【導(dǎo)讀】西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

　　

【正文】 號(hào)。 這里的目的是為工程師識(shí)別和解釋各種設(shè)計(jì)選擇。 在一臺(tái)包含規(guī)則庫的控制器里，控制策略多少會(huì)以自然語言的形式儲(chǔ)存?？刂撇呗员还铝⒃谝?guī)則庫里，這和以描述為基礎(chǔ)的方程恰恰相反。一臺(tái)帶有規(guī)則庫的控制器對于一個(gè)非專家的使用者來說是很容易理解。 一臺(tái)等價(jià)的控制器用常西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 規(guī)的技術(shù)就能被控制，事實(shí)上， Fortran 曾說過任何帶有規(guī)則庫的控制器都 很好，對于操作員控制的系統(tǒng)，把控制策略孤立在規(guī)則庫是很方便的。 模糊控制器能被用在各種控制計(jì)劃里（國際電工委員會(huì)， 1996）最明顯的例子是直接控制，在那里，模糊控制器位于反饋控制系統(tǒng)的前相通道里。輸出和一個(gè)參考比較，如果有偏差，控制器根據(jù)控制策略采取控制行動(dòng)。對于多回路控制系統(tǒng)，箭頭在某個(gè)時(shí)刻包含幾個(gè)信號(hào)。控制器在這是一個(gè)模糊控制器，它代替了一個(gè)常規(guī)控制器，也就是比例 積分 微分控制器。 再前反饋控制系統(tǒng)中，一個(gè)可測量的擾動(dòng)需被彌補(bǔ)。它需要一個(gè)好的模型，但是數(shù)學(xué)模型是很難獲得或者代價(jià)太昂貴 。圖 1顯示的是一個(gè)控制器和模糊補(bǔ)償器，過程和反饋回路為了清楚被省略了。不考慮擾動(dòng)輸入，這個(gè)系統(tǒng)可被認(rèn)為是線形和非線性的控制結(jié)合；控制器 C 可以是線性比例 積分 微分控制器，而模糊控制器 F 就是一個(gè)補(bǔ)充的非線性控制器。 在參數(shù)適應(yīng)控制計(jì)劃里，模糊規(guī)則也被用來糾正調(diào)諧參數(shù)。（如圖 2）如果一個(gè)非線性裝置改變了控制點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)控制點(diǎn)改變控制器參數(shù)是很可能的。既然它原本是用來改變過程增益，所以它被叫做增益計(jì)劃表。一個(gè)增益控制器包含了線性控制器，它的參數(shù)作為一種控制點(diǎn)函數(shù)被改變了，它需要所有的裝置知識(shí)，但是它作為彌 補(bǔ)非線性和時(shí)變系統(tǒng)確實(shí)一個(gè)好方法。傳感器測量被用來作為時(shí)間變量，支配著控制器參數(shù)的改變。 不管系統(tǒng)是否是穩(wěn)定的，這都是一個(gè)必須討論的問題。穩(wěn)定性關(guān)系到系統(tǒng)達(dá)到平衡或接近平衡的能力。一個(gè)穩(wěn)定的線性系統(tǒng)將漸進(jìn)的達(dá)到平衡，不管系統(tǒng)狀態(tài)變量起始于何處。在線性系統(tǒng)里，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性是相對直接，比如判斷 系統(tǒng)所用的特征根是否都在負(fù)平面的左半軸。對于非線性系統(tǒng)，模糊系統(tǒng)經(jīng)常是非線性的 ,穩(wěn)定的概念就更復(fù)雜了 .一個(gè)非線性系統(tǒng) ,如果它靠近平衡點(diǎn) ,就認(rèn)為它是漸進(jìn)穩(wěn)定 .,即使它只是接近平衡點(diǎn) ,沒有達(dá)到平衡點(diǎn) ,它也會(huì)達(dá)到 ,它就是穩(wěn)定的 .(李亞普諾夫定理 ).對于非線性系統(tǒng) ,判斷系統(tǒng)穩(wěn)定的條件更難 ,一部分是因?yàn)橄到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性除了受到頻率的影響 ,還受到信號(hào)的振幅的影響 .我們所看到的文獻(xiàn)一般都是理論的 ,感興趣的讀者會(huì)看到 Driankov,Hellendoorn(1993)或者Passino ,Yurkovich(1998).他們 研究了四種方法 (李亞普諾夫函數(shù) ),他們?yōu)槲覀兲峁┝藥追N參考 . CF+控 制 器模 糊 補(bǔ) 償 器求 和偏 差u 圖 1 前向反饋控制 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 輸 入控 制 器 過 程模 糊 增 儀 表輸 出控 制 參 數(shù) 圖 2 模糊參數(shù)適應(yīng)控制 此方法是特有的 ,但是 ,他得出的結(jié)果是相當(dāng)保守的 ,為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定 ,結(jié)果又要變換成不可實(shí)現(xiàn)的小的增益因子 .另一種可能是把模糊控制器線性化 ,然后把常規(guī)的線性分析和設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到線性化后的模型上 .通過考察近似的程度 ,從某種意義來說 ,好像是非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍和線性近似的穩(wěn)定范圍 很接近 .這篇論文講述了怎樣建立線性近似 ,但它的理論背景還沒研究出 . 有四種找到控制規(guī)則的主要來源 : 1. 基于專家的經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí) .一個(gè)典型的例子是操作人員控制水泥窯的手冊 .最普遍的方法是建立這樣的規(guī)則集合 ,通過向有經(jīng)驗(yàn)的專家或操作人員咨詢 ,經(jīng)一定的試湊和調(diào)整 ,可獲得具有更好性能的控制規(guī)則 . 2. 基于操作人員的實(shí)際控制過程 .我們可以通過觀察操作人員的實(shí)際控制或記錄推出規(guī)則 .規(guī)則表達(dá)了系統(tǒng)輸入 輸出的關(guān)系 . 3. 基于過程的模糊模型 .一個(gè)語言上的規(guī)則庫可以被認(rèn)為是控制過程的逆模型 .因此模糊 控制規(guī)則可以通過求過程模糊模型的逆 .這種方法只限于低階系統(tǒng) ,假設(shè)開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的模糊模型是可得的 ,這種方法提供了一個(gè)明確的解決方法 .另一種方法是模糊識(shí)別法 ,或是模糊模型控制 . 4. 基于學(xué)習(xí) ,自組織控制器就是一種自我趙規(guī)則的控制器 .神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是另一種方法 .模糊控制器沒有什末設(shè)計(jì)方法 ,像現(xiàn)代控制有根軌跡設(shè)計(jì) ,頻率響應(yīng)設(shè)計(jì) ,點(diǎn)分布設(shè)計(jì)或穩(wěn)定判據(jù) ,因?yàn)橐?guī)則多是非線性的 .我們將著重介紹模糊控制器的基本組成元件和功能 ,來識(shí)別和理解模糊控制器設(shè)計(jì)的各種關(guān)于商業(yè)軟件包的選擇 .現(xiàn)在有很多的關(guān)于模糊控制和商業(yè)軟件工具的文獻(xiàn) ,但是對于易混淆的術(shù)語還沒有統(tǒng)一的說法 .盡管如此 ,人們已把術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)化了 ,跟著使用了國際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)草案 . 模糊控制器的結(jié)構(gòu) 在模糊控制器里 ,有些是專門支持設(shè)計(jì)步驟的元件 ,在圖 3 的結(jié)構(gòu)圖里 ,控制器位于過程前后中 .下面解釋了結(jié)構(gòu)圖 : 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 前 向 過 程 模 糊 化規(guī) 則 庫模 糊 推 理清晰后 向過 程模 糊 控 制 器 圖 3 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖 前期處理 輸入從許多測量裝置是很難測得的 .一個(gè)前期處理器 ,在進(jìn)入控制器前會(huì)考察測量的條件 .前期處理的例子有 : 1. 通過采樣或取整量化 。 2. 正規(guī)化或確定一個(gè) 特定 ,標(biāo)準(zhǔn)范圍 。 3. 為了去處擾動(dòng) ,濾波 。 4. 均衡考慮長期或短期的趨勢 。 5. 把多種測量方法結(jié)合起去獲得重要的指示 。 6. 區(qū)別和結(jié)合或找到他們離散的等價(jià)物 。 量化器為了以離散形式劃分最好的等級(jí)而改變等級(jí)是很必要的 .假設(shè) ,比如誤差變量有一個(gè)值是 ,但是變量的論域是 U=(5,4,? ,0? ,4,5)量化器把它歸為 5 時(shí)它達(dá)到最接近的水平 .量化過程能夠減少數(shù)據(jù) ,但是如果量化程度太粗 ,控制器就不好和參考量比較或者系統(tǒng)變得不穩(wěn)定了 . 非線性是可以選擇的 .在史密斯控制器里 ,操作人員被要求劃 分三個(gè)等級(jí) :小 ,中 ,大 .他們就是度量輸入的尺度的曲面上的點(diǎn) .綜合考慮 ,它可作為初期模糊集的曲解 .在控制器里 ,它易和增益因子混淆 ,使調(diào)諧很難控制 .當(dāng)控制器的輸入是誤差時(shí) ,控制策略在輸入和控制信號(hào)達(dá)到靜態(tài)匹配 .對于動(dòng)態(tài)控制器 ,還有額外的輸入 ,比如微分 ,積分 .這些都需要在前期處理器產(chǎn)生 ,它使控制器能多方向 ,這需要許多規(guī)則 ,使控制器很難設(shè)計(jì) .處理器然后把數(shù)據(jù)傳給控制器 . 模糊化 控制器里的第一個(gè)框圖是模糊化 ,它把每一個(gè)輸入數(shù)據(jù)按程度轉(zhuǎn)化成一個(gè)或幾個(gè)里隸屬函數(shù) .模糊化的過程就是結(jié)合輸入數(shù)據(jù)和規(guī)則的情況 ,決定每一條規(guī)則對應(yīng)什麼的輸入 .每一個(gè)語言術(shù)語都對應(yīng)一個(gè)輸入變量 . 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 規(guī)則庫 規(guī)則以前提和假設(shè)的形式包含幾個(gè)變量 .控制器因此既可應(yīng)用于多輸入多輸出系統(tǒng) ,也可應(yīng)用于單輸入 單輸出系統(tǒng) .典型的單輸入 單輸出問題就是通過調(diào)整誤差信號(hào)控制模糊器 .事實(shí)上 ,控制器需要誤差量和誤差變化率 ,累計(jì)誤差作為輸入 ,但是我們?nèi)钥砂阉Q為單環(huán)控制 ,因?yàn)樵瓌t上 ,這三個(gè)輸入量都是通過誤差測量的 . 簡單化 ,假設(shè)控制目標(biāo)是調(diào)整過程使輸出達(dá)到一被設(shè)置的點(diǎn)或參考點(diǎn) .上面的就揭示了它稱為單環(huán)控制的原因 . 通常 ,語言控制器包 含的規(guī)則是以如果 那末形式 .但是他們也能以不同形式出現(xiàn) .在許多系統(tǒng)中 ,規(guī)則都是以和下面很相似的形式出現(xiàn)的 : 如果誤差是負(fù) ,誤差變化率是負(fù)，那末輸出是負(fù)大 。 如果誤差是負(fù) ,誤差變化率是零，那末輸出是負(fù)中 。 如果誤差是負(fù) ,誤差變化率是正 ,那末輸出是零 。 如果誤差是零 ,誤差變化率是負(fù) ,那末輸出是負(fù)中 。 如果誤差是零 ,誤差變活率是零 ,那末輸出是零 。 如果誤差是零 ,誤差變化率是正 ,那末輸出是正中 。 如果誤差是正 ,誤差變化率是負(fù) ,那末輸出是零 。 如果誤差是正 ,誤差變化率是 零 ,那末輸出是正中 。 如果誤差是正 ,誤差變化率是正 ,那末輸出是負(fù)大 。 零、正、負(fù)都是模糊集的語言量，同樣還有負(fù)大、負(fù)中、正大、正中。同樣的內(nèi)容也可用下面的形式表示，一個(gè)更簡短的形式。 誤差輸出的誤差變化率 負(fù) 正 零 負(fù) 零 負(fù)中 負(fù) 負(fù) 負(fù)大 零 正 負(fù)中 零 零 零 零 負(fù) 負(fù)中 正 正 正大 正 零 正中 正 負(fù) 零 上面一行是標(biāo)題，寫有變量的名字。左邊那兩行是輸入，右邊那行是輸出，每行都代表一個(gè)規(guī)則。這種形式可能更適合想快點(diǎn)了解規(guī)則庫的有經(jīng)驗(yàn)的使用者。這個(gè)關(guān)系表更適 合放在關(guān)系規(guī)則庫里。