【正文】 圖 模糊控制器(FLC)的原理圖 模糊 PID 控制常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認(rèn)為這種控制器具有 Fuzzy 比例和微分控制作用，而缺少 Fuzzy 積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動態(tài)響應(yīng)快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動態(tài)響應(yīng)。模糊控制和PID控制結(jié)合的形式有多種[[] 章衛(wèi)國, 楊向忠. 模糊控制理論與應(yīng)剛[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1999．]：(1) 模糊PID 復(fù)合控制控制策略是:在大偏差范圍內(nèi)，即偏差 e 在某個閾值之外時采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差范圍內(nèi)，即 e 落到閾值之內(nèi)時轉(zhuǎn)換成 PID（或 PI）控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。常用的是模糊控制和 PI 控制兩種控制模式相結(jié)合的控制方法稱之為FuzzyPI雙?？刂?。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個論域的一部分，這就相當(dāng)于模糊控制論域被壓縮，等效于語言變量的語言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。故在接近穩(wěn)態(tài)點時切換成 PI 控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時，（這時絕對誤差實際上并不一定為零）切換至 PI 控制。(4) 參數(shù)模糊自整定 PID 控制PID控制的關(guān)鍵是確定PID參數(shù)，該方法是用模糊控制來確定PID參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改。其原理框圖如圖 [[] 孫凱, 李元科. 電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J]. 傳感器技術(shù), 2003, 22(2)：5052．]。模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個過程控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。溫度控制系統(tǒng)的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在參數(shù)變化的問題。無論是模糊控制、模糊PID控制，都屬于人工智能領(lǐng)域同 PID 結(jié)合以調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，從而適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大時延、時變和熱分布不均勻的特點。其中一個是MATLAB 的模糊控制工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）。在設(shè)計好這樣一個純粹的模糊控制器之后，可以利用MATLAB本身的SIMULINK仿真平臺來構(gòu)建整個模糊控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。 MATLAB及其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境 simulinkMATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。目前，MATLAB已經(jīng)成為國際上最流行的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計的軟件工具。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且math works也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用[[] 下洙然. Simulink建模及動態(tài)仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2001．]。這兩種模型的唯一不同之處在于Sugeno型的輸出變量的隸屬函數(shù)是常數(shù)或是線性的，而Mamdani型的輸出變量可以采用三角形、鐘形、高斯形等各種各樣的隸屬函數(shù)。Mamdani方法的優(yōu)勢在于[16]：(1) 過程直觀。(3) 很適用于用人類語言表達(dá)的輸入。它其中除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續(xù)模塊、離散模塊、函數(shù)和表模塊、數(shù)學(xué)模塊、非線性模塊、信號模塊以及子系統(tǒng)模塊外，還包括了各個工具箱特有的模塊，如模糊邏輯工具箱的模糊邏輯控制器模塊。設(shè)計的所有仿真都要在simulink中完成的[19]。通過對系統(tǒng)采用不同的控制策略，得出它們各自的仿真結(jié)果，然后進(jìn)行分析比較，找到一個合乎要求的解決方案。由于仿真可以方便、快速、多次地進(jìn)行，從比較中找出較優(yōu)的方案是可行的。設(shè)計目的是要對它的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差較小的技術(shù)要求。理論分析和實驗結(jié)果表明:電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型[[] 覃強(qiáng). 模糊PTD溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實現(xiàn)[D]：[碩士學(xué)位論文]. 北京：中國科學(xué)院電工研究所．2002．]。具體用科恩庫恩（CohnCoon）公式確定近似傳遞函數(shù)[[] 雷勇. 單參數(shù)PID模糊控制器的設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用. 1998,610．][[] 李林靜. 基于單片機(jī)的爐溫控制系統(tǒng)[J]. 便用機(jī)械, 2004, l：5052]。表 采用飛升曲線法測烤箱模型時間0溫度20315278104126148168182198利用 。本文分別采用PID控制，模糊控制和參數(shù)模糊自整定 PID 控制三種控制方法，通過仿真比較它們的控制性能。圖 電烤箱PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在圖中的PID模塊中對三個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在Transport Delay模塊中設(shè)定滯后時間30秒。 給定值為100時的響應(yīng)曲線 給定值為150時的響應(yīng)曲線可見性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間=200s，超調(diào)量σ%約為10%，穩(wěn)態(tài)誤差=0?？梢钥紤]用它對系統(tǒng)進(jìn)行控制，希望能取得好的性能。圖 采用純模糊控制時的模糊控制器 圖 輸入變量e的隸屬函數(shù)圖 圖 輸入變量ec的隸屬函數(shù)圖圖 輸出變量u的隸屬函數(shù)圖在 MATLAB 的模糊邏輯工具箱中構(gòu)建如下的 Mamdani 型模糊控制器，如圖 。and操作為最小法min，or操作為最大法max，模糊蘊(yùn)涵（implication）為最小法min，合成（Aggregation）為最大值法max，反模糊用的是重心法centroid。 Mamdani 型模糊控制器的控制規(guī)則，表中橫軸縱軸分別為ec和e的模糊子集。 Mamdani 型模糊控制器的各個變量的隸屬函數(shù)圖。圖 模糊控制規(guī)則編輯器 模糊控制規(guī)則NBNSZPSPBNBNBNBNBNSZNSNBNSNSZPSZNBNSZPSPBPSNSZPSPSPBPBZPSPBPBPB圖 電烤箱純模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖圖 純模糊控制響應(yīng)曲線為了進(jìn)行模糊化處理，必須將輸入變量（以e為例）從基本論域（實際范圍）[xe, xe]變換到相應(yīng)的模糊子集論域﹛n, n+1,…,0,…,n1, n﹜上，這須將輸入變量乘以相應(yīng)的因子，即量化因子。ec的量化因子同理。這樣就需要比例因子=。即=，=，=200。3. 參數(shù)模糊自整定PID控制由前面的仿真結(jié)果明顯看出，純PID控制有較大超調(diào)量；而純模糊控制由于自身結(jié)構(gòu)的原因又不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差較大。本論文采用參數(shù)模糊自整定PID控制，具體說用的是模糊整定PI控制。利用 Matlab 模糊邏輯工具箱設(shè)計名為 FUZZY 的 Mamdani 型模糊控制器（），由圖可見模糊控制器的輸入變量為e和ec，輸出變量為和?？梢娸斎胱兞縠和ec的模糊子集均為｛NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB｝，論域均為｛3,2,1,0,1,2,3｝，輸出變量和的模糊子集均為｛Z, S, M, B｝,論域均為｛0,1,2,3｝。 的模糊控制規(guī)則NBNMNSZPSPMPBNBMSMMMSMNMBMBBBMSNSBMBBBMSZBMBZBMSPSBMBBBMSPMBMBBBMSPBMSMMMSM 的模糊控制規(guī)則NBNMNSZPSPMPBNBZSMBMSZNMZSBBBSZNSZZBBBMZZZZBZBMZPSZZBBBMZPMZSBBBSZPBZSMBMSZ， Mamdani 型模糊控制器的控制規(guī)則，表中橫軸縱軸分別為ec和e的模糊子集。共49條。 模糊自整定PID控制規(guī)則庫編輯器圖 電烤箱參數(shù)模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖 給定值為100時響應(yīng)曲線 給定值為200時響應(yīng)曲線 給定值為 150 時響應(yīng)曲線 給定值為 50 時響應(yīng)曲線 給定值為 120 時響應(yīng)曲線 圖 給定值為 80 時響應(yīng)曲線。仿真結(jié)果表明：對于電烤箱，當(dāng)給定值不同時，需要調(diào)整積分限值，才能達(dá)到響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零的理想技術(shù)指標(biāo)。因此，選擇它作為溫控方案。2．模糊控制算法采用模糊控制的基本原理與設(shè)計方法進(jìn)行仿真，指出了其存在的幾個主要問題：自適應(yīng)性弱，穩(wěn)態(tài)精度低，易發(fā)生“規(guī)則爆炸”。通過整定量化因子與比例因子，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能可以得到提高。 工作小結(jié)通過理論研究和項目的實際開發(fā)感觸頗深：(1) 智能控制是對自動控制理論和技術(shù)發(fā)展到一個新階段的概括，它并不排斥傳統(tǒng)控制理論，而是對其繼承和發(fā)揚。(3) 必須堅持理論與實踐相結(jié)合，目前大多數(shù)研究是從理論上著手，并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多成果，但實踐中因為多種干擾因素的影響，效果不是很佳，甚至有時根本不能在現(xiàn)場使用，導(dǎo)致理論脫離實際。盡管如此，在具體的生產(chǎn)應(yīng)用中也暴露出模糊控制思想的一些局限性，以下幾方面是今后需進(jìn)一步研究和實踐的重點：(1) 完成對單片機(jī)軟件部分的設(shè)計。2．展望隨著工業(yè)對象的日益復(fù)雜，必然會對控制系統(tǒng)提出更高的要求。(1) 硬件上，由于模糊控制規(guī)則的數(shù)目與系統(tǒng)的控制效果緊密相關(guān)，限制了在以單片機(jī)作微處理器的工業(yè)控制中的應(yīng)用，需要加快簡單、實用的模糊集成芯片和模糊控制裝置的開發(fā)與推廣應(yīng)用。結(jié)束語針對電烤箱溫度控制系統(tǒng)，本文在 simulink 中分別對 PID 控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定 PID 控制進(jìn)行了仿真研究。而且這種方法的抗干擾能力也很強(qiáng)，同時對一階慣性滯后環(huán)節(jié)的適應(yīng)能力很強(qiáng)，由于一般溫控對象的數(shù)學(xué)模型可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述，因而這一控制方法對溫控場合的適用性很強(qiáng)。但是由于一些原因，未得出最后的實驗調(diào)試結(jié)果。實驗調(diào)試工作有必要以后繼續(xù)進(jìn)行。最后感謝魏XX老師長時間以來悉心的教導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷，在此向魏老師致以誠摯的謝意。他們不畏艱難，無比堅強(qiáng)樂觀的精神一直是我前進(jìn)的動力、向上的源泉。謝謝!參考文