【導(dǎo)讀】控制方式和模式。溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制。過程帶來很大難題。系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。借助MATLAB中的Simulink和Fuzzy. 工具箱，對電阻爐PID控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明當(dāng)采用PID控。能性與PID控制的通用性、可靠性相互結(jié)合，提出了模糊控制與PID控制相結(jié)合的方案。指標(biāo)，是一種較為理想的智能性控制方案。

　　

【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 模糊控制 模糊控制的發(fā)展 控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制又包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制和仿人智能控制等。在古典控制理論中，應(yīng)用最成功的是比例積分微分 (PID)控制。它是一種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的常規(guī)控制算法，屬于線性控制。這種控制方式的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以不用被控對象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。該算法由于其簡單實用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。但是當(dāng)被控對象比較復(fù)雜時，便難以取得滿意 的控制效果?，F(xiàn)代控制理論為控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路。采用該理論進(jìn)行控制時，需要提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。盡管數(shù)值計算與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為求解模型參數(shù)提供了有效的方法和工具，但由于這些模型方程中有眾多的參數(shù)需要估計，而求解這些參數(shù)時又往往缺少足夠的信息特征和信息量，因此限制了現(xiàn)代控制理論的有效應(yīng)用。對于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過程，有時一個有實踐經(jīng)驗的操作人員，手動操作效果卻很好。操作人員恰恰是利用了人腦的特點，通過對外界事物進(jìn)行識別與判決，使看來不經(jīng)意的模糊手動操作達(dá)到精確控制的目的。 模糊控制理論是由美國加利福 尼亞大學(xué)著名教授 于 1965 年首先提出。他以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級控制策略。自從 1974 年英國的 首先把模糊語言組成的模糊控制器用于控制蒸汽發(fā)動機(jī)，在以后的二十多年中，模糊控制在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到人們的重視。模糊控制較大規(guī)模的研究是從 1980 年開始的。 1985 年，模糊推理集成塊開始開發(fā)。 1986 年，在日本，基于模糊控制技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品及系統(tǒng)開始出現(xiàn)，并在實際應(yīng)用中取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。之后，模糊 控制在許多國家如美國、西歐、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 中國、東南亞引起了廣泛的重視，并受到國際控制理論學(xué)術(shù)界的關(guān)注。 1984 年，國際模糊系統(tǒng)學(xué)會成立。 1985 年，召開了第一屆國際模糊系統(tǒng)學(xué)會的學(xué)術(shù)交流會，各國相繼成立了模糊控制系統(tǒng)工程研究所， 90 年代起，世界上一些大公司開始了模糊產(chǎn)品的開發(fā)，模糊理論與應(yīng)用研究及模糊產(chǎn)品的開發(fā)像一股強勁的風(fēng)浪席卷世界各地 【 13】 。 到目前為止，模糊控制還沒有統(tǒng)一的定義。但從廣義上可將它定義為：模糊控制指的是以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一類計算機(jī)數(shù)字控制方法或者定義為基于模糊集合理論、 模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對難以建立數(shù)學(xué)模型的對象實施的一種控制方法 。 其基本思想是在被控對象的模糊模型的基礎(chǔ)上，用機(jī)器去模擬人對系統(tǒng)控制的一種方法。 模糊控制的原理 模糊自動控制是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(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；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而有效的形式。 模糊控制系統(tǒng)組成 一個模糊控制系統(tǒng)必須包含一些必要的部件。模糊控制屬于計算 機(jī)數(shù)字控制的一種形式，它的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其框圖如圖 所示。 A / D被 控 對 象模 糊 控 制 器D / A傳 感 器執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) X Y圖 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） （ 1） 模糊控制器，是各類自動控制系統(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（或策略）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、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。而在模糊控制理論中，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)別于其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。 （ 2） 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，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。在 I/O 接口裝置中，除 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路。 （ 3） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括各交、直流電動機(jī)，伺服電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)，氣動調(diào)節(jié)閥和液壓電動機(jī)、液壓缸等。 （ 4） 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、生物的或其他各種的狀態(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。 （ 5） 傳感器。傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(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，在選擇傳感器時，應(yīng)注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 模糊語言與模糊推理 人們在日常生活中所使用的自然語言與計算機(jī)所能接受的形式語言 (如 C， Fortran)有很大的差別。自然語言的重要特點是它的模糊性，即自然語言中的某些詞匯很難用定量的方法確定它的確切外延。自然語言的這種模糊性是人類思維方式的特點，也是人類解決復(fù)雜問題、表達(dá)復(fù)雜思想所不可缺少的。這些含有模糊概念的語言可以稱為模糊語言。為了讓計算機(jī)能夠處理自然語言、表達(dá)和模擬人的智慧，人們將模糊集的概 念應(yīng)用到自然語言，提供了處理模糊概念的方法，以下列出了關(guān)于這方面的工作。 （ 1） 語言變量是 以 自然語言中的字、詞或句作為名稱，并且以自然語言中的單詞或詞組作為值的變量，它不同于一般數(shù)學(xué)中以數(shù)為值的數(shù)值變量。因此，語言變量實際上是一種模糊變量，是用模糊語言表示的模糊集合。例如，“年幼”、“年輕”、“年老”等用模糊語言表示的模糊集合。 （ 2） 自然語言具有模糊性和靈活性。語言算子是指語言系統(tǒng)中的一類修飾字詞的前綴詞或模糊量詞，通常加在單詞或詞組的前面，用來調(diào)整單詞或詞組的含義。根據(jù)語言算子功能的不同，通常劃分為語氣 算子、模糊化算子、判定化算子三種。 把“很”，“極”，“略”，“比較”，“微”等修飾詞加在一個單詞的前面 ， 會改變該詞的意義，使之變?yōu)橐粋€新詞。因而這些修飾可以看作一個算子，叫做語氣算子。 把“大概”，“大約”，“近乎”等詞加在一個單詞的前面，會使該詞的確切詞義模糊化。因此，它們也是一種算子，稱為模糊化算子。模糊化算子的產(chǎn)生，對模糊控制有很重要的意義。在模糊控制器運算的過程中，常常需要將測得的精確值轉(zhuǎn)化為模糊值，這個過程叫“模糊化”。 “屬于”，“接近”，“偏向于”，“傾向于”等詞是另外一種算子，叫做判定化算 子。與模糊化算子相反，判定化算子是將模糊化為肯定，在模糊中給出一個粗糙的判斷。 模 糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎(chǔ)是模糊邏輯，它是一種以模糊判斷為內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 前提，運用模糊語言規(guī)則，推出一個新的近似的模糊判斷結(jié)論的方法。雖然它的理論問題一直有爭議，但在應(yīng)用實踐中證明是有效的，并且用這種推理方法得到的結(jié)論與人的思維一致或相近。 對于模糊命題“若 A 則 B”， 在 1973 年利用模糊變換關(guān)系提出了近似推理的方法，稱為模糊推理合成規(guī)則。 設(shè) U 和 V 是兩個各自具有基礎(chǔ)變量 u， v的論域， R 是在 U V 論域上描述模糊蘊含“若 A 則 B”的模糊關(guān)系，對于給定的 1A ∈ U，可推得由 1A 引出的結(jié)論 1B ∈ V為： 1B = 1A 。 R (41) 式 (41)中，“ 。 ”表示合成運算。 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計 模糊控制策略 模糊邏輯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(jī)控制。它是隨著計算機(jī)技術(shù) 的 發(fā)展和工業(yè)過程控制對象日益復(fù)雜化而出現(xiàn)的，它屬于智能控制的范疇，如今在工業(yè)過程控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計一般分為六個環(huán)節(jié)：模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，模糊化設(shè)計，模糊控制規(guī)則設(shè)計，模糊算法設(shè)計，反模糊化設(shè)計和模糊控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。 首先根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗和技術(shù)知識總結(jié)成為 IF(條件 )THEN(結(jié)果 )形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息 (如 ： 初始的 PID 參數(shù) )存入計算機(jī)中。根據(jù)電 阻 爐的響應(yīng)情況，計算出采樣時刻的溫度誤差 e 和誤差變化 ec，然后將溫度誤差 e 和誤差變化 ec 作為模糊控制系統(tǒng)的輸入， 使之 可以滿足不同時刻的溫度誤差 E和誤差變化 EC 之間的模糊關(guān)系，在進(jìn)行中不斷檢測溫度誤差 E和誤差變化 EC，運用模糊推理進(jìn)行模糊運算，實現(xiàn)對參數(shù)的最佳調(diào)整，從而使被控制對象具有良好的動、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 靜態(tài)性能。模糊推理部分主要由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分組成。模糊控制系統(tǒng)的實現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實現(xiàn)或由計算機(jī) (或微處理機(jī) )的程序來實現(xiàn)，用計算機(jī)實現(xiàn)的具體過程如下： 1．求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差 e。微機(jī)通過采樣獲得系統(tǒng)被控量的精確值，然后將其與給 定值比較，得到系統(tǒng)的誤差。 2．計算誤差變化率 dtde 。這里，對誤差求微分，指的是在一個 A/D 采樣周期內(nèi)求誤差的變化△ e。 控 制 規(guī) 則模 糊 化 處 理 逆 模 糊 化計 算 誤 差 變 化 率模 糊 推 理EE CeUu 圖 模糊控制 系統(tǒng) 的組成 3．輸入量的模糊化。由 于 前 面 得到的誤差 e 及誤差變化率 ec 都是精確值， 所以 ，必須將其模糊化變成模糊量 E、 EC。同時，把語言變量 E、 EC 的語言值化為某適當(dāng)論域上模糊子集 (如“大”、“小”、“快”、“慢”等 )。 4．控制規(guī)則。它是模糊控制系統(tǒng)的核心，是專家的知識或 現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗的一種體現(xiàn)，即控制中所需要的策略?？刂埔?guī)則的條數(shù)可能有很多條，那么需要求出總的控制規(guī)則 R，作為模糊推理的依據(jù)。 5．模糊推理。輸入量模糊化后的語言變量 E、 EC(具有一定的語言值 )推理部分的輸入，再由 E、 EC 和總的控制規(guī)則 R，根據(jù)推理規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到模糊控制量 U 為： U= 1)*( TECE 。 R (42) 6．逆模糊化。為了對被控對象施加精確的控制，必須將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量 U，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 即逆模糊化。 7．計算機(jī)執(zhí)行完 1~6 步驟后，即完成了對被控對象的一步控制，然后等到下一次A/D 采樣，再進(jìn)行第二步控制，這樣循環(huán)下去，就完成了對被控對象的控制。 模糊控制規(guī)則 控制規(guī)則的輸入是在 Rule Editor 窗口輸入的，以 ifthen 的形式表達(dá)。溫度控制規(guī)則共 56 條如表 所示： 表 模糊 控制規(guī)則表 U EC E PB PM PS O NS NM NB PB PB PB PB PB PM O O PM PB PB PB PB PM O O PS PM PM PM PM O NS NS PO PM PM PS O NS NM NM NO PM PM PS O NS NM NM NS PS PS O NM NM NM NM NM PS PS O NM NM NM NM NB O O NM NB NB NB NB 模糊 ifthen 規(guī)則又稱模糊隱含或模糊條件語句。 ifthen 規(guī)則語句用以闡明包含模糊邏輯的條件語句。一個單獨的模糊 ifthen 規(guī)則形式如下： if x is A then y is B 其中， A 和 B 是由模糊集合分別定義在 x， y范圍 (論域 )上的語言值。模糊規(guī)則中的if 部分“ x is A”被 稱為規(guī)則的前提或假設(shè)，同時 then 部分“ y is B”被稱為結(jié)果或結(jié)論。實質(zhì)上，該表達(dá)式描述了變量 x 與 y 之間的關(guān)系。因此，我們可以把 ifthen 規(guī)則定義為乘積空間中的二元模糊關(guān)系。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 例如，要購買一個軟件，其價格由其用戶界面和軟件功能決定。若單獨考慮其價格，則： if interface is good then charge is high。 注意“ good”用一個 0 和 1 之間的數(shù)字表示，因此所謂的前提是一個解析，它返回一個 0 和 1 之間的單位。另一面，“ high”由一個模糊集合表示，因此所謂的結(jié)果是一個分配 ，它分配整個模糊集合 B 到輸出變量 y。在 ifthen 規(guī)則中，當(dāng)“ is”分別出現(xiàn)在前提和結(jié)果中時，其意義完全不同。就如在 MATLAB 術(shù)語中，使用關(guān)系運算符“＝ =”和使用變量賦值符號“＝”時，其意義也完全不同，書寫這個規(guī)則時，避免混淆的寫法是：if interface＝＝ good then charge＝ high， 一般 來說 ， ifthen 規(guī)則的輸入是輸入變量的當(dāng)前值 (