù)的功能，這是自從使用PID控制以來人們始終關(guān)注的重要問題之一。所以，我們對除氧器溫度控制采用模糊—PID復(fù)合控制，用模糊控制對大的干擾進行控制，使被控過程穩(wěn)定在已整定好的PID參數(shù)范圍內(nèi)。 模糊控制模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，這就是它與其它自動控制系統(tǒng)的不同之處。因此，模糊控制系統(tǒng)無疑也是一種智能控制系統(tǒng)[22] [23]。 模糊控制系統(tǒng)概況隨著社會及科技的發(fā)展，現(xiàn)代工程實踐對系統(tǒng)的控制要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的控制理論已無法滿足其中的要求，于是就產(chǎn)生了許多新的控制思想及理論。尤其是20世紀60年代出現(xiàn)的最優(yōu)控制理論，成功地應(yīng)用到了航空航天領(lǐng)域的控制系統(tǒng)中。然而，不幸的是，現(xiàn)代工業(yè)過程因其無法得到系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型(且模型常常因外界環(huán)境的變化而改變)而無法使用最優(yōu)控制理論來進行系統(tǒng)設(shè)計。隨著研究系統(tǒng)的復(fù)雜程度及不確定程度的逐步提高，一種新的系統(tǒng)方法模糊思想誕生了[24][25]。模糊控制作為智能控制中的一個子系統(tǒng)，它的發(fā)展和應(yīng)用是相當迅速的。，許多國家都投入了大量的研究人員對模糊理論和模糊控制進行研究。盡管模糊集理論的提出至今只有40年，卻得到了極大的發(fā)展，關(guān)于模糊理論和算法、模糊推理、工業(yè)控制應(yīng)用、模糊硬件與集成、以及穩(wěn)定性研究等方面的許多重要論文都極大地促進了模糊控制理論的應(yīng)用與發(fā)展。最近幾年，對于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善，模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)(或規(guī)則)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究，尤其受到各國學(xué)者的重視。計算機技術(shù)的發(fā)展極大地推動了工業(yè)控制系統(tǒng)的進步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。當代模糊控制的趨勢可向以下幾個方面發(fā)展：1 硬件——模糊邏輯芯片和模糊計算機的研制；⑵ 高度智能化模糊控制理論與應(yīng)用研究[22] 。 模糊控制的基本思想在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，都需要了解被控制對象的數(shù)學(xué)模型。但是對于一些生產(chǎn)過程，既要獲得有足夠的精確性，又要便于系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)模型是相當困難的。這就使得現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用受到了限制。然而，一個熟練的操作人員卻能夠?qū)ο到y(tǒng)中的各種參量，如溫度、壓力、以致顏色、氣味等，做出響應(yīng)和判斷，最終獲得最好的人工控制效果。這種控制方式并不依賴于數(shù)學(xué)模型，僅依賴于人的經(jīng)驗積累、感覺和邏輯判斷。由此得到啟發(fā)，將由腦中的經(jīng)驗加以總結(jié)，把憑經(jīng)驗所采取的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，進而構(gòu)建一個控制器去代替人對復(fù)雜的生產(chǎn)過程進行控制，這種控制就是模糊控制。扎德提出的模糊思想及其向控制領(lǐng)域的滲透，在理論上和實踐上為控制理論開辟了新的發(fā)展方向，提供了新的系統(tǒng)設(shè)計方法，即模糊控制方法。在生產(chǎn)或生活實踐中，人們可以采用手動控制方式來達到控制某一對象運動狀態(tài)的目的。例如電廠在控制除氧器時，操作人員通過儀表觀察到除氧器的溫度、壓力和水位發(fā)生變化，根據(jù)他們所積累的知識和操作經(jīng)驗，做出決策，并采取相應(yīng)的控制動作，適當調(diào)整除氧器的溫度、壓力和水位，若除氧器的溫度、壓力或水位“偏高”、“偏低”，就要調(diào)整系統(tǒng)的蒸汽流量，使除氧器的溫度、壓力和水位始終控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，這里操作人員對除氧器的控制采用的就是模糊控制的方法，其中包含了人的智能行為，依靠的是定性或模糊的知識，這里顯然并不是按照某種控制算法加以精確的計算，而且人也不可能有這樣的記憶和計算能力，在極短的時間內(nèi)完成較為復(fù)雜的計算，這種控制包含有人的經(jīng)驗和知識，把這種經(jīng)驗和知識用語言描述出來，以構(gòu)成一組用語言表達的定性決策規(guī)則，然后利用模糊集合作為工具使其量化，通過這種量化的物理過程設(shè)計出一種控制器，用形式化的人的經(jīng)驗法則模仿人的控制策略，在這個過程中Zadeh提出了模糊集合論這種數(shù)學(xué)工具，用這種方法可以把人的經(jīng)驗形式化并引入控制過程，再運用比較嚴密的數(shù)學(xué)處理過程，實現(xiàn)模糊推理進行判斷決策，以達到令人滿意的控制效果，這樣就形成模糊控制器[26][27]。 模糊控制特點模糊控制理論誕生后，由于它具有明顯的優(yōu)點，主要反映在對復(fù)雜的、機理不明的控制系統(tǒng)，它模仿和升華了人的控制經(jīng)驗與策略，因此與經(jīng)典的控制方法比較更有工程意義。它具有以下特點:⑴ 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。⑵ 由對工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。⑶ 基于模糊的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導(dǎo)致較大差異，但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。⑷ 模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。⑸ 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。因此，模糊控制被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、煤炭生產(chǎn)過程、金屬冶煉、石油化工等方面，并取得了較為理想的效果。 模糊控制系統(tǒng)組成模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)[22][28]。其框圖如下圖 ：模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分：⑴ 模糊控制器，是模糊控制系統(tǒng)中的核心部分。由于被控對象的不同，以及對系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則各異?？梢詷?gòu)成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運算放大器加上阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的 PID 控制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的各種串聯(lián)、并聯(lián)校正器；在現(xiàn)代控制理論中，設(shè)計的有限狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)控制器、解耦控制器、魯棒控制器等。而在模糊理論中，則采用基于模糊控制知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動控制系統(tǒng)的特點所在。⑵ 輸入/輸出接口。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給執(zhí)行機構(gòu)。 ⑶ 執(zhí)行機構(gòu)：包括各交、直流電機，伺服電動機，步進電動機，電動調(diào)節(jié)閥和液壓電動機、液壓缸等。 ⑷ 被控對象。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其它各種的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。這些被控對象可以是確定的或模糊的、單變量的、有滯后或無滯后的，也可以是線性的或非線性的、定常的或時變的，以及具有強耦合和干擾等多種情況。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。 ⑸ 檢測變送裝置。它是將被控對象或各種過程的被控量轉(zhuǎn)換為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置。被控量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。檢測變送裝置在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇檢測變送裝置時，應(yīng)選擇精度高且穩(wěn)定性好的檢測變送裝置。 模糊控制的基本原理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(chǔ)的一種計算機智能控制，其基本原理如圖 所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線框中部分所示。模糊控制器的控制規(guī)則由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。微機通過采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到偏差信號e，再進行模糊化變成模糊量 E，將模糊量 E 用相應(yīng)的模糊語言表示。至此，得到偏差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(jù)推理合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量U為： (44) 式 44 中U表示模糊量。為了對被控對象施加精確的控制，還要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，（也稱為去模糊化或非模糊化處理）。得到精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，變?yōu)榫_的模擬量后送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進行控制。然后，進行下一次信號采樣，如此循環(huán)，從而實現(xiàn)了被控對象的模糊控制。模糊控制系統(tǒng)和常見的負反饋控制系統(tǒng)很相似，唯一不同之處是模糊控制裝置是由模糊控制器來實現(xiàn)，通常由下列幾個部分組成。⑴ 輸入量的模糊化。模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制器輸出的求解，模糊化的主要作用是將輸入量規(guī)范化后的確定量轉(zhuǎn)換成一個模糊矢量。⑵ 模糊數(shù)據(jù)庫。模糊數(shù)據(jù)庫用于存放各種帶不確定性的信息，如系統(tǒng)的