【文章內(nèi)容簡介】 強式學(xué)習(xí)的模糊控制系統(tǒng) ， 在缺少輸入輸出樣本集的情況下 ， 自動學(xué)習(xí)生成模糊控制規(guī)則調(diào)節(jié)隸屬函數(shù)。提出基于 ART的模糊自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制網(wǎng)絡(luò) 的增強式學(xué)習(xí)算法。包括兩個模糊自適應(yīng)邏輯控制網(wǎng)絡(luò) ， 一個為模糊預(yù)測 ， 一個為模糊控制器 ， 同時進(jìn)行學(xué)習(xí)。具有兩個特點 ： 降低了自適應(yīng)線性化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法的復(fù)合要求 。高度自動系統(tǒng) ， 初始化時也不要隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則 ， 隨著學(xué)習(xí)過程的進(jìn)行 ，開始產(chǎn)生、成長 ， 同時 ， 可動態(tài)劃分輸入輸出空間 ， 調(diào)節(jié)隸屬函數(shù) ， 劃分合適的網(wǎng)絡(luò)連接類型 (即模糊規(guī)則 )。利用 Nelde Mead單純形法自動優(yōu)化誤差變化率的隸屬函數(shù) ， 因為此類隸屬函數(shù)表征了速度的反饋。 模糊自適應(yīng)控制研究 １８ 表 模糊規(guī)則表 NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB 模糊控制系統(tǒng)性能的提高 常規(guī)模糊控制系統(tǒng)的性能主要存在著下列問題 ： 穩(wěn)態(tài)精度 (存在余差 )、抖動和積分飽和等。前幾年人們嘗試了用論域縮小的方法來消除余差 ， 用該變控制規(guī)則的數(shù)量 或規(guī)則本身的方法、改變量化曲線、以及改變隸屬函數(shù)的形式等來改善控制系統(tǒng)的控制性能。上一節(jié)所采用的許多方法其實也是為得到好的控制效果 ， 這在實際應(yīng)用和仿真分析結(jié)果中也可得到證實。 近幾年來 ， 許多學(xué)者對此進(jìn)行了多種方法的研究 ， 主要思想有 ： 分擋控制、論域縮小逼近法、加入積分作用、切換 PID模糊控制器、引入智能積分、直接測辨模糊控制決策表等方法 ， 部分結(jié)果在工程實踐中得到了應(yīng)用檢驗 ， 其它的在仿真結(jié)果中得以驗證?？偟膩砜催@方面的研究作為模糊控制理論和實踐中的重要目標(biāo)已經(jīng)滲透到模糊控制的其它研究領(lǐng)域 ,而從系統(tǒng)分析和設(shè)計的角 度保證模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能及其魯棒性成為研究發(fā)展的必然。對時變對象提出兩種提高模糊控制精度的方法。一種是分檔控制 ， 暫態(tài)時用粗調(diào)控制器加快響應(yīng)速度 ， 穩(wěn)態(tài)時用細(xì)調(diào)控制器以模糊自適應(yīng)控制研究 １９ 提高穩(wěn)態(tài)精度 ； 另一種方法是通過推知被控對象的慢變規(guī)律 ， 然后根據(jù)此規(guī)律補償對象增益的慢變得到恒定的輸出 ， 對參數(shù)慢時變二階被控對象的仿真驗證了不得上述方法的有效性 ， 穩(wěn)態(tài)精度大為提高 ， 抗干擾性增強 ,當(dāng)對象含純滯后環(huán)節(jié)時 ， 易使整個系統(tǒng)發(fā)生振蕩 ， 可引入 Smith預(yù)估計器。提出用論域縮小逼近法來消除模糊控制器的余差。能在控制過程中自始至終按規(guī)則調(diào)整 被控過程 ， 不存在其他方法普遍存在的積分飽和現(xiàn)象 ， 適用于任何特點的模糊控制系統(tǒng)。仿真及紙張水分控制的實際應(yīng)用研究證明了該方法的正確和優(yōu)越性。分析了傳統(tǒng)的模糊控制存在的缺陷引入了智能積分以減少穩(wěn)態(tài)誤差 ， 避免積分飽和。設(shè)計了一個參數(shù)自調(diào)整模糊控制器 ，實現(xiàn)了快速響應(yīng)和小的超調(diào)。在水輪機(jī)模糊調(diào)速器研究中提出直接測辨模糊控制決策表的方法 ， 為克服常規(guī)模糊控制器存在較大靜差的缺陷 ， 設(shè)計了一種帶選擇開關(guān)的雙積分并聯(lián)復(fù)合控制結(jié)構(gòu) ， 此方法在克服積分飽和和縮短調(diào)節(jié)時間、消除靜差、改善動態(tài)品質(zhì)方面是很有效的。其直接測辨決策表的方法為 ： 應(yīng)用多變量最小二乘回歸方法擬和成功控制系統(tǒng)輸入輸出間的函數(shù)關(guān)系 ， 然后對量測數(shù)據(jù)組模糊化 ， 再對控制函數(shù)離散化 (模糊化 )建立模糊控制決策表。以串聯(lián)下三級模糊調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ) ， 引入反饋模糊調(diào)節(jié)器作為并聯(lián)校正 ， 對幾個典型的工業(yè)用金屬熱處理爐的溫度控制模型進(jìn)行仿真實驗 ， 得到很好的控制效果 ， 在階躍響應(yīng)中 ， 上升時間短 ， 無超調(diào) ，穩(wěn)態(tài)精度優(yōu)于普通的二維模糊控制系統(tǒng)。其第三維為誤差變化率的變化。 應(yīng)用研究 從 80年代開始 ,模糊控制應(yīng)用的研究一直就是十分活躍的一個領(lǐng)域 ，日本學(xué)者在這方面處于領(lǐng)先地位 ， 我國學(xué)者在此領(lǐng)域也付出了 巨大的努模糊自適應(yīng)控制研究 ２０ 力 ， 取得了豐碩的成果。其特點是 ： 1)多應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域采用參數(shù)自調(diào)整與積分的混合控制實現(xiàn)焊熔寬的自動控制 ， 把模糊積分改為精確量積分。用直接測辨模糊控制決策表的方法研究了水輪機(jī)調(diào)速器。設(shè)計了發(fā)動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模糊邏輯控制器。用論域縮小逼近法進(jìn)行了紙張水分控制的實際應(yīng)用。提出模糊控制加前饋補償?shù)膹?fù)雜模糊控制器的方法 ， 應(yīng)用于 MCS 51單片機(jī)控制的異步電動機(jī)輕載降壓節(jié)能器上 ， 取得了較好的控制效果。提出一類最優(yōu)模糊控制器的系統(tǒng)設(shè)計方法 ， 所研制的造紙機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)成功地投入了使用 ,效果滿意。 2)結(jié) 合許多新思想得到的算法正較多地應(yīng)用于實際提出一種模糊邏輯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法 ， 在伺服直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中進(jìn)行了實驗研究 ， 其系統(tǒng)響應(yīng)和魯棒性優(yōu)于常規(guī)控制器。對過程控制對象為復(fù)雜非線性系統(tǒng) ， 常規(guī)控制策略難以控制而依賴于人的智能經(jīng)驗 ， 采用神經(jīng)學(xué)習(xí)機(jī)制模糊推理集成的思想實現(xiàn)此控制器 ， 提出一種隱節(jié)點較正學(xué)習(xí)算法 ， 在此思想上優(yōu)化的模糊系統(tǒng)已試運行于茂名石化公司的二重裝置上 ， 初步的記錄數(shù)據(jù)表明此方案可行。綜合模糊控制系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點 ， 提出了一種多變量系統(tǒng)的模糊神經(jīng)控制模型 ， 建立了渣貧化電爐生產(chǎn)過程的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制模型 ， 并開發(fā)出相應(yīng)的決策支持系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)自 1992年 6月投入使用 ， 一直穩(wěn)定可靠地正常運行 ， 效果好 ， 經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。采用分層多規(guī)則集結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了模糊控制的智能化 ， 應(yīng)用于立窯水泥燃燒過程控制 ， 運行結(jié)果表明該法有效 ， 魯棒性強。 3)應(yīng)用范圍正向高一級的新領(lǐng)域擴(kuò)展 ， 如機(jī)器人定位系統(tǒng)、汽車定位模糊自適應(yīng)控制研究 ２１ 系統(tǒng)、智能車輛高速公路系統(tǒng)等。報告了用模糊自調(diào)整因子方法在機(jī)器人定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。提出了三層的層次預(yù)測模糊控制方法 ， 對汽車停車控制進(jìn)行了應(yīng)用仿真研究 ， 而在 1987年、 1991年用預(yù)測模糊控制實現(xiàn)了列車系統(tǒng)的停車控制系統(tǒng)。討論 了智能車輛高速公路系統(tǒng)的車輛側(cè)向自導(dǎo)模型參考模糊邏輯控制算法。另外 ， 還有許多文獻(xiàn)將提出的新算法應(yīng)用于單級倒立擺、球板系統(tǒng)、二級倒立擺等進(jìn)行仿真實驗研究。 2 自適應(yīng)控制 什么是 自適應(yīng)控制 前文曾 從模糊控制的角度 簡單的提到過自適應(yīng)與模糊控制的結(jié)合，這里在著重從自適應(yīng)方面來討論下 ： 自適應(yīng)控制 在控制工程中自適應(yīng)系統(tǒng)就是：假如輸入是 e(t)，控制器輸出是 u(t),擾動是 d(t)，總輸出是 c(t)，這四個量又輸入進(jìn)一個叫做 “ 辨識機(jī)構(gòu) ” 的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，作用就是對當(dāng)前系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行辨識，然后此機(jī)構(gòu)的輸出與理想值進(jìn) 行比較，該比較的差值來調(diào)節(jié) “ 自適應(yīng)機(jī)構(gòu) ” ， “ 自適應(yīng)機(jī)構(gòu) ” 的輸出給控制器，這樣整個控制回路就建立起來了。在工業(yè)控制中，與自適應(yīng)系統(tǒng)搭配的控制器大多是 PID控制器，這樣的控制系統(tǒng)在電子產(chǎn)品、工廠等有很多了 [9]。 自適應(yīng)控制系統(tǒng) 所謂 “ 自適應(yīng) ” 是指在新 的環(huán)境或新的運行條件下 ,適當(dāng)?shù)馗淖冊到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)以保持系統(tǒng)的良好 運行特征 ,至今還沒有統(tǒng)一的定義 ,不過較一致的看法是 ： 系統(tǒng)增益為常數(shù)的 反饋控制 不能認(rèn)為是自適應(yīng)控制 ?；蛘呖梢赃@樣理解： 一般是指系統(tǒng)按照環(huán)境的變化調(diào)整其模糊自適應(yīng)控制研究 ２２ 自身使得其行為在新的或者已經(jīng)改變了的環(huán)境下達(dá)到最好或者至少是容許的特性和功能這種對 環(huán)境變化 具有 適應(yīng)能力 的 控制系統(tǒng) 稱為 自適應(yīng)控制系統(tǒng) [10]。 自適應(yīng)控制問題的提出 很多 控制對象的數(shù)學(xué)模型隨著時間或工作環(huán)境的改變而改變，其變化規(guī)律往往實現(xiàn)不知道 [11]。例如導(dǎo)彈或飛機(jī)的氣動參數(shù)會隨其飛行速度 、 飛行高度和大氣密度而邊，特別是導(dǎo)彈的飛行速度和飛行高度的變化范圍很大，因而導(dǎo)彈的數(shù)學(xué)模型參數(shù)可在很大的范圍內(nèi)變化。在飛行過程中，導(dǎo)彈的質(zhì)量和質(zhì)心位置會隨著燃料的消耗而改變，這也會影響數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。當(dāng) 對象的 數(shù)學(xué)模型參數(shù)在小范圍內(nèi)變化時，可用一般的反饋控制 、 最優(yōu)控制或補償控制等方法來消除或減小參數(shù)變化對控制品質(zhì)的有害影響。如果控制對象的參數(shù)在大范圍內(nèi)變化，上邊這些方法就不能圓滿地解決問題了。為了使控制對象參數(shù)在大范圍內(nèi)變化時，系統(tǒng)仍能自動地工作于最優(yōu)工作狀態(tài)或接近于最優(yōu)的工作狀態(tài)，因而就提出了自適應(yīng)控制問題。 自適應(yīng)控制也是一種反饋控制，但它不是一般的系統(tǒng)狀態(tài)反饋或系統(tǒng)輸出反饋，而是一種比較復(fù)雜的反饋控制，自適應(yīng)控制系統(tǒng)很復(fù)雜，即使對于線性定常的控制對象，其自適應(yīng)控制也是非線性時變反饋控制系統(tǒng)。所以設(shè)計自適應(yīng)控 制比設(shè)計一般的反饋控制要復(fù)雜得多。 自適應(yīng)系統(tǒng)定義 自適應(yīng)系統(tǒng)定義的統(tǒng)一仍然是一個很大的爭議問題，現(xiàn)引入部分有關(guān)的規(guī)定，其余定義可查閱有關(guān)參考文獻(xiàn)。 定義 1 自適應(yīng)系統(tǒng)在工作過程中能不斷的檢測系統(tǒng)參數(shù)或運行指模糊自適應(yīng)控制研究 ２３ 標(biāo)，根據(jù)參數(shù)或運行指標(biāo)的變化，改變控制參數(shù)或控制作用，使系統(tǒng)工作于最優(yōu)工作狀態(tài)或接近于最優(yōu)工作狀態(tài)。 定義 2 自適應(yīng)系統(tǒng)利用可調(diào)系統(tǒng)的輸入量 、 狀態(tài)變量及輸出量來某種性能指標(biāo)，根據(jù)測得的性能指標(biāo)與給定的性能指標(biāo)的比較，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)修改可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)或者產(chǎn)生輔助輸入量，以保持測得的性能指標(biāo)接近于給 定的性能指標(biāo)，或者說使測得的性能指標(biāo)處于可接受性能指標(biāo)的集合內(nèi)。 自適應(yīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 自適應(yīng) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 。圖中所示的可調(diào)系統(tǒng)可以理解為這樣一個系統(tǒng)，即它能夠用調(diào)整它的參數(shù)或者輸入信號的方法來調(diào)整系統(tǒng)特性。 圖 自適應(yīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 性能指標(biāo)的測量有很多種方法，有些是直接的，有些是間接的，例如性能指標(biāo) 輸入 輸出 已知擾動 未知擾動 可調(diào)系統(tǒng) 自適應(yīng)機(jī)構(gòu) 比較 判定 性能指標(biāo)測量 模糊自適應(yīng)控制研究 ２４ 通系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的辯識來測量性能指標(biāo)就是一種間接方法。 比較 判定是指在給定的性能指標(biāo)與測得的性能指標(biāo)之間做出比較，并判定所測 得的性能指標(biāo)是否處于可接受性能指標(biāo)的集合內(nèi)。如果不是，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)就相應(yīng)地動作，或者調(diào)整可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)，或者調(diào)整 可調(diào)系統(tǒng)的輸入信號，從而調(diào)整系統(tǒng)的特性。 應(yīng)當(dāng)注意在圖 ，性能指標(biāo)測量 、 比較 判定和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)三個基本結(jié)構(gòu)方塊的實施是非常復(fù)雜的；在有些情況下，要把一個自適應(yīng)系統(tǒng)按照圖 。 圖 PID自適應(yīng)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 判斷一個系統(tǒng)是否真正具有“自適應(yīng)”的基本特征，關(guān)鍵看是否存在一個 對性能指標(biāo)的閉環(huán)控制。有許多控制系統(tǒng)被設(shè)計成參數(shù)變化時具有可接受的特性，習(xí)慣上，它們被稱為“自適應(yīng)系統(tǒng)”。但是，它們并沒有一個對性能指標(biāo)的閉環(huán)控制，因而這樣的系統(tǒng)并不是真正的“自適應(yīng)系統(tǒng)”。 3 模糊自適應(yīng)控制 B(p) A(p) 1/A(p) Ym(t) e(t) U(t) — + Yp(t) φ (t) 自適應(yīng) PID 控制器 D (p) Gm(p) 模糊自適應(yīng)控制研究 ２５ 3. 1 模糊自適應(yīng)整定 PID控制原理 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。自適應(yīng)控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù)，實時改變其控制策略，是控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困 難的。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量采用的仍然是 PID算法， PID參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都是以對象特性為基礎(chǔ) [12]。 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工只能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗作為知識存入計算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算機(jī)能自動調(diào)整 PID參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能 PID控制器。這種控制器把古典的 PID控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。 這種控制必須精確地確定對象模型，首先將操作人員長期實踐積累的經(jīng)驗知識用控制規(guī)則模型化，然后運用推理便可對 PID參數(shù)實現(xiàn)最佳調(diào)整。 由于操作者經(jīng)驗不易精確描 述，控制過程中各種信號量及評價指標(biāo)不易表示，模糊理論是解決這個問題的有效途徑，所以人們運用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識存入計算機(jī)知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的餓實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對 PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng) PID控制。目前模糊自適應(yīng) PID控制器有很多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致 [13]。 自適應(yīng)模糊 PID控制器以誤差 Ehe誤差變化 ec作為輸入，可以滿足不同模糊自適應(yīng)控制研究 ２６ 時刻的 e和 ec對 PID參數(shù)自整定的要求。利用 模糊控制規(guī)則在線對 PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊 PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 自適應(yīng) 模糊 控制器結(jié)構(gòu) PID控制中的重要參數(shù) PID參數(shù)模糊 自整定是找出 PID三個參數(shù)與 e和 ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢驗 e和 ec，根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)