【正文】 3. 2. 3 模糊 控制 器 模糊控制器（ FCFuzzy Controller）又稱為模糊邏輯控制器（ FLCFuzzy Logic Controller）。模糊控制器一般由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)程序和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，計(jì)算機(jī)可以是單片機(jī)、工控機(jī)、 IPC等各種類型的微型計(jì)算機(jī)，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以是匯編語(yǔ)言， C語(yǔ)言及其其它語(yǔ)言。 由于大部分檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)都是模擬信號(hào)，因此輸入輸出接口通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ A/D）和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（ D/A）。 (4) 輸入輸出接口 輸入輸出接口是連接計(jì)算機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的橋梁，由圖 31可以看出，輸入接口主要是與檢測(cè)裝置連接的，它把檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)并輸入給計(jì)算機(jī)。 (3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對(duì)象賴以施加控制作用的裝置，如工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用最典型最普遍的各種控制閥。它們能夠檢測(cè)到各種變量如溫度、流量、位移、壓力、轉(zhuǎn)速、液位、角度等并將其放大轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)以供系統(tǒng)使用。對(duì)于這些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的、非線性和時(shí)變的復(fù)雜對(duì)象，模糊控制策略是一種比較適宜的方案。在工業(yè)上，比較典型的被控對(duì)象是由各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程。 (1) 被控對(duì)象 被控對(duì)象可以是一種設(shè)備，可以是一種裝置，也可以是由若干個(gè)裝置或設(shè)備組成的綜合體，它們?cè)谝欢ǖ募s束條件下工作以實(shí)現(xiàn)人們的某種控制目的。 同時(shí)，模糊控制系統(tǒng)也是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，被控制量可以反饋到模糊控制器，與初始的設(shè)定值相比較，根據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行控制。 模糊控制系統(tǒng)的框圖如圖 31所示： 圖 31 模糊控制系統(tǒng)框圖 [33] 從圖 31可以看出，模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架與一般的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)基本上是類似的，只是它是以模糊控制器作為控制器。而在專家系統(tǒng)、第三章 灰色預(yù)測(cè)模糊控制算法 19 聚類分析、故障診斷和圖像等領(lǐng)域也有模糊邏輯應(yīng)用的足跡。在模糊邏輯的應(yīng)用方面更是富有成效， 1974年，英國(guó)學(xué)者 控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并把它成功地運(yùn)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，繼這一開拓性的工作后，模糊邏輯先后在機(jī)器人、工業(yè)過(guò)程控制、交通運(yùn)輸?shù)确矫娴玫酱罅康膽?yīng)用。各種關(guān)于模糊理論的組織和期刊相繼開辦。尤其是在自動(dòng)控制領(lǐng)域，因?yàn)槟：壿嫷膶?shí)際應(yīng)用成功的多米諾骨牌效應(yīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)模糊控制理論和方 法的廣泛關(guān)注 [32]。這兩者雖然都具有不確定性的特點(diǎn)，但是卻有著本質(zhì)的區(qū)別：模糊性主要體現(xiàn)在人針對(duì)概念外延主觀認(rèn)識(shí)的不確定性；而隨機(jī)性是對(duì)事件或行為發(fā)生與否的不確定性，表達(dá)了客觀上的自然的不確定性 [32]。不確定性的一種表現(xiàn)就是模糊性，它普遍存在于人類思維和語(yǔ)言交流中。 “精確 ”和 “模糊 ”是一對(duì)相對(duì)的概念。 3. 2 模糊控制 3. 2. 1 模糊控制的概念和發(fā)展 控制論的創(chuàng)始人維納教授在談到人勝過(guò)最完善的機(jī)器時(shí)說(shuō)過(guò)： “人具有運(yùn)用模糊概念的能力 ”。由于電液比例減壓閥存在滯環(huán)、死區(qū)等非線性因素，且液壓系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，控制策略選擇的好壞對(duì)系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要 [31]。如模糊 PID控制、智能 PID控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊預(yù)測(cè)控制等，這種復(fù)合式控制方法有利于揚(yáng)長(zhǎng)避短，能很好的達(dá)到控制要求。在數(shù)學(xué)方程很難建立，其他經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場(chǎng)合中，模糊控制實(shí)現(xiàn)了比較理想的控制。模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語(yǔ)言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級(jí)控制策略 [30]。隨著控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，由于變量太多，往往很難描述出較精確的動(dòng)態(tài)模型，繼續(xù)使用傳統(tǒng) 的控制方法就很難達(dá)成理想的控制效果。目前關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究仍然還存在著一些問(wèn)題，如學(xué)習(xí)算法收斂速度太低、許多情況下存在局部最優(yōu)、需要研究建模算法和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性等，所以需要將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他控制方法有機(jī)的結(jié)合起來(lái) [29]，才能擁有更好的發(fā)展前景。它具有對(duì)非線性函數(shù)逼近、大規(guī)模并行處理、學(xué)習(xí)、尋優(yōu)和自適應(yīng)、自組織等能力 [21]。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（ Neural Network Control）是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制，簡(jiǎn)稱神經(jīng)控制，是實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要形式，最早由心理學(xué)家 Mcculloch和數(shù)學(xué)家 Pitss在 20世紀(jì) 40年代合作提出。與經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論相比，智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在高層控制上 [28]。 (7) 智能控制（ Intelligent Control） 智能控制指在無(wú)人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。從灰色預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)的控制結(jié)構(gòu)上可大致分為兩類：一類是在傳統(tǒng)的 PID反饋控制中加入 灰色預(yù)測(cè)模塊 [23~25]；另一類是將灰色預(yù)測(cè)與模糊控制相結(jié)合形成灰色預(yù)測(cè)模糊控制 [26]。灰色預(yù)測(cè)控制屬于超前控制，區(qū)別于屬于事后控制的傳統(tǒng)控制方法，為控制理論的更新提出了一類新機(jī)制 [22]。 灰色預(yù)測(cè)控制是將控制理論與灰色系統(tǒng)理論相結(jié)合的一種新型控制方 法。 3）在線校正的魯棒性 在預(yù)測(cè)控制中，把系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)預(yù)估問(wèn)題分為預(yù)測(cè)模型的輸出預(yù)測(cè)和基于偏差的預(yù)測(cè)校正兩部分。預(yù)測(cè)控制的主要特點(diǎn)如下： 1）預(yù)測(cè)模型的多樣性 從原理上講，只要是具有預(yù)測(cè)功能的受控對(duì)象模型，無(wú)論采用什么描述形式和建模方法，都可以作為預(yù)測(cè)模型。 模型預(yù)測(cè) 控制的基本結(jié)構(gòu)模式主要有三種： 1）以非參數(shù)模型為預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)控制算法； 2）與經(jīng)典自適應(yīng)相結(jié)合的一類長(zhǎng)程預(yù)測(cè)控制算法； 3）基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 另一類預(yù)測(cè)控制算法。在液壓控制中， H∞控制理論已經(jīng)有了不少應(yīng) 用性的研究，但在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用卻還比較少，有待繼續(xù)努力。 魯棒控制的主要研究方法有： 1）研究對(duì)象是閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣或特征多項(xiàng)式的代數(shù)方法； 2）從系統(tǒng)傳遞函數(shù)或傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)的頻域法 [21]。魯棒控制是研究當(dāng)系統(tǒng)有一定范圍的參數(shù)不確定性及一定限度的未建模誤差時(shí)的控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題，使系統(tǒng)閉環(huán)仍能保持穩(wěn)定 并保證期望的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。魯棒控制方面的研究始于 20世紀(jì) 50年代，由于工作狀況變動(dòng)、外部干擾以及建模誤差的緣故，實(shí)際工業(yè)過(guò)程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)固定的控制器，使具有不確定性的對(duì)象滿足控制品質(zhì)，也就是魯棒控制，成為國(guó)內(nèi)外科研人員的研究課題。 (5) 魯棒控制（ Robust Control） 魯棒性是指控制系統(tǒng)在未建模動(dòng)態(tài)特性、過(guò)程噪聲、隨機(jī)擾動(dòng)的情況下，仍然能夠維持某些性能的特性。變結(jié)構(gòu)控制已經(jīng)成為新型控制技術(shù)的一個(gè)重要分支，從第三章 灰色預(yù)測(cè)模糊控制算法 15 廣義上講，變結(jié)構(gòu)控制在多數(shù)情況下指的是滑膜控制，如開關(guān)控制、多模態(tài)控制等都屬于變結(jié)構(gòu)控制。 “變結(jié)構(gòu) ”一詞意味著控制器的結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，其基本原理在于：當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)穿越狀態(tài)空間的滑動(dòng)超平面時(shí)，反饋控制的結(jié)構(gòu)就發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)性能達(dá)到某個(gè)期望指標(biāo)（ 1977年由 ） [20]。 (4) 變結(jié)構(gòu)控制（ Variable Structure Control） 控制對(duì)象 的復(fù)雜程度日漸增加，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境因時(shí)而異，在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，又不可避免地會(huì)遇到不確定性模型，研究人員不得不在穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能之 間作出某種協(xié)調(diào)，以確?？刂葡到y(tǒng)既具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，又能獲得較高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 3).自適應(yīng)控制的魯棒性 魯棒性是指當(dāng)系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)特性、過(guò)程噪聲、隨機(jī)擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定性和必要的動(dòng)態(tài)性能。目前，關(guān)于非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制算法收斂性的研究結(jié)果還比較少，很不系統(tǒng)，與應(yīng)用要求還有較大的差距。 1974年吉爾巴特和溫斯頓（ Gilbart and Winston）在 24in的光學(xué)跟蹤望遠(yuǎn)鏡中利用模型參考自適應(yīng)控制把跟蹤精度提高了五倍以上； 1984年 察船舶通用的 PID調(diào)節(jié)器，實(shí)踐證明船舶在復(fù)雜變化的隨即環(huán)境下依舊能準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行 [19]。它將已知控制對(duì)象特性的模型辨河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 識(shí)和根據(jù)已知特性決定控制量的控制規(guī)律設(shè)計(jì)這兩方面的問(wèn)題結(jié)合在一起考慮，是一種新型的控制方法。這類問(wèn)題的解是以狀態(tài)變量作為函數(shù)的控制量，特別是當(dāng)假設(shè)時(shí)間域?yàn)闊o(wú)限大的情況下，可以用 Riccati代數(shù)方程式來(lái)求得最優(yōu)解，最優(yōu)控制量則由時(shí)不變狀態(tài)反饋增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。 從數(shù)學(xué)意義上講，最優(yōu)控制其實(shí)是一種求極值的方法，即在一組約束為等式或不等式的條件下，使得目標(biāo)函數(shù)取極值，即最大值或最小值。在 20世紀(jì) 50年代末，龐特里亞金和貝爾曼兩位科學(xué)家為最優(yōu)控制做出了奠基性的研究工作。采用智能控制技術(shù)，可以將模 糊控制與 PID控制結(jié)合形成模糊 PID控制，智能控制與 PID控制結(jié)合形成智能 PID控制，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID控制等，這種復(fù)合 PID控制能很好的達(dá)到控制要求 [16]。隨著對(duì)系統(tǒng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的 PID控制往往不能滿足系統(tǒng)要求，在這種情況下，對(duì)傳統(tǒng)的 PID控制進(jìn)行改造，使其適應(yīng)新的系統(tǒng)要求成為了新的研究熱點(diǎn)。在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié) Kd和 Kp兩個(gè)參數(shù)即可使液壓機(jī)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)控制的狀態(tài)，積分增益系數(shù) Ki對(duì)液壓機(jī)構(gòu)的影響不大，一般可以不予考慮?，F(xiàn)在，我國(guó)對(duì) PID第三章 灰色預(yù)測(cè)模糊控制算法 13 控制器的應(yīng)用也非常普遍。常見的先進(jìn)控制策略如下： (1) PID控制 在工業(yè)控制過(guò)程中， PID控制是歷史最悠久、生命力最強(qiáng)的控制方式 [15]。所以液壓同步閉環(huán)控制已經(jīng)越來(lái)越得到人們的重視， 特別是隨著現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，該種控制方式幾乎在所有需要高精度同步控制的液壓系統(tǒng)上都得到了較好的應(yīng)用。開環(huán)控制的液壓系統(tǒng)，由于它完全地依靠液壓控制元件本身的精度來(lái)控制執(zhí)行元件的同步驅(qū)動(dòng)，而并不對(duì)執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)與反饋，所以它不能消除或者抑制那些會(huì)對(duì)高精度同步產(chǎn)生不利影響的因素。要使這些系統(tǒng) 都能擁有令人滿意的性能，就必須研究系統(tǒng)的性能補(bǔ)償問(wèn)題與近代的控制策略。目前已知的研究已經(jīng)大體上解決了液壓控制系統(tǒng)本身的理論，近年來(lái)的研究大多是傾向于利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)（如多變數(shù)液壓系統(tǒng)）、對(duì)復(fù)雜因素（如非線性、時(shí)變等）進(jìn)行仿真分析的研究，其中大量的研究是圍繞著動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的。 經(jīng)過(guò)我們查找資料、分析研究以及專家人員的指導(dǎo)，我們綜合了兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)，將上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)跟 PLC 控制柜安置在現(xiàn)場(chǎng)，二者之間通過(guò)以 RS422 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的異步雙向通信，然后上位機(jī)通過(guò) Inter 網(wǎng)絡(luò)跟遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)相連接，這樣就可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作控制，同時(shí)專家人員也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀察整個(gè)施工過(guò)程，需要的話也可以及時(shí)地提供實(shí)時(shí)的指導(dǎo)。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)方案可供選擇： 方案一： PLC 控制系統(tǒng)以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)全部安置在施工危險(xiǎn)區(qū)域界外，二者之間的通信建立在以 RS422 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的異步雙向通信上的，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)操作控制系統(tǒng)； 方案二： PLC 控制系統(tǒng)安置在施工危險(xiǎn)區(qū)域界外，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以 安置在別處，可以在辦公室，也可以在另外一個(gè)城市，二者直接通過(guò) Inter 網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)專家人員來(lái)遠(yuǎn)程遙控整個(gè)施工過(guò)程。 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 11 圖 22 液壓同步頂升控制系統(tǒng)主回路接線圖 2. 4 監(jiān)控模式的選擇 液壓同步頂升控制系統(tǒng)往往應(yīng)用在建筑物整 體移位、建筑模板自動(dòng)爬升、大型設(shè)備起重安裝等領(lǐng)域 ,操作對(duì)象往往是大型物體，因此施工過(guò)程中的安全是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，這就對(duì)施工單位的安全施工提出了比較高的要求。輔助線路包括控制電路﹑照明電路﹑信號(hào)電路和保護(hù)電路。其中 FU為保險(xiǎn)絲， QF 為空氣開關(guān)， KM 為接觸器， FR 為熱繼電器。 主線路是電氣控制線路中大電流通過(guò)的部分，包括從電源到電動(dòng)機(jī)之間相連 的電器元件，一般由組合開關(guān)﹑主熔斷器﹑接觸器主觸點(diǎn)﹑熱繼電器的熱元件和電動(dòng)機(jī)等組成。 2. 3 液壓同步頂升控制系統(tǒng)主要電氣原理圖 電氣控制線路是用導(dǎo)線將電動(dòng)機(jī)、電器，儀表等元器件按一定的要求連接起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)某種特定控制要求的電路。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)采集來(lái)的位移進(jìn)行比較、決策，然后向 PLC 發(fā)送 控制指令，控制與位移傳感器相關(guān)聯(lián)的千斤頂動(dòng)作。 位移傳感器采集到的位移初步處理由可編程控制器 PLC 完成，比如進(jìn)行一些對(duì)數(shù)據(jù)的放大、縮小等操作來(lái)滿足上位機(jī)的要求。 如圖 21 所示，泵站由可編程控制器 PLC 對(duì)其閥件進(jìn)行控制，使千斤頂、液壓泵、電液比例減壓閥等按要求動(dòng)作。液壓泵和千斤頂之間由高壓輸油管道連接，液壓泵和千斤頂可以根據(jù)工程實(shí)際需要自由配置，進(jìn)行重構(gòu)使用。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有功率重量比大，通過(guò)管道便可以進(jìn)行能量分配和能量傳遞，易于實(shí)現(xiàn) 直線運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，因此對(duì)大型建筑物進(jìn)行頂升一般都采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu) [12]。在滿足液壓泵負(fù)載要求的前提下，千斤頂可以通過(guò)分配器連接到同一個(gè)液壓泵上。 2. 2 系統(tǒng)總體框架 液壓同步頂升控制系統(tǒng)由 PC 機(jī)、可編程邏輯控制器（ PLC）、電液比 例減壓閥、壓力傳感器、位移傳感器、現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、液壓設(shè)備及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。由于裝車臺(tái)凈空高度不夠，影響裝車 ，要求整體升高 米，基于裝車臺(tái)整體升高改造工程的需求，本文在利用現(xiàn)代測(cè)量理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合同步頂升理論和控制算法，研究了一套液壓同步頂升控制的設(shè)計(jì)方案，完成建筑物同步頂升工作中的承載 頂升 保持的過(guò)程。此過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是頂升過(guò)程的逆過(guò)程，承受的負(fù)載相同，下降方法也相似，只是位移方向相反而已。 (4)帶載下降 帶載下降是在頂升以及后續(xù)的施工全部完成后，將建筑物降回到原始的位置的過(guò)程，一般應(yīng)