【正文】 ,按照模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量 ,再將它清晰化 ,得到精確輸出控制過(guò)程，其中模糊規(guī)則是最重要的。因此如果能結(jié)合其它的算法來(lái)提高它的控制精度 ,那將是非常有效的，例如模糊 Smith控制器、模糊自適應(yīng)控制器、模糊 PID控 制算法等。人們普遍認(rèn)為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的智能性、魯棒性均較好，能處理高維、非線性、強(qiáng)耦合和不確定性的復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)工程的控制問(wèn)題，其顯著特點(diǎn)是具有學(xué)習(xí)能力。一般來(lái)說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制有兩種方法，一種是用來(lái)實(shí)現(xiàn)建模，一種是直接作為控制器使用。 結(jié)論 經(jīng)典控制方法由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。而智能控制是非參數(shù)模型的控制方法，因而在魯棒性、抗干擾能力方面有很大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)這 8 兩類(lèi)控制方法的特點(diǎn)，將它們結(jié)合起來(lái)進(jìn)行復(fù)合控制是一種有效的時(shí)滯系統(tǒng)控制策略，成功的應(yīng)用有模糊 PID 控制、模糊 Smith 控制、神經(jīng)元 Smith 預(yù)估控制、 SmithNN 預(yù)估控制等。 主要解決的問(wèn)題 在本次設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行研究。 對(duì)于 PID控制算法，主要研究當(dāng)取不同數(shù)學(xué)模型時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；對(duì)于模糊控制算法，重點(diǎn)在于模糊控制器的設(shè)計(jì)、模糊子集的選取、模糊規(guī)則的確立以及模糊推理；對(duì)于模糊 PID算法，模糊控制器以誤差 E和誤差變化率 EC作為輸入，控制的關(guān)鍵是找出 PID三個(gè)參數(shù) PK 、 iT 和 dT 與 E和 EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè) E和 EC，再根據(jù)模糊控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì) PK 、 iT和 dT 的在線修改，從而滿足控制的要求。而工業(yè)控制過(guò)程本身由于機(jī)理復(fù)雜，時(shí)變，時(shí)滯等原因，其精確地?cái)?shù)學(xué)模型很難得到，一些高階對(duì)象通過(guò)降階，一般用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來(lái)近似。系統(tǒng)承受擾動(dòng)后，往往會(huì)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，且調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)，然而在有些場(chǎng)合，大的超調(diào)是不允許的，因此在 PID控制的基礎(chǔ)上，提出了微分先行 PID控制算法。這樣 ,在改變給定值時(shí)，輸出不會(huì)改變，而被控量的變化通常是比較緩和的。 圖 1 微分先行 PID控制結(jié)構(gòu)圖 如圖所示，微分部分的傳遞函數(shù)為：sTsTsy su ddd 1)( )( ???，則 ydtdyTudtduT dddd ??? ， R（ s） Y（ s） ）（ sT11k ip ? Y（ s） —— + sT1 dd?? 10 由差分得T kukudtdu ddd )1()( ???，T kykydtdy )1()( ??? )()1()()()1()(.10 kyT kykyTkuT kukuT ddddd ??????? )1()()1( )( ????????? ?????????? ???????????? ?? kyTTTkyTT TTkuTT Tkudddddddd )1()()1()( 321 ????? kyckyckucku dd 其中 ???????? ?? TT Tcd ， ???????? ??? TT TTcd ， ???????? ??ddd TTTc 參數(shù)辨識(shí) 本文采用時(shí)域測(cè)定法確定被控系統(tǒng)的參數(shù)，時(shí)域測(cè)定的主要過(guò)程是對(duì)被測(cè)控制系統(tǒng)或?qū)ο笤谳斎攵耸┘与A躍擾動(dòng)輸入信號(hào)，而在輸出端測(cè)繪其輸出量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線；或者施加脈沖輸入，測(cè)繪輸出的脈沖響應(yīng)，再對(duì)響應(yīng)曲線的結(jié)果進(jìn)行分析，確定被研究對(duì)象的傳遞函數(shù)。 采用時(shí)域法確定被測(cè)系統(tǒng)或?qū)ο蟮臄?shù) 學(xué)模型時(shí)，需要在被測(cè)對(duì)象上人為地施加階躍輸入信號(hào)，然后測(cè)定被測(cè)對(duì)象的輸出響應(yīng)曲線，從而求出其傳遞函數(shù) [8]。 對(duì)溫度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，得到 k=5,1T =8, ?2T 1,?? 10。 參數(shù)的整定 11 PID參數(shù)的整定，主要是確定 pk 、 iT 和 dT ,對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)和控制算式的形式已定的控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量的好壞主要取決于選擇的參數(shù)是否合理。 參數(shù)的特點(diǎn) 在 PID控制中 pk 、 iT 、 dT 具有以下特點(diǎn) : （ 1)比例增益 pk 增大，可以加快響應(yīng)速度 ， 減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 ， 提高控制精度，但是過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定； （ 2)積分作用主要是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，加強(qiáng)積分作用 ， 有利于減小系統(tǒng)靜差 ， 但是 iT 過(guò)大 ， 會(huì)加大超調(diào) ， 甚至引起振蕩； （ 3)微分作用可以改善動(dòng)態(tài)性能，增大微分增益 dT ， 有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加 ， 但對(duì)擾動(dòng)敏感 ， 抑制外擾能力減弱；若 dT 過(guò)大 ， 會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)超調(diào)減速 ， 調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)；反之 ， 若 dT 過(guò)小 ，系統(tǒng)響應(yīng)變慢 ， 穩(wěn)定性變差。由上述公式可得：pk =,iT =10， dT =。 12 13 14 恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)滯系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型很難確立，采用經(jīng)典控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制比較困難。模糊控制屬于智能控制，適用于非線性、時(shí)變、時(shí)滯系統(tǒng)，同時(shí)模糊控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)整定方便，因此它成為目前智能控制中一種重要的方式 [12]。 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 模 糊 化 模 糊 推 理規(guī) 則 庫(kù)清 晰 化輸 入 輸 出 圖 2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu) 選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)，就是確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。通常模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示： 15 如圖所示，模糊控制器 主要由模糊化、 知識(shí)庫(kù)、模糊推理、清晰化四部分組成，各部分的作用概述如下： 模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。模糊化的具體過(guò)程如下： （ 1） 首先對(duì)這些輸入量進(jìn)行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量； （ 2） 將上述已經(jīng)處理過(guò)的輸入量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變換到各自的論域范圍； （ 3） 將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來(lái)表示。它通常有數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組 成。它們反應(yīng)了控制專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)； 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。 清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量變換為實(shí)際用于控制的清晰 16 量。 模糊控制的特點(diǎn) 模糊控制與經(jīng)典控制相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。 （ 3）模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，可用于有時(shí)變、非線性等特性的復(fù)雜系統(tǒng)的控制。 （ 5）模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬 人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。 （ 2） 模糊控制過(guò)多的依賴控制經(jīng)驗(yàn)，由于沒(méi)有被控對(duì)象的模型，在投入運(yùn)行之前就很難進(jìn)行穩(wěn)定性、魯棒性等閉環(huán)分析。因此設(shè)計(jì)一個(gè)合適的模糊控制器對(duì)于模糊控制有著重要的作用，模糊控制器的設(shè)計(jì)如以下步驟 : 選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)，就是確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量，一般模糊控制器的輸入變量是誤差和誤差變化率，輸出一般選受控變量的變化量。 （ 1） 選定描述 控制器輸入和輸出變量的語(yǔ)義詞匯 我們稱這些語(yǔ)義變量詞匯為變量的模糊狀態(tài)。因此，在選擇模糊狀態(tài)時(shí)，必須兼顧簡(jiǎn)單性和靈活性。 （ 2） 規(guī)定模糊集 模糊集表示各種模糊狀態(tài)，當(dāng)輸入誤差在高分辨率的模糊子集上變化時(shí)，有輸入誤差引起的輸出變化比較劇烈。因此，對(duì)于誤差變化范圍較 18 大的情況，應(yīng)采用分辨率較低的模糊子集，而當(dāng)誤差接近零時(shí)采用分辨率高的模糊子集。對(duì)應(yīng)于誤差變化率 EC 的語(yǔ)言變量，可分為 7 個(gè)模糊狀態(tài)： PL,PM,PS,ZE,NS,NM,NL。 溫度模糊控制器的 設(shè)計(jì) 控制器結(jié)構(gòu) 如圖所示，輸入量為誤差 E 和誤差變化率 EC 圖 3 溫度模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖 模糊子集的選取 輸入變量 (E),輸入變量的一階導(dǎo)數(shù) (EC)和輸出變量 U 的模糊子集如下 : E={NL， NM， NS， ZE， PS， PM， PL}； EC={NL， NM， NS， ZE， PS， PM， PL}； U={NL， NM， NS， ZE， PS， PM， PL}； 其中 NL， NM， NS， ZE， PS， PM， PL 分別 為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正A/D D/A 模糊 控制器 被控對(duì)象 dt/de 溫度傳感器 R + —— e E EC Y U 19 小，正中，正大。 輸入輸出變量的隸屬度賦值表如表 1 所示： 表 1 輸入輸出變量隸屬度賦值表 模糊 集合 隸屬度 元素 6 5 4 3 2 1 0 1` 2 3 4 5 6 PL PM PS ZE NS NM NL 模糊規(guī)則的確定 模糊規(guī)則基于操作人員長(zhǎng)期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān)知識(shí)經(jīng)過(guò)歸納整理所形成，它是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行 控制的一個(gè)知識(shí)模型，利用這個(gè)模糊模型 ， 可以設(shè)計(jì)出比較理想的控制器。實(shí)時(shí)控制時(shí)，根據(jù)輸入偏差與輸入量偏差變化率的模糊值直接查找控制表，獲得控制量。在過(guò)程控制中，計(jì)算機(jī)直接根據(jù)采樣和論域變換得來(lái)的以論域元素形式表現(xiàn)的誤差和誤差變化率，由查詢表的第 i 行和第 j 列找到跟誤差和誤差變化率對(duì)應(yīng)的，同樣以論域元素形式表現(xiàn)的控制量 iju 乘以比例因子得到實(shí)際控制量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 21 表 3 模糊控制表 EC U E 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 6 6 5 6 5 3 3 3 2 1 0 0 0 0 5 5 5 5 5 3 3 3 2 1 0 0 0 0 4 6 5 6 5 3 3 3 2 1 0 0 0 0 3 5 5 5 5 4 4 4 2 1 1 1 1 1 2 6 5 6 5 3 3 1 0 2 2 3 3 3 1 6 5 6 5 3 3 0 0 2 2 3 3 3 0 6 5 6 5 3 1 0 1 2 2 3 3 3 1 3 3 3 2 0 0 1 3 3 5 6 5 6 2 3 3 3 1 0 0 1 3 3 5 6 5 6 3 1 1 1 0 0 0 1 3 3 6 6 6 6 4 0 0 0 1 1 2 3 3 3 5 6 5 6 5 0 0 0 1 1 2 3 3 3 5 5 5 5 6 0 0 0 1 1 1 3 3 3 5 6 5 6 模糊控制仿真 模糊控制仿真 同 PID 控制中 所介紹的， 取同一控制對(duì)象，其傳遞函數(shù)為)1)18( 5)(10????ss esGs（，在 MATLAB 環(huán)境下，構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)模型，對(duì)并其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)， 22 PID 控制及仿真 模糊 PID控制指的是模糊技術(shù)與常規(guī)的 PID控制算法相結(jié)合的一種控制方法。 模糊 PID 控制器結(jié)構(gòu) 模糊 PID控制器是以常規(guī) PID控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理思想，根據(jù)不同的 E和 EC對(duì) PID的參數(shù)進(jìn)行在線自整定，控制 器由兩部分組成，即常規(guī) PID控制部分和模糊推理的參數(shù)校正部分 [16]。因此，選擇系統(tǒng)偏差 E和偏差變化率 EC作為模糊控制器的輸入量，而 PK 、 iT 和 dT 作為輸出量。 23 圖 4 模糊 PID控制原理圖 圖 5 變量的隸屬度函數(shù) 模糊規(guī)則的建立 模糊推理 模糊化 模糊化 模糊推理 清晰化 清晰化被控對(duì)象 PID 控制器 PID控制器被控對(duì)象 de/dt R + —— e ec Kp Ti Td Y