【導(dǎo)讀】個(gè)領(lǐng)域和人們的日常生活。在電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，一般采用的是PID控。PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在克服較大擾動(dòng)影響，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)等方。面并非最優(yōu)，光靠調(diào)整PID參數(shù)難以獲得滿(mǎn)意的控制效果。直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。通過(guò)與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模

　　

【正文】 是使計(jì)算機(jī)具有活性和智能的一種新穎的智能控制方法 。 模糊控制 是以模 糊集合 論作為 他的數(shù) 學(xué)基礎(chǔ)的 ，它的 誕生是以 年提出模糊集理論為標(biāo)記的。模糊控制經(jīng)歷了 30 多年的研究和發(fā)展已經(jīng)逐步完善，自從 1974 年 ..Mamdani 首先利用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)新和進(jìn)行蒸汽機(jī)和鍋爐控制方面的研究獲得成功以后，模糊控制的研究和 應(yīng)用一直十分活躍。模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于諸如在測(cè)量數(shù)據(jù)不確切、要處理的數(shù)據(jù)量過(guò)大以致無(wú)法判斷它們的兼容性、一些復(fù)雜可變的被控對(duì)象等場(chǎng)合是非常合適的。與傳統(tǒng)控制器依賴(lài)于系統(tǒng)行為參數(shù)的控制器設(shè)計(jì)方法不同的是模糊控制器的設(shè)計(jì)依賴(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn)。在傳統(tǒng)控制器中，參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是跟據(jù)對(duì)由一組微分方程描述的過(guò)程模型的狀態(tài)分析和蹤合來(lái)進(jìn)行的，而模糊控制器參數(shù)或控制 輸出的調(diào)整是從過(guò)程函數(shù)的 邏輯 模型產(chǎn)生的規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制規(guī)則。通常模糊控制規(guī)則是通過(guò)將人的操作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為模糊語(yǔ)言型式獲取的，因此帶有相當(dāng)?shù)闹饔^性。 [7] 自從扎德 1965 年發(fā)表了首篇有關(guān)模糊集理 論 的 論 文來(lái)，模糊理 論 和模糊控制開(kāi)始了它的艱難歷程。模糊集理論無(wú)法得到廣大學(xué)者的認(rèn)同，尤其是得 到權(quán) 學(xué) 25 者的認(rèn)可。當(dāng)時(shí)提出反對(duì)模糊集理論主要有兩個(gè)理由 :一是認(rèn)為模 糊隸屬度函 的確定具有主觀臆斷性和人為經(jīng)驗(yàn)技巧色彩，沒(méi)有嚴(yán)格的系統(tǒng)方法，因而是不可靠的。二是認(rèn)為模糊 邏輯 實(shí)際上是改頭換面的概率 理論。 由 于存在眾多權(quán)威人士的反對(duì)，模糊理論在它的發(fā)源地美國(guó)的發(fā)展相當(dāng)緩慢。在歐洲，對(duì)模糊理論的研究著重在模糊控制上。自從 Mamdani 教授 1974 年首先將模糊理論用于蒸汽機(jī)和鍋爐的控制，開(kāi)創(chuàng)模糊控制的先河。模糊控制理論的應(yīng)用研究在 70 年代的歐洲取得了一些成功，推動(dòng)了模糊控制理淪的研究，同時(shí)模糊控制理論也不斷地得到人們的認(rèn)識(shí)和重視。在 80 年代后期，模糊控制理論進(jìn)入了發(fā)展期，包括美國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)在模糊控制理論和模糊控制產(chǎn)品的不斷發(fā)展和不斷更新。近十年來(lái)模糊控制發(fā)展相當(dāng)迅速。 模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基 礎(chǔ)上的。若能把這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用語(yǔ) 言 表達(dá)和描述出來(lái)，它就是一種定性的、不確定的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)學(xué)將其定量化就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，從而形成了模糊控制理論。它在短短的十年里發(fā)展如此迅速，主要?dú)w結(jié)于模糊控制器的一些明顯特 點(diǎn)： (1)無(wú)需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 模糊控制是以人對(duì)被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)一的控制器 (2)是一種反映人類(lèi)智慧思維的智能控制 模糊控制采用人類(lèi)思維中的模糊是如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”控制量由模糊推理導(dǎo)出。 (3)易被人們所接受 (4)構(gòu)造容易 有單片機(jī) 等來(lái)構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制原系統(tǒng)無(wú)異，模糊控制算法用軟件實(shí)現(xiàn)。 (5)魯棒性好 模糊控制系統(tǒng)無(wú)論被控對(duì)象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性、適應(yīng)性。 第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)的控制方案 26 典型的缺點(diǎn)是模糊控制通過(guò)語(yǔ)言描述受控系統(tǒng)，控制品質(zhì)存在粗糙和精度不 高的弊病。 模糊控制的基本理論 模糊控制以模糊數(shù)學(xué)理論、模糊語(yǔ)言形式為理論基礎(chǔ)，是一種基于模糊規(guī)則的控制系統(tǒng)，這些模糊控制規(guī)則是直接從專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)操作者的經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行歸納、優(yōu)化得出來(lái)的，是一種蘊(yùn)涵著人類(lèi)智能、推理和決策的控制方式。經(jīng) 典數(shù)學(xué)以特征函數(shù)討論問(wèn)題，而模糊數(shù)學(xué)以隸屬函數(shù)討論問(wèn)題。系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的建立，其實(shí)質(zhì)是應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)處理手段，基于待辨識(shí)系統(tǒng)的大量測(cè)量數(shù)據(jù)，找出體現(xiàn)系統(tǒng)輸入與輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系，并通過(guò)一定的數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述。建立系統(tǒng)模糊模型的基本思想也是這樣，只是將采集到的精確量量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，轉(zhuǎn)化 成 通過(guò)隸屬度和模糊子集表達(dá)的模糊量，也就是說(shuō)，將原 來(lái) 通過(guò)精確量數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)輸入輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系 (精確數(shù)學(xué)模型 )，轉(zhuǎn)化成一種相應(yīng)的由條件語(yǔ)句 IF(輸 入語(yǔ)言變量 模糊子 集 )、 THEN(輸出語(yǔ)言變量模糊子集 )表達(dá)的模糊關(guān)系 ，這便是系統(tǒng)的模糊模型。 模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點(diǎn)是將專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語(yǔ)言控制規(guī)則，并應(yīng)用這些語(yǔ)言控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣它可不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。它不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考 現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。模糊控制器 特點(diǎn)中闡述 了 模糊控制對(duì)干擾和參數(shù)變化不敏感和模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，使得模糊控制對(duì)在不同環(huán)境下的同一直流電機(jī)對(duì)象 (在不同環(huán)境下，同一對(duì)象 的參數(shù)或許已 經(jīng)發(fā)生了不小的變化 )進(jìn)行控制，或是 已 經(jīng)調(diào)好的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于參數(shù)稍有變化的控制對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)性能沒(méi)有多大變化，使 得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員不必為同一控制 對(duì)象設(shè)置不同的調(diào)試參數(shù)。 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)的計(jì)算機(jī)智能控制 ，經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面均取得重大成功。模糊控制的 基本原理框圖如圖 32 所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖 32中點(diǎn)劃線框中部分所示，模糊控制器的控制規(guī)律由 計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。 27 實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過(guò)程描述如下 ： 首先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) E，一般選誤差信號(hào) E 作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào) E 的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差 E 的模糊量 可 用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差 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)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量 u。 ?A / D計(jì)算控制變量模糊量化處理模糊控制規(guī)則非模糊化處理D / A執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對(duì) 象傳 感 器+給 定 值模 糊 控 制 器 （ 微 機(jī) ）被 控 參 數(shù) 模糊決策 圖 32 模糊控制原理框圖 應(yīng)著重指出，所謂模糊控制，既不是指被控對(duì)象是模糊的，也不是指控制器是不確定的，它是指在表示知識(shí)、概念上的模糊。只是 在所采用的控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)理論，雖然模 糊控制算法是通過(guò)模糊語(yǔ)言描述的，但它所完成的卻是一項(xiàng)完全確定的工 作。它不僅能成功地實(shí)現(xiàn)控制，而且還能 模仿人的思維方法，對(duì)一些無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控過(guò)程進(jìn)行有效控制。 [8] 模糊控制器的數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù)庫(kù)提供必要的定義，包含了語(yǔ)言控制規(guī)則論域的離散化、量化和正規(guī) 化以及輸入輸出空間的劃分、隸屬度函數(shù)的定義等。 1. 描述輸入和輸出變量的詞集 在模糊控制中，輸入輸出變量大小是以語(yǔ)言的形式描述的。一般選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來(lái)描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀 態(tài)，在加上正、負(fù)方向和零狀態(tài)，共有 7 個(gè)詞匯 ： {負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 } 第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)的控制方案 28 其縮寫(xiě)為 ： {NB、 NM、 NS、 ZO、 PS、 PM、 PB} 2. 輸入變量的模糊化 某個(gè)變量的實(shí)際變化范圍稱(chēng)為該變量的基本論域。記誤差 E 的基本論域?yàn)閇xe,xe]，誤差變化 EC的基本論域?yàn)?[xec,xec]， 模糊控制器的輸出變量 (系統(tǒng)的控制量 )的基本論域?yàn)?[ye,ye]， 模糊控制器中的輸入和輸出都是精確量，但控制算法需要模糊量。因此輸入的精確量 (數(shù)字量 )需轉(zhuǎn)化為模糊量，另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)化為 精確的控制量輸出。 比較常使用的模糊化方法是將基本論域分為 n 檔，即取變量的模糊子集論域?yàn)?： {n， n+1， ?， 0， ?， n1， n} 從基本論域 [a,b]到模糊子集論域 [n,+n]轉(zhuǎn)換公式為 : y=2n/(ba)[x(a+b) /2] （ 33） 一般選擇模糊論域中所含 元 素為模糊詞集總數(shù)的二 倍 以上，確保模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 可 選擇 E 和 EC的論域?yàn)?: {6， 5， 4， 3， 2， 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6} 選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量 U 的論域?yàn)?: {7， 6， 5， 4， 3， 2， 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 3. 隸屬度函數(shù) 為了實(shí)現(xiàn)模糊化，要在上述離散化的精確量與表示模糊語(yǔ)言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個(gè) 元 素對(duì)各個(gè)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)。 隸屬度是描述某個(gè)確定量隸屬于某個(gè)模糊語(yǔ)言變量的程度，隸屬度函數(shù)的確定方法有模糊統(tǒng)計(jì)法、相對(duì)比較法和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法等。 常見(jiàn)的隸屬度函數(shù)有三角形隸屬度函數(shù)、高斯形隸屬度函數(shù)等。 模糊 控制規(guī)則庫(kù) 模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專(zhuān)家知識(shí)的語(yǔ)言來(lái)描述的，用一系列模糊條件 29 描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成了模糊控制規(guī)則庫(kù)。與模糊控制規(guī)則相關(guān)的主要有 ：過(guò)程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇、模糊控制規(guī)則的建立和模糊控制規(guī)則的完整性、兼容性、抗 干 擾性。 1. 模糊控制器的輸入、輸出變量 模糊控制器是模 仿人的一種控制。在人為 控制的過(guò)程中，一般根據(jù)被控量的誤差 E、誤差的變化 EC和誤差變化的速率 ER進(jìn)行決策。人對(duì)誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。因此，模糊控制的輸入變量通常取 E或 E 和 EC或 E、 EC和 ER，分別構(gòu)成一維、二維、三維模糊控制器。一 維模糊控制器的動(dòng)態(tài)性能不佳，二維模糊控制器的控制性能比較好，是目 前廣泛采用的一種形式。一般選擇控制量的增量作為模糊控制器的輸出變量。 2. 模糊控制規(guī)則的建立 目 前模糊控制規(guī)則的建立大致有四種方法 : 專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法 :通過(guò)對(duì)專(zhuān)家控制經(jīng)驗(yàn)的咨詢(xún)形成控制規(guī)則庫(kù)。 觀察法 :通過(guò)觀察人類(lèi)控制行為并將其控制的思想提煉出一套基于模糊條件語(yǔ)言類(lèi)型的控制規(guī)則從而建立模糊規(guī)則庫(kù)。 基于模糊模型的控制 :通過(guò)建立被控對(duì)象的模糊模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。建立模糊控制規(guī)則一樣的“ IFTHEN”形式來(lái)描述被控對(duì) 象的動(dòng)態(tài)特性。 在模糊控制中，被控對(duì)象的模型是運(yùn)用多個(gè)控制規(guī)則來(lái)描述的。 自組織法 :它能在沒(méi)有和有很少經(jīng) 驗(yàn)知識(shí)的情況下通過(guò)觀察系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系建立控制規(guī)則庫(kù)。 模糊 推理決策 推理決策是模糊控制的核心，它利用知識(shí)庫(kù)的信息模擬人類(lèi)的推理決策過(guò)程，給出合適的控制量。它的實(shí)質(zhì)是模糊邏輯推理。 1. 模糊命題 模糊命題是清晰命題的推廣，它的真值在 [0,1]閉 區(qū) 間中取值，相當(dāng)于隸屬度函數(shù)值。它的一般形式為 : 第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)的控制方案 30 A： e is F 式中， e 是模糊變量， F 是一模糊概念所對(duì)應(yīng)的模糊集合。 2. 模糊語(yǔ)句 含有模糊概 念的，按給定的語(yǔ)法規(guī)則所構(gòu)成的語(yǔ)句稱(chēng)為模糊語(yǔ)句。有模糊陳述句、模糊判斷句、模糊推理句等幾種類(lèi)型。 模糊陳述句是相對(duì)于具有清晰概念的一般陳述句而言。 模糊判斷句的形式為 :x 是 a，它的真值 由 x 對(duì)模糊集合 A 的隸屬度給出。 模糊推理句的形式為 :“ IF a THEN b” 。 3. 模糊推理 推理就是根據(jù)已知的一些命題，按照一定的法則，去推斷一個(gè)新的命題的思維過(guò)程和思維方式。在客觀現(xiàn)實(shí)中，很多問(wèn)題是具有模糊性的，傳統(tǒng)的形式邏輯和近代的數(shù)理邏輯都無(wú)法解決這類(lèi)問(wèn)題。解決模糊性問(wèn)題需要用模糊推理。模糊推理是一種近似的推 理，應(yīng)用模糊集合理論，可以對(duì)近似推理進(jìn)行定量的討論，這樣可以得到較精確的結(jié)論和明確的結(jié)果。 模糊推理有下列幾種常見(jiàn)的形式 ： CRI 法、 Mamdani 推理法、模糊推理的TVR 法等。 Mamdani 推理法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，它實(shí)質(zhì)上是一種 CRI 法。 Mamdani 推理法常用的推理形式有如下 3 中 ： 1） “ if A then B”的推理。 對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)有輸入 A 時(shí)，則輸出 B，它的蘊(yùn)涵關(guān)系為 A→ B。 2） “ if A then B else C”的推理。 對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)有輸入 A 時(shí)，則輸出 B，如果輸 入為 Ac 時(shí)，則有輸出為 C，蘊(yùn)涵關(guān)系為 (A→ B)?(AC→ C)。 3） “ if A and B then C”的推理。 對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)輸入 A 和 B 同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，則輸出 C，這種蘊(yùn)涵關(guān)系為 (A∧ B)→ C。 31 在模糊控制系統(tǒng)中，用的最多的語(yǔ)句就是“ if A and B then C”語(yǔ)句。這是因?yàn)樵诖罅康哪：刂浦?，不但要考慮給定值和實(shí)際值所形成的誤差，同時(shí)還要考慮誤差的變化率。 [9][10][12] 模糊 PID控制 在實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制中，被控對(duì)象會(huì)受到來(lái)自各種渠道的干擾和影響，這些干擾和影響可能導(dǎo)致過(guò)程特性 的變化，甚至結(jié)構(gòu)的變化，這往往要求系統(tǒng)能根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在一個(gè)較好的工作狀態(tài) 。 自適應(yīng)控制就是通過(guò)在線辨識(shí)對(duì)象特性參數(shù)，實(shí)時(shí)改變控制策略，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在一個(gè)較好的工作狀態(tài)，但其控制效果取決于模型辨識(shí)的準(zhǔn) 確度，這在復(fù)雜系統(tǒng)