【正文】 (5)模糊推理系統(tǒng)的選擇最常見(jiàn)的模糊推理系統(tǒng)是具有模糊產(chǎn)生器和消除器的模糊邏輯系統(tǒng)(Man。因此，當(dāng)EC為負(fù)時(shí)水位又上漲趨勢(shì)，如果此時(shí)水位為高，則應(yīng)關(guān)閉水發(fā)以減小入水量，使水位降下來(lái)；反之，開(kāi)大水閥。則輸入偏差對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篍={8，7，6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6，7，8}設(shè)輸入偏差的變化用模糊語(yǔ)言變量的模糊集EC表示，即:EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)?EC={8，7，6，5，4，3，2，1，0，l，2，3，4，5，6，7，8}設(shè)控制量的變化用模糊語(yǔ)言變量的模糊集U表示，即:U={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}其中，NB表示水閥關(guān)得很快，NM表示水閥關(guān)得快，NS表示水閥關(guān)得有點(diǎn)快，ZE表示水閥保持正常開(kāi)度，PS表示水閥關(guān)得有點(diǎn)慢，PM表示水閥關(guān)得慢，PB表示水閥關(guān)得很慢。(2)輸入變量及輸出變量的模糊化進(jìn)行模糊控制，要將上述輸入變量及輸出變量用模糊語(yǔ)言變量的模糊子集表示。當(dāng)k時(shí)刻的水位偏差高于k1時(shí)刻的水位偏差，說(shuō)明水量變化在增大，即實(shí)際水位有上漲趨勢(shì)，偏差變化為“負(fù)”；相反，當(dāng)k時(shí)刻的水位偏差低于kl時(shí)刻的水位偏差，偏差變化為“正”，模糊控制器的輸出量是閥門開(kāi)度u(k)的變化，它直接影響水位y(k)的變化。當(dāng)水位y(k)高于yr(k)時(shí)，即實(shí)際水位高于給定水位，偏差為“負(fù)”，水位高得越多則偏差負(fù)得越大；相反，y(k)低于yr(k)時(shí)，即實(shí)際水位低于給定水位，偏差為“正”，水位低得越多，則偏差正得越大。但PID控制方案下，系統(tǒng)的超調(diào)量較大，過(guò)渡過(guò)程不太平穩(wěn)，控制效果不是很好。 干擾不加延時(shí)的雙沖量仿真曲線圖參數(shù)確定為：=235，KI =110，KD =85設(shè)定值為10。 雙沖量仿真曲線圖經(jīng)湊試，參數(shù)確定為：=235，KI =110，KD =85設(shè)定值為10。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對(duì)象，或是一階加純滯后的對(duì)象，否則，在純比例控制情況下，系統(tǒng)將不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩，因此，這種方法也就無(wú)法應(yīng)用了。 臨界比例度法的整定參數(shù)δ/%TITDP2δkPIPID 臨界比例度法應(yīng)用起來(lái)比較簡(jiǎn)單。若的過(guò)渡過(guò)程成衰減振蕩，則繼續(xù)減小δ值，若的過(guò)渡過(guò)程呈發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大δ值，直到調(diào)至某一值，過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩，這時(shí)過(guò)渡過(guò)程稱之為臨界振蕩過(guò)程。 曲線衰減法的整定參數(shù)δ/%TiTdPδsPIPID 2．臨界比例度法在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器的積分時(shí)間TI放到最大，微分時(shí)間TD放到最小，比例度δ設(shè)置為100%。對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)，取n=10：1，同時(shí)測(cè)出振蕩周期Ts。3．若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。 　2．如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。 　1．首先只整定比例部分。然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，從而確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)。利用PID控制系統(tǒng)分別對(duì)汽包液位的單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真曲線進(jìn)行對(duì)比。用戶只需用鼠標(biāo)器選擇所需模塊在模型窗口上“畫出”模型(雙擊任何模塊，即可代開(kāi)該功能塊來(lái)完成參數(shù)的設(shè)定)，然后用鼠標(biāo)器將它們連接起來(lái)，就可以構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的框圖描述，亦即得出系統(tǒng)的SIMULINK描述。交互式的模型輸入與仿真環(huán)境SIMULINK工具箱是MATLAB軟件的擴(kuò)展，主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。模糊邏輯工具箱提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種途徑。由于Simulink環(huán)境川戶擺脫了深?yuàn)W數(shù)學(xué)推演的壓力和煩瑣編程的困擾，囚此用廠，在此環(huán)境會(huì)產(chǎn)生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思維，感悟出新的真諦。在Simulink環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時(shí)需做理想化假設(shè)的無(wú)奈觀察到現(xiàn)實(shí)世界中摩擦、風(fēng)阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機(jī)因素對(duì)系統(tǒng)行為的影響。Simulink還提供了封裝和模塊化工具，其適用幣復(fù)雜、多層次、高非線性的系統(tǒng)仿真。Simulink提供了用鼠標(biāo)“畫”出系統(tǒng)框圖的方式，可以行圖形建模。MATLAB語(yǔ)言的主要特點(diǎn)如下：(1)強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能(MATTICS)；(2)廣泛的符號(hào)運(yùn)算功能(SYMBOLIC)；(3)高級(jí)與低級(jí)兼?zhèn)涞膱D形功能(FIGURE)；(4)圖形化控制仿真程序設(shè)計(jì)功能(SIMULINK)；(5)可靠的容錯(cuò)功能(ERROR COMPATIBILITY)；(6)應(yīng)用靈活的兼容與接口功能(INTERFACE)；(7)信息量豐富的聯(lián)機(jī)檢索功能(INFORMATION) 關(guān)于SIMUL1NKSIMULINK是MATLAB環(huán)境下的數(shù)字仿真工具，是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的集成環(huán)境。其他諸如信號(hào)處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科，也紛紛MATLAB中加入了各種實(shí)用的專用工具，使得MATLAB語(yǔ)言越來(lái)越完善功能越來(lái)越強(qiáng)大。MATLAB語(yǔ)一言設(shè)計(jì)者的初衷是為了解決數(shù)學(xué)中“線性代數(shù)”課程的陣運(yùn)算問(wèn)題而進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。根據(jù)上述步驟，再結(jié)合設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際情況，就可以設(shè)計(jì)出滿足需要的模糊PID控制系統(tǒng)。當(dāng)偏差e在閥值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)，即e落到閥值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成PID控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。根據(jù)步驟四的模糊控制規(guī)則和步驟二﹑步驟三中確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出。確定模糊控制規(guī)則要遵守的原則是保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)性能達(dá)到最佳。④確定模糊控制規(guī)則。③在每個(gè)變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集。一般輸入變量取為系統(tǒng)的偏差和偏差變化率，輸出變量為PID參數(shù)U。當(dāng)偏差e在閥值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)，即e落到閥值之內(nèi)時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成PID控制工作，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。 模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu) 模糊PID控制器主要由純模糊控制器和PID控制器組成。這里采用的是多模態(tài)模糊PID控制原理。（2）多模態(tài)模糊PID控制原理這種控制策略是：在大偏差范圍內(nèi)，即偏差e在某個(gè)閥值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)，即e落到閥值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成PID控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。對(duì)于汽包液位控制，其誤差e和誤差變化量作為模糊控制器的輸入量，以滿足不同e和對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，根據(jù)模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)，再代入下式計(jì)算： (310)式中：、KI、KD為PID 3個(gè)控制參數(shù)的取值，、為PID參數(shù)基準(zhǔn)值；Δ、ΔKI、ΔKD為PID參數(shù)校正值。通過(guò)對(duì)人在進(jìn)行控制器參數(shù)調(diào)整時(shí)思維方式的分析，產(chǎn)生了一些控制方法例如：模糊自適應(yīng)PID參數(shù)控制器；多模態(tài)模糊PID控制原理等方法。同時(shí)，即使PID參數(shù)調(diào)整的很好，用同一組固定的PID參數(shù)去適應(yīng)系統(tǒng)的全過(guò)程，當(dāng)控制對(duì)象參數(shù)變化后，系統(tǒng)的性能必然也會(huì)受到影響。PID控制算法對(duì)大多數(shù)過(guò)程都具有較好的控制效果和適應(yīng)性，至今仍為控制過(guò)程所廣泛采用。若要提高精度則必然增加量化級(jí)數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時(shí)控制，有待人們進(jìn)一步地研究探索。控制規(guī)則的選擇、論域的選擇、模糊集的定義、量化因子的選取多采用湊試法，這對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的[17]。雖然模糊控制取得了很多研究成果，但是由于它的發(fā)展歷史還不長(zhǎng)，因此，理論上的系統(tǒng)性和完善性，技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性還都是不夠的；另一方面，模糊控制雖有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但并不能取代傳統(tǒng)的控制方法，而是作為后者的補(bǔ)充和改進(jìn)。這些優(yōu)點(diǎn)使模糊控制作為一種新的控制理論模式而在工業(yè)生產(chǎn)及其它領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。(4) 采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。(2) 對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。模糊控制器在最近的短短十多年來(lái)發(fā)展如此迅速，受到工程技術(shù)人員的如此歡迎主要?dú)w結(jié)為模糊控制器的以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 使用語(yǔ)言方法，可不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。因此人們希望把這種經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的行為過(guò)程總結(jié)成一些規(guī)則，并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計(jì)出控制器。 模糊控制器的優(yōu)缺點(diǎn)模糊控制器的基本思想是用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制，它是受這樣事實(shí)而啟發(fā)的：對(duì)于用傳統(tǒng)控制理論無(wú)法進(jìn)行分析和控制、復(fù)雜而無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜覅s能取得比較好的控制效果。輸出控制量的比例因子Ku作為模糊控制器總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，Ku選擇過(guò)小會(huì)使動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，而Ku選擇過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇。Kec較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)較小，但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。因?yàn)镵e增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，雖然能使上升時(shí)間變短，但是由于超調(diào)過(guò)大，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。Ke過(guò)小，系統(tǒng)上升速度過(guò)小，可能造成系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。輸出控制量的比例因子由下式確定： (39)對(duì)輸出而言的比例因子起比例作用。誤差變量所取的模糊論域?yàn)椋簕n，n+1，．．．0，．．．n1，n}誤差變化變量所取的模糊論域?yàn)椋簕m，m+1，．．．0，．．．ｍ1，ｍ}控制量所取的模糊論域?yàn)椋海欤?，．．．ｌ｝(2) 量化因子和比例因子為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊論域，這中間必須將輸入變量乘以相應(yīng)的量化因子。 模糊論域、量化因子和比例因子的選擇(1) 模糊論域和基本論域模糊控制器的輸入變量誤差、誤差變化的實(shí)際范圍稱為這些變量的基本論域，設(shè)誤差的基本論域?yàn)閇emax，+emax]，誤差變化的基本論域?yàn)閇ecmax，+ecmax]。④加權(quán)平均法加權(quán)平均法是將各等級(jí)隸屬度與該等級(jí)值相乘，并求乘積和，然后除以隸屬度和，所得值即為控制決策值，即控制決策值=[∑(等級(jí)值隸屬度)]/ ∑隸屬度 (37)以上幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，究竟采用何種方法不能一概而論，應(yīng)視具體情況而定。中位數(shù)法就是把模糊集中位數(shù)作為系統(tǒng)控制量。因?yàn)樵摲ㄅ懦似渌磺须`屬度較小的論域元素(量化等級(jí))的作用，顯得比較粗糙，只能用于控制性能要求一般的系統(tǒng)中。②最大隸屬度法這種方法非常簡(jiǎn)單，直接選擇模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制量，如果在多個(gè)論域元素上同時(shí)出現(xiàn)隸屬度最大值，則取它們的平均值。(4)解模糊解模糊可以看作是模糊化的反過(guò)程，它的作用是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為實(shí)際用于控制的清晰量，它包括以下兩部分的內(nèi)容：(1) 將模糊的控制量經(jīng)反模糊化變成表示在論域范圍的清晰量(2) 將表示在論域內(nèi)的清晰量經(jīng)尺度變換變成實(shí)際控制量，解模糊過(guò)程可以看作是從模糊空間到清晰空間的一種映射，這個(gè)映射稱為判決。常用的模糊推理方法是最大最小推理。模糊推理具有模擬人的運(yùn)用模糊概念進(jìn)行推理的能力。(3)模糊推理推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。這些規(guī)則實(shí)質(zhì)是人類控制行為的一種語(yǔ)言描述。建立模糊控制規(guī)則的常用方法是經(jīng)驗(yàn)歸納法。在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)輸入、輸出論域的模糊子集常常用有標(biāo)識(shí)性的符號(hào)標(biāo)記，如NB(負(fù)大)﹑NM(負(fù)中)﹑NS(負(fù)小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等來(lái)表示。模糊控制規(guī)則是基于手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān)知識(shí)，它是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè)知識(shí)模型。在模糊控制器推理過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。此外，為了按照一定的語(yǔ)言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，還要事先確定輸出量的隸屬函數(shù)。模糊化等級(jí)不宜劃分的過(guò)細(xì)、過(guò)密，否則它不僅會(huì)失去某些信息，體現(xiàn)不出模糊量的長(zhǎng)處，而且會(huì)大大增加運(yùn)算與推理過(guò)程的工作量，使它的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)更為困難。下面對(duì)其分別詳細(xì)說(shuō)明：(1)模糊化所謂模糊化，就是把輸入E和EC根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù)，找出所定義的各個(gè)語(yǔ)言值的隸屬度的過(guò)程，從而把精確量輸入“模糊化”成不同的語(yǔ)言值，實(shí)現(xiàn)模糊控制的第一步。把人的經(jīng)驗(yàn)用模糊條件語(yǔ)句表示，然后用模糊集合理論對(duì)語(yǔ)言變量進(jìn)行量化，再用模糊推理對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策，這就是模糊控制器的工作過(guò)程。工業(yè)上典型的被控對(duì)象是各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程，從數(shù)學(xué)模型的角度講，它們可能是單變量或多變量的，可能是線性的或是非線性的，可能是定常的或時(shí)變的，可能是一階的或高階的，可能是確定的或是隨機(jī)過(guò)程，當(dāng)然也可能是混合有多種特性的過(guò)程。執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的控制作用常常表現(xiàn)為角度、位置或電壓等發(fā)生變化，因此，它往往是由伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓閥等加上驅(qū)動(dòng)裝置組成。模糊控制器的主要功能有三個(gè)：模糊量化處理、模糊推理(決策)、精確化處理。由于被控對(duì)象的不同，以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的規(guī)則各異，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(yùn)算放大器加上阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成PID控制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成各種串、并聯(lián)校正器；在現(xiàn)代控制理論中，設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制器、解耦控制器和魯棒控制器等。 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制器的模型是由帶有模糊性的有關(guān)控制人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)組成的知識(shí)模型，是基于知識(shí)的控制，因此，模糊控制屬于智能控制的范疇。這就是模糊控制的基本思路。模糊控制的基本思想就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是由語(yǔ)言來(lái)表達(dá)的，這些語(yǔ)言