【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為 （31）式中，積分的上、下限分別是0、t；其中的為比例系數(shù)，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間。PID控制器用途廣泛、使用靈活，因此已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（，和）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到三個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。 PID控制的原理和特點(diǎn)（1）P控制特性由于P控制器的輸出與輸入成比例關(guān)系，只要有偏差存在，控制器的輸出就會(huì)立刻與偏差成比例地變化，因此比例控制作用及時(shí)迅速，這是它的一個(gè)顯著特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是存在靜差。（2）PI控制特性只要有偏差存在，積分作用的輸出就會(huì)隨時(shí)間不斷變化，直到偏差消除，控制器的輸出才穩(wěn)定下來(lái)。由于積分輸出是隨時(shí)間積累而逐漸增大的，故控制緩慢，這樣會(huì)造成控制不及時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。因而積分作用一般不單獨(dú)使用，而是與比例作用組合起來(lái)構(gòu)成PI控制器，用于控制系統(tǒng)中。（3）PD控制特性微分作用是根據(jù)偏差變化速度進(jìn)行控制的。即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，就有控制輸出，故有超前控制之稱。在溫度、成分等控制系統(tǒng)中，往往引入微分作用，以改善控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。 控制器的構(gòu)成除氧器溫度控制，可采用PID控制，P、I、這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，由于三個(gè)運(yùn)算電路并聯(lián)連接，避免了級(jí)間誤差累積放大，對(duì)保證整機(jī)精度有利。同時(shí)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)可消除、變化對(duì)控制器實(shí)際整定變量的影響。 PID運(yùn)算模塊方框圖第四章 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊控制是以模糊集合、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)數(shù)字控制。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性來(lái)看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它現(xiàn)在已成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而有效的形式。尤其是模糊控制和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及混沌理論等新學(xué)科相結(jié)合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛力。 引言傳統(tǒng)的自動(dòng)控制，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論中有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，但是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，十分復(fù)雜，建立精確的數(shù)學(xué)模型特別困難，甚至不可能的。這種情況下，人們期望有一種不依賴于數(shù)學(xué)模型的控制方法，模糊控制方法就應(yīng)運(yùn)而生了。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多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。,1974年他利用模糊控制語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制器，首次將模糊控制理論應(yīng)用于蒸汽機(jī)及鍋爐的控制，取得了優(yōu)于常規(guī)調(diào)節(jié)器的控制品質(zhì)。隨后，丹麥、美國(guó)與日本的學(xué)者相繼將模糊控制方法成功應(yīng)用在溫度、熱水裝置、壓力與液面、十字路口交通樞紐指揮、水泥窯生產(chǎn)過(guò)程與汽車速度等自動(dòng)控制系統(tǒng)中。，并取得成功。1984年，美國(guó)推出“模糊推理決策支持系統(tǒng)”。我國(guó)在模糊控制應(yīng)用方面也取得了顯著的成果。我國(guó)對(duì)模糊控制的理論與應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識(shí)、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊集合論、模糊模式識(shí)別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。1979~1980年，李寶綏、劉志俊等人設(shè)計(jì)了一類缺乏數(shù)學(xué)模型的控制句構(gòu)成模糊控制器，首次將模糊控制理論應(yīng)用于蒸汽機(jī)及鍋爐的控制，取得了優(yōu)于常規(guī)調(diào)節(jié)器的控制品質(zhì)。隨后，丹麥、美國(guó)與日本的學(xué)者相繼將模糊控制方法成功應(yīng)用在溫度、熱水裝置、壓力與液面、十字路口交通樞紐指揮、水泥窯生產(chǎn)過(guò)程與汽車速度等自動(dòng)控制系統(tǒng)中。，并取得成功。1984年，美國(guó)推出“模糊推理決策支持系統(tǒng)”。我國(guó)在模糊控制應(yīng)用方面也取得了顯著的成果。我國(guó)對(duì)模糊控制的理論與應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識(shí)、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊集合論、模糊模式識(shí)別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。1979~1980年，李寶綏、劉志俊等人設(shè)計(jì)了一類缺乏數(shù)學(xué)模型的控制器，對(duì)模糊控制器的特性進(jìn)行了仿真，并與PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較，結(jié)果表明，模糊控制器對(duì)單位階躍響應(yīng)具有速度較快、精度較高以及對(duì)參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。1986年，都志杰等人用單片機(jī)研制了工業(yè)用模糊控制器。隨后，何鋼、能秋思、劉浪舟、于旭亮、張廣成、田成方、李友善等人相繼將模糊控制方法成功應(yīng)用在堿熔釜反應(yīng)溫度，氣煉機(jī)、玻璃爐窯、化工大滯后過(guò)程、功率因數(shù)補(bǔ)償、九管還原爐與選礦破碎過(guò)程、鍋爐與甜菜制糖控制系統(tǒng)中。目前模糊控制技術(shù)日趨成熟和完善。模糊控制在化工、機(jī)械、冶金、工業(yè)窯爐、水處理、食品生產(chǎn)、家電產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。模糊控制充分顯示了在大規(guī)模系統(tǒng)、多目標(biāo)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)以及無(wú)適當(dāng)傳感器可檢測(cè)的系統(tǒng)中的良好應(yīng)用效果?？梢灶A(yù)料，隨著模糊控制理論的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)更加廣泛。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 由工業(yè)過(guò)程酌定性認(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。在控制系統(tǒng)傳統(tǒng)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，要獲得既有足夠的精確性，又便于系統(tǒng)分析的數(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)筑一個(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)或生活的實(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)中蒸汽流量，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，這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，在運(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。，它的核心部分為模糊控制器。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誤差信號(hào)（在此取誤差反饋）。一般誤差信號(hào)作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號(hào)的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，誤差的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。至此，就得到了誤差的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集，再由該子集和模糊控制規(guī)則根據(jù)推理的合成規(guī)則做出控制決策，得到模糊控制量。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，（也稱為去模糊化或清晰化處理）。得到了精確的數(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)象精確控制，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)反饋用控制系統(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、輸出量的規(guī)范化。輸入、輸出量的規(guī)范化是指將規(guī)范化的控制器的輸入、輸出限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以便于控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。⑵ 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。⑶ 語(yǔ)言控制規(guī)則。模糊控制器的控制規(guī)則是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如ifthen、or、also、and等，關(guān)系詞必須經(jīng)過(guò)“翻譯”，才能將模糊控制規(guī)則數(shù)值化。⑷ 模糊邏輯推理。模糊推理是控制器中根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考慮到推理時(shí)間，通常采用運(yùn)算較簡(jiǎn)單的推理方法。⑸ 輸出量的非模糊化（解模糊化）。模糊推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來(lái)作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊化。綜上所述，模糊控制器實(shí)際上就是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)。它的絕大部分功能都是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成的，隨著專用模糊芯片的研究和開(kāi)發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組單元的軟件。 模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，因?yàn)槟：刂剖墙⒃谌说慕?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，而這些經(jīng)驗(yàn)是不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此當(dāng)要設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器時(shí)并不需要像設(shè)計(jì)數(shù)字控制器那樣，必須知道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)的精確數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是根據(jù)模糊控制器的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括以下幾方面：⑴ 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動(dòng)控制規(guī)則提出的，所以模糊控制器的輸人變量可有三個(gè)，即誤差、誤差的變化、誤差變化的變化，輸出變量一般選擇控制量的變化。目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器是以誤差和誤差的變化為輸人變量，以控制量的變化為輸出變量。木設(shè)計(jì)中采用溫度誤差和誤差變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。⑵ 設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則?？刂埔?guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵，一般包括三部分內(nèi)容：選擇描述輸人輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器控制規(guī)則。⑶ 確定模糊化和非模糊化的方法。模糊化是將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊化量，這其中含有三個(gè)過(guò)程：①將輸入量變成模糊控制器要求的量。②將處理過(guò)的輸入量進(jìn)行尺度變換。③將已經(jīng)變換的模糊量進(jìn)行模糊處理；非模糊化是將模糊推理得到的控制量變?yōu)閷?shí)際控制的清晰量，它包含有兩部分內(nèi)容：①將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換成表示在論域范圍的清晰量。②將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換變成實(shí)際的控制量。⑷ 編制模糊控制算法程序。控制算法是由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)的。這種程序一般包括兩部分，一個(gè)是計(jì)算機(jī)離線計(jì)算查詢表的程序，另一個(gè)是計(jì)算機(jī)在模糊控制過(guò)程中在線計(jì)算輸人變量，并將它們模糊化處理，查找查詢表后再作輸出處理的程序。 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，因?yàn)槟：刂剖墙⒃谌说慕?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，而這些經(jīng)驗(yàn)是不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因此當(dāng)要設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器時(shí)并不需要像設(shè)計(jì)數(shù)字控制器那樣，必須知道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)的精確數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是根據(jù)模糊控制器的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)之前，需要先選定模糊控制器的結(jié)構(gòu)，模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。從這個(gè)角度可以將模糊控制器分為單變量模糊控制器和多變量模糊控制器。常規(guī)的模糊控制器都是單變量模糊控制器，它有一個(gè)獨(dú)立的外部輸入變量和一個(gè)輸出變量。而單變量模糊控制器的輸入的個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)。其中最典型、最基本、也是應(yīng)用最廣泛的是二維模糊控制器，它的輸入一般為誤差E和誤差的變化率EC，輸出為控制量U。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和控制要求，模糊控制器選用二維結(jié)構(gòu)，即以溫度的誤差和溫度誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化（控制閥的開(kāi)度）為輸出量。圖中：T0是輸入變量的給定值，e和e