【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 識(shí)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(jìn)控制思想和策略。智能控制系統(tǒng)研究?jī)?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(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(diǎn)[19]。 PID控制PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，被廣泛用于工業(yè)過(guò)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(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)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?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問(wèn)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(jì)算機(jī)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(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 (41)從而針對(duì)控制偏差進(jìn)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(jiǎn)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(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)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(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大，則過(guò)渡過(guò)程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越?。坏獽p越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致動(dòng)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(dāng)，才能取得過(guò)渡時(shí)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(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會(huì)不斷地積累，輸出控制量以消除靜差?？梢?jiàn)，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的靜差?？墒欠e分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時(shí)間TI對(duì)積分部分的作用影響極大。當(dāng)TI較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過(guò)渡過(guò)程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除靜差所需的時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)TI較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中有可能產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需的時(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，微分控制能敏感出偏差的變化趨勢(shì)，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(qiáng)弱由微分時(shí)間TD決定。TD越大，則它抑制e(t)變化的作用越強(qiáng)，TD越小，它反抗e(t)變化的作用越弱，它對(duì)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(wèn)題，就是控制器比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的整定。整定的好壞直接影響控制質(zhì)量，而且還會(huì)影響到控制器的魯棒性。在PID控制發(fā)展的過(guò)程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)很多實(shí)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(shí)間常數(shù)的整定法；(6) 基于交叉兩點(diǎn)法的PID參數(shù)整定規(guī)則；這些方法大多需要提前獲取對(duì)象特征參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，適用于手工離線整定，過(guò)程復(fù)雜，效率較低，難以達(dá)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(cè)，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(wú)法保證系統(tǒng)一直保持良好的工作狀態(tài)，這時(shí)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(lái)，這一問(wèn)題始終是人們關(guān)注的重點(diǎn)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(yàn)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(yàn)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(shí)間TI到最大值(TI=∞)，微分時(shí)間為零(TD=0)，比例增益置較小值，使控制系統(tǒng)投入運(yùn)行；2. 待系統(tǒng)運(yùn)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(guò)程。記下此時(shí)的臨界比例增益Kps，并計(jì)算兩個(gè)波峰的時(shí)間Ts；3. 利用Kps和Ts的值，按下式計(jì)算Kp、TI 、TD。, ， （43）PID控制中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，就是控制器三參數(shù)(比例系數(shù)KP、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD)的整定。現(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(wú)法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作，這時(shí)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(lái)人們始終關(guān)注的重要問(wèn)題之一。所以，我們對(duì)除氧器溫度控制采用模糊—PID復(fù)合控制，用模糊控制對(duì)大的干擾進(jìn)行控制，使被控過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)的不同之處。因此，模糊控制系統(tǒng)無(wú)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(huì)及科技的發(fā)展，現(xiàn)代工程實(shí)踐對(duì)系統(tǒng)的控制要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的控制理論已無(wú)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(jì)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(guò)程因其無(wú)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(wú)法使用最優(yōu)控制理論來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(gè)子系統(tǒng)，它的發(fā)展和應(yīng)用是相當(dāng)迅速的。，許多國(guó)家都投入了大量的研究人員對(duì)模糊理論和模糊控制進(jìn)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(jìn)了模糊控制理論的應(yīng)用與發(fā)展。最近幾年，對(duì)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(duì)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(guó)學(xué)者的重視。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)控制系統(tǒng)的進(jìn)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(dāng)代模糊控制的趨勢(shì)可向以下幾個(gè)方面發(fā)展：1 硬件——模糊邏輯芯片和模糊計(jì)算機(jī)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(jì)中，都需要了解被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。但是對(duì)于一些生產(chǎn)過(guò)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(dāng)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(gè)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(yàn)積累、感覺(jué)和邏輯判斷。由此得到啟發(fā)，將由腦中的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，把憑經(jīng)驗(yàn)所采取的相應(yīng)措施總結(jié)成一條條控制規(guī)則，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)控制器去代替人對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)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(shí)踐上為控制理論開(kāi)辟了新的發(fā)展方向，提供了新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，即模糊控制方法。在生產(chǎn)或生活實(shí)踐中，人們可以采用手動(dòng)控制方式來(lái)達(dá)到控制某一對(duì)象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。例如電廠在控制除氧器時(shí)，操作人員通過(guò)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(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)，做出決策，并采取相應(yīng)的控制動(dòng)作，適當(dāng)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(duì)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(shí)，這里顯然并不是按照某種控制算法加以精確的計(jì)算，而且人也不可能有這樣的記憶和計(jì)算能力，在極短的時(shí)間內(nèi)完成較為復(fù)雜的計(jì)算，這種控制包含有人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，把這種經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)用語(yǔ)言描述出來(lái)，以構(gòu)成一組用語(yǔ)言表達(dá)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(guò)這種量化的物理過(guò)程設(shè)計(jì)出一種控制器，用形式化的人的經(jīng)驗(yàn)法則模仿人的控制策略，在這個(gè)過(guò)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(yàn)形式化并引入控制過(guò)程，再運(yùn)用比較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)模糊推理進(jìn)行判斷決策，以達(dá)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(diǎn)模糊控制理論誕生后，由于它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要反映在對(duì)復(fù)雜的、機(jī)理不明的控制系統(tǒng)，它模仿和升華了人的控制經(jīng)驗(yàn)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(diǎn):⑴ 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。⑵ 由對(duì)工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。⑶ 基于模糊的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異，但一個(gè)系統(tǒng)語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)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(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)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(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)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(guò)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(jì)算機(jī)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(gè)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(duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則各異。可以構(gòu)成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運(yùn)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(jì)的有限狀態(tài)觀測(cè)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(shí)表示和規(guī)則推理的語(yǔ)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(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。⑵ 輸入/輸出接口。模糊控制器通過(guò)輸入/輸出接口從被控對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，然后送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 ⑶ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括各交、直流電機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液壓電動(dòng)機(jī)、液壓缸等。 ⑷ 被控對(duì)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(gè)生產(chǎn)的、自然的、社會(huì)的、生物的或其它各種的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程。這些被控對(duì)象可以是確定的或模糊的、單變量的、有滯后或無(wú)滯后的，也可以是線性的或非線性的、定常的或時(shí)變的，以及具有強(qiáng)耦合和干擾等多種情況。對(duì)于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。 ⑸ 檢測(cè)變送裝置。它是將被控對(duì)象或各種過(guò)程的被控量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（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(cè)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(gè)控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇檢測(cè)變送裝置時(shí)，應(yīng)選擇精度高且穩(wěn)定性好的檢測(cè)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(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。微機(jī)通過(guò)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(hào)e，再進(jìn)行模糊化變成模糊量 E，將模糊量 E 用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。至此，得到偏差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e (e是一個(gè)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(jìn)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(duì)被控對(duì)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(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。然后，進(jìn)行下一次信號(hào)采樣，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)了被控對(duì)象的模糊控制。模糊控制系統(tǒng)和常見(jiàn)的負(fù)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(lái)實(shí)現(xiàn)，通常由下列幾個(gè)部分組成。⑴ 輸入量的模糊化。模糊控制器的輸入必須通過(guò)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(gè)模糊矢量。⑵ 模糊數(shù)據(jù)庫(kù)。模糊數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放各種帶不確定性的信息，如系統(tǒng)的