（流體機(jī)械及工程專業(yè)論文）污水處理中溶解氧模糊控制的研究.pdf

污水處理中溶解氧模糊控制的研究 摘要 本文介紹了污水處理控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r；論證了模糊控制系統(tǒng)的 實(shí)用性：針對(duì)污水處理中溶解氧的變化無(wú)規(guī)律可循的特征，設(shè)計(jì)了一套以溶解氧 濃度為控制對(duì)象的模糊控制系統(tǒng)。 整個(gè)控制系統(tǒng)由模糊控制器、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)、變頻調(diào)速裝置和溶解氧測(cè)試 儀組成。所設(shè)計(jì)的模糊控制器是一個(gè)以a t 8 9 c 5 1 單片機(jī)為核心，引入積分環(huán)節(jié) 的二維模糊控制器。用m a t l a b 軟件離線生成了在控制中起重要作用的模糊 控制表：通過對(duì)模糊控制器的軟硬件的設(shè)計(jì)、調(diào)試和仿真，得到了預(yù)期的效果： 并對(duì)影響其性能的量化因子進(jìn)行了理論分析。 溶解氧模糊控制系統(tǒng)為污水處理的溶解氧濃度的自動(dòng)控制提供了一條切實(shí) 可行的途徑。f 它不僅解決了污水處理中溶解氧濃度數(shù)學(xué)模型難確立的問題，而 且能夠克服一般的二維模糊控制器僅有較好的動(dòng)態(tài)特性，而無(wú)法消除靜態(tài)誤差 的缺陷。上 關(guān)鍵詞：溶解氧；污水處理；模糊控制器；單片機(jī)：m a t l a b 軟件 r e s e a r c ho nf u z z yc o n t r o lf o rd i s s o l v e do x y g e ni n w a s t e w a t e r d i s p o s a l a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o fc o n t r o ls y s t e mo fw a s t e w a t e r d i s p o s a la th o m ea n d a b r o a d w a si n t r o d u c e d ，a n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo ff u z z yc o n t r o ls y s t e mw a sd e m o n s t r a t e d a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a td i s s o l v e do x y g e nc h a n g e si r r e g u l a r l yi nw a s t e w a t e r d i s p o s a l as u i to ff u z z yc o n t r o ls y s t e mw h o s ec o n t r o lp a r a m e t e ri sd i s s o l v e d o x y g e nw a sd e s i g n e d t h ec o n t r o l s y s t e mc o n s i s t so ff u z z yc o n t r o l l e r , b l a s ta n da e r a t i o ns y s t e m ， f r e q u e n c y c o n t r o le q u i p m e n ta n dd ot e s t e r t h e i n t e g r a t i o ne l e m e n tw a s i n t r o d u c e d i n t ot h ed e s i g n e df u z z yc o n t r o l l e r , a n di t sp r i m a r yp a r ti st h e s i n g l e c h i po ft y p e a t 8 9 c 51 t h ef u z z yc o n t r o lt a b l et h a ti so fg r e a t i m p o r t a n c e i nc o n t r o lw a s c a l c u l a t e do f fl i n ew i t hs o f t w a r em a t l a b t h e a n t i c i p a t i v er e s u l t sw e r eo b t a i n e d v i at h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h ec o n t r o l l e r i na d d i t i o n ，t h eq u a n t i f y i n gg e n e s t h a ti n f l u e n c ei t sp e r f o r m a n c ew e r e a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ed i s s o l v e do x y g e nf u z z yc o n t r o ls y s t e mp r o v i d e sa na v a i l a b l ew a yf o rt h e a u t o m a t i cc o n t r o lf o rd oi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i tn o t o n l y c a nr e s o l v et h e p r o b l e mt h a t i ti sd i m c u l tt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h e d i s s o l v e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，b u ta l s oc a no v e r c o m et h ed r a w b a c kt h a tt h eg e n e r a lp l a n a r c o n t r o l l e rc a n te l i m i n a t et h es t a t i c r e c e i v e re r r o r , b u to n l yh a s g o o dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：d i s s o l v e do x y g e n ；w a s t e w a t e r d i s p o s a l ；f u z z yc o n t r o l l e r s i n g l e c h i p ； s o f t w a r em a t l a b 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 金膽王些太堂或其他教育機(jī) 構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：區(qū)匙席禮，希k 簽字日期：2 哆肄匆莎日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解金膽王些盍堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)金妲王些盔堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：政歹f 久歹# 術(shù)導(dǎo)師簽名 簽字日期：2 嘭年弓月1 5 e 1 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位： 通訊地址： 潑哆 簽字日期：噼3 , e l 號(hào)礙 電話 郵編 致謝 本文是在王先路教授的悉心指導(dǎo)下完成的。王老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹?學(xué)態(tài)度、敏銳的洞察力以及卓越的思維方法使我對(duì)科學(xué)和人生的認(rèn)識(shí)有了長(zhǎng)足 的進(jìn)步，讓我受益匪淺，終生難忘。朱武副教授作為第二導(dǎo)師對(duì)我非常關(guān)心， 其獨(dú)特的思想方法讓我深受啟發(fā)。謹(jǐn)在此向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝! 在課題研究過程中，陳長(zhǎng)琦副教授給予了我大力的幫助和精心的指導(dǎo)，整 個(gè)研究過程傾注了陳老師極大的心血；胡煥林教授一直對(duì)我的學(xué)習(xí)和生活非常 關(guān)心；同時(shí)得到周永安高工、干蜀毅副教授、方應(yīng)翠和王旭迪老師等的關(guān)心和 幫助：系統(tǒng)的安裝、調(diào)試等工作得到了實(shí)驗(yàn)室程義然老師、王云芳老師和樊文 勝老師的指導(dǎo)和幫助，在此一并致以衷心的感謝。 同時(shí)感謝謝源、曹慶平、周連廷、葉進(jìn)星、王雅婷、周團(tuán)團(tuán)、姚燕生、葉 建忠等同學(xué)以及本專業(yè)的其他研究生所給予的無(wú)私的幫助。 向多年來(lái)在我的成長(zhǎng)和學(xué)習(xí)生涯中給予我?guī)椭完P(guān)心的所有老師、同學(xué)以 及親戚朋友表示誠(chéng)摯的謝意，感謝我的父母多年來(lái)為我所付出的辛勞和所給予 的極大支持。 最后再次向諸位老師表示深深的謝意! 第一章緒論 隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到環(huán)境的污染愈來(lái)愈嚴(yán)重，而其中 水污染直接威脅到了所有生物的生存。這個(gè)全球性的問題已引起了世界各國(guó)的 重視，“污染環(huán)境就是污染我們自己”，“我們只有一個(gè)地球”。加強(qiáng)污水治理， 保護(hù)水環(huán)境，也引起了我國(guó)的高度重視。如何把污水中的污染物分離出來(lái)，或 者將其轉(zhuǎn)化成無(wú)害無(wú)毒的穩(wěn)定物質(zhì)，是污水處理的主要任務(wù)。到目前為止，在 世界多國(guó)研究出各種不同的污水處理方法，為了讓這些方法有效地發(fā)揮作用， 使系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，將自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于污水處 理中以提高污水處理的自動(dòng)化水平已成為污水處理中的關(guān)鍵問題。現(xiàn)代控制理 論的發(fā)展，特別是智能控制理論的產(chǎn)生，為污水處理工業(yè)提供了良好的發(fā)展前 景。模糊控制作為智能控制的一個(gè)主要分支，因其簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效等特點(diǎn)將 會(huì)在水處理領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。 1 1 污水處理控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 我國(guó)的工業(yè)污染十分嚴(yán)重，早已引起了國(guó)家重視。并將環(huán)境保護(hù)作為我國(guó) 的基本國(guó)策之一。國(guó)家先后啟動(dòng)了治理“三河三湖”工程，并已取得了明顯的 效果。從近幾年環(huán)保治理上看，我國(guó)的環(huán)保理論、工藝研究與國(guó)外差距不大， 差距比較大的是環(huán)保單元設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)【1 1 。我國(guó)污水處理廠自控系統(tǒng)的 現(xiàn)狀是：手動(dòng)與自動(dòng)皆備，自制和引進(jìn)并舉。 一些污水處理廠( 如啤酒廠、味精廠等自備的污水處理廠) 由于資金不足， 技術(shù)力量相對(duì)薄弱，所采用的檢測(cè)儀表大部分是精確度和可靠度較差的離線儀 表，監(jiān)測(cè)手段也是靠取樣后測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果去調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。因 此很難進(jìn)行快速和有效的在線實(shí)時(shí)控制，往往導(dǎo)致出水水質(zhì)的不穩(wěn)定。 而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家如美、e t 和西歐等國(guó)在研究新的理論和工藝之外，更重 視污水處理自動(dòng)控制問題，先后紛紛投資開發(fā)研究高效型、智能型、集約型污 水處理設(shè)備和自動(dòng)化控制儀表。意大利開發(fā)出一系列在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制儀，美 國(guó)艾姆科工藝公司9 6 年成功開發(fā)了多元組合式智能型一體化生活污水處理裝 置，美國(guó)米頓羅公司也相繼開發(fā)出了一系列在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制儀等，荷蘭大學(xué) 開發(fā)成功計(jì)算機(jī)控制內(nèi)循環(huán)式水解生化塔【2 1 。由于這些水處理設(shè)備自動(dòng)化程度、 智能化程度都比較高，能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，所以能夠達(dá)到令人滿意的水處理效果。 近年來(lái)，許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在致力于污水處理工藝和污水處理自動(dòng)控 制的研究，并取得了顯著成果。如自動(dòng)控制技術(shù)已應(yīng)用于污水處理中p h 值的 控制1 ，通過研究酸堿中和p h 值控制的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法及合適的參數(shù)整定， 成功地將動(dòng)態(tài)矩陣控制應(yīng)用于大時(shí)滯環(huán)節(jié)7 1 ?！帮@示式絮凝控制系統(tǒng)”為自動(dòng)加 礬提供了閉環(huán)控制新方法和手段【引。并研制出了可以測(cè)定b o d 2 0 0 0 m g l 的高 濃度有機(jī)廢水的b o d 自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，能夠?qū)υ旒埡谝?、釀酒廢液、屠宰廢水及厭 氧發(fā)酵液等多種廢水進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)【9 1 。 1 2 模糊控制的特點(diǎn)及其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況 在工程實(shí)際中用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，總是遇到一些不明 確的或者說(shuō)模糊性的問題。這些模糊性的問題主要來(lái)自下面兩方面： ( 1 ) 建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型時(shí)存在一定的模糊性。被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 用傳遞函數(shù)或者a r m a 模型通常也難以真實(shí)地描述。因?yàn)槌Ｓ玫哪Ｐ偷慕苹?( 集中、定常參數(shù)、線性化) ，高階系統(tǒng)的降階模型，大系統(tǒng)的分割，參數(shù)估計(jì) 的誤差等都包含著一定的模糊性。另一方面，并不是所有的系統(tǒng)都能簡(jiǎn)化為低 階、線性、集中參數(shù)和非時(shí)變的。 ( 2 ) 確定性能指標(biāo)函數(shù)時(shí)存在模糊性。工程實(shí)踐中，經(jīng)常把多目標(biāo)設(shè)計(jì) 問題轉(zhuǎn)化為單一的指標(biāo)函數(shù)的極值問題，而且往往忽略許多約束條件，即使給 出約束條件，也往往含有一定的模糊性。 為了解決這些模糊性的問題，控制理論中提出了許多對(duì)策。其中典型的有： 魯棒控制，自適應(yīng)控制，高增益反饋控制等方式和絕對(duì)穩(wěn)定度等概念。然而， 這些控制方式的共同特點(diǎn)是必須建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。但是，對(duì)于許 多復(fù)雜的系統(tǒng)都難以建立滿足控制要求的數(shù)學(xué)模型。為了解決這些問題，可采 用模糊( f u z z y ) 控制技術(shù)。 模糊控制技術(shù)的特點(diǎn)： ( 1 ) 模糊控制器的設(shè)計(jì)不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只要求掌 握現(xiàn)場(chǎng)操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)或者操作數(shù)據(jù)。 ( 2 ) 由工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，較容易建立語(yǔ)言變量控制規(guī)則，形成 控制對(duì)象的語(yǔ)言模型。 ( 3 ) 模糊控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，尤其適應(yīng)于非線性、時(shí)變、大滯 后系統(tǒng)的控制。 ( 4 ) 從不同的情況出發(fā)，可以設(shè)計(jì)幾個(gè)不同的指標(biāo)函數(shù)。但對(duì)一個(gè)給定 的系統(tǒng)而言，其語(yǔ)言控制規(guī)則是分別獨(dú)立的，且通過整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)可取得總 體的協(xié)調(diào)控制。 模糊控制技術(shù)已在各個(gè)領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。最早取得應(yīng)用成果的是 1 9 7 4 年英國(guó)倫敦大學(xué)教授e h m a m d a n i 用模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，對(duì)一 個(gè)試驗(yàn)性的蒸汽機(jī)進(jìn)行控制1 0 1 。它不僅把模糊理論首先應(yīng)用于控制，并且充分 展示了模糊控制技術(shù)的應(yīng)用前景。荷蘭學(xué)者w j m k i c k e r t 和h r v a nn a u t a 將 模糊控制器應(yīng)用于熱水裝置中，進(jìn)行熱水站控制的研究，熱水站由一個(gè)加熱室， 8 個(gè)水柜組成，冷水進(jìn)入加熱室后，由溫度為9 0 c 的熱水流加熱，依次經(jīng)各水 柜流出。要求對(duì)熱水流的流量進(jìn)行控制，以保持水柜水流的溫度穩(wěn)定在給定值。 這是一個(gè)多變量非線性控制對(duì)象，難以用傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行控制，他們?cè)?p d p 。1 1 機(jī)上實(shí)現(xiàn)了模糊控制，方案簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，與最優(yōu)的p i 調(diào)節(jié)器相比， 穩(wěn)定精度相同，但有更快的暫態(tài)上升速度】。f l s m i d t h 公司研制的模糊邏 輯計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用于水泥窯生產(chǎn)過程控制，并且和n o 分析器配套使 用，使模糊程度大的水泥生產(chǎn)過程，在采用模糊控制后獲得了滿意的控制性能 和強(qiáng)魯棒性，這是采用經(jīng)典控制和其它現(xiàn)代控制理論所難以達(dá)到的1 1 2 l ”。 近年來(lái)，日本在汽車、火車、飛機(jī)等交通系統(tǒng)及化工、機(jī)械、冶金、工業(yè) 爐窯、食品生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域中廣泛開展了模糊控制的研究和應(yīng)用 t 4 , t s 。 我國(guó)模糊控制理論及應(yīng)用的研究工作近年來(lái)在高等院校和研究所中逐步開 展，如對(duì)模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法、自學(xué)習(xí)或自組織模糊控制器， 以及模糊控制穩(wěn)定性的研究等，而其成果應(yīng)用主要集中于工業(yè)爐窯方面，如退 火爐、電弧冶煉爐、水泥窯以及造紙機(jī)的控制等 1 6 l 。胡家耀等將參數(shù)自調(diào)整模 糊控制應(yīng)用于鋼廠燃油退火爐的溫度控制。由于退火鋼材品種和裝爐量經(jīng)常變 化，即被控對(duì)象參數(shù)經(jīng)常變化，又有較大的滯后，難以用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)良好 的控制。采用模糊控制后，系統(tǒng)有很強(qiáng)的魯棒性。克服了大滯后的影響，控制 精度高，參數(shù)整定方便1 1 7 】。呂川應(yīng)用w a c 1 1 工業(yè)控制微型機(jī)對(duì)鋼材加熱爐的 爐膛溫度、冷風(fēng)壓力等多個(gè)回路實(shí)現(xiàn)了模糊控制，以取代原有的p i d 控制，解 決了原系統(tǒng)對(duì)于大滯后、非線性、時(shí)變對(duì)象控制的困難，取得了良好的控制效 果。其調(diào)節(jié)精度高，油耗下降，鋼材燒損減少 1 8 l 。 特別指出的是，我國(guó)在天氣預(yù)報(bào)，醫(yī)療診斷，高爐冶煉，有色冶金還原爐 自動(dòng)控制系統(tǒng)及人工智能和管理工程等領(lǐng)域中，模糊控制技術(shù)的應(yīng)用都已取得 了突破性的進(jìn)展i l “。 從國(guó)內(nèi)外對(duì)模糊控制的應(yīng)用情況及效果可以看出，模糊控制在許多工業(yè)領(lǐng) 域中已取得了顯著成效a 實(shí)踐證明，對(duì)于過程復(fù)雜、具有非線性、時(shí)變、滯后 等特征的對(duì)象，模糊控制具有優(yōu)越的控制性能，在各個(gè)領(lǐng)域必將發(fā)揮其重要的 作用。 1 3 模糊控制方法在污水處理中的應(yīng)用 目前，大多數(shù)的污水處理廠采用傳統(tǒng)的控制方式( 時(shí)間程序控制或流量控 制) ，但由于工業(yè)廢水的排放不僅是變化的或間歇的，而且其有機(jī)物濃度也隨時(shí) 間變化很大，往往相差幾倍或幾十倍，因此傳統(tǒng)的控制方式不能達(dá)到較好的控 制效果。由于模糊控制方法的上述優(yōu)點(diǎn)，而被相繼應(yīng)用在水處理領(lǐng)域，并取得 了顯著成效。 模糊控制己在活性污泥污水處理系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用“9 1 ?；钚晕勰喾?污水處理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)工程系統(tǒng)，無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表示， 因此用模糊控制方法對(duì)活性污泥中的出水懸浮物進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，既能防止能 源浪費(fèi)，又能達(dá)到令人滿意的處理效果。對(duì)硝酸態(tài)氮污染水脫氮處理的生物電 極法采用模糊控制，有利于避免過量的投加有機(jī)物，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用【2 “”】。上海 同濟(jì)大學(xué)已將模糊控制技術(shù)應(yīng)用n - - 溝式氧化溝污水處理中，并將其成功應(yīng)用 到上海閔行污水處理廠三期工程中，運(yùn)行效果良好【2 2 】。此控制系統(tǒng)主要對(duì)轉(zhuǎn)刷 電機(jī)進(jìn)行間歇式和組合的控制以此來(lái)改變?nèi)郎现械某溲趿?，達(dá)到工藝要求。清 華大學(xué)的環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)在氧化溝生物處理系統(tǒng)中廣 泛存在的具有大慣性、長(zhǎng)滯后和一些不確定性系統(tǒng)的控制問題，在簡(jiǎn)單模糊控 制器的基礎(chǔ)上引入遷移偏差，并采用s 曲線量化和動(dòng)態(tài)調(diào)整遷移偏差及穩(wěn)定控 制輸出值逐步逼近精確控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了模糊控制的高精度控制，且大量仿真 和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明了這一結(jié)論 2 3 j 。已提出應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)污水水質(zhì)進(jìn)行 評(píng)判，依據(jù)污水中污染物危害程度不同，確定各污染物的權(quán)重，以此進(jìn)行污水水質(zhì) 的判定，該方法可以根據(jù)各污染物的權(quán)重，為日常工作中加強(qiáng)重點(diǎn)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)提供 理論依據(jù)。 1 4 課題的來(lái)源、目的及課題所研究的主要內(nèi)容 本課題來(lái)自合肥市科委，其目的在于解決工業(yè)污水中污染負(fù)荷高、技術(shù)難 度大的高濃度有機(jī)廢水處理問題，開發(fā)適合多類廢水、多種規(guī)模、不同處理工 藝的多元模塊化組合式系列設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水處理設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，從而提高 集約化程度。污水處理中溶解氧模糊控制的研究是其中的一個(gè)子課題。 其目的在于探討工業(yè)污水中溶解氧的變化對(duì)廢水處理過程的影響，并開 發(fā)其控制系統(tǒng)，以應(yīng)用在不同處理工藝的多元模塊化組合式系列污水處理設(shè)備 中。從而，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線控制，提高污水處理的自動(dòng)化水平，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。 在污水處理過程中參與污水處理的是以好氧呼吸的好氧菌為主體的微生 物，這樣，在生化池內(nèi)必須有足夠的溶解氧( d 0 ) 。因此，溶解氧的濃度是污 水處理進(jìn)程的主要影響因素。通常是控制曝氣裝置進(jìn)行溶解氧的控制。由于原 水的濃度不同，所需的曝氣時(shí)間也不同。如果曝氣時(shí)間過長(zhǎng)，浪費(fèi)能源還易發(fā) 生污泥膨脹；曝氣時(shí)間過短則出水難于達(dá)標(biāo)。而且在污水處理過程中，不同時(shí) 刻有機(jī)污物的含量也不同，并隨著時(shí)間不斷的變化。雖然有文獻(xiàn)( 2 2 ) 氧化溝曝 氣機(jī)模糊控制的報(bào)道，但是，目前國(guó)內(nèi)各污水處理系統(tǒng)，均仍按相同的反應(yīng) 時(shí)間進(jìn)行控制，因此排放的水質(zhì)波動(dòng)較大。 由于溶解氧在污水處理中起著重要作用，所以被選為過程控制參數(shù)。但生 化過程中的耗氧量無(wú)確定的規(guī)律可循，且整個(gè)反應(yīng)過程中用以作為耗氧量補(bǔ)充 的溶解氧必須處于適當(dāng)?shù)乃?，所以無(wú)法建立明確的數(shù)學(xué)模型，用經(jīng)典控制理 論或有關(guān)的現(xiàn)代控制理論的方法都很難實(shí)現(xiàn)。為了解決上述問題，在保證出水 水質(zhì)前提下盡可能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，使不同濃度和含量的污水處理后均能達(dá)到穩(wěn) 定的達(dá)標(biāo)排放，本課題擬對(duì)污水中的溶解氧濃度用模糊控制方法進(jìn)行自動(dòng)控制。 通過對(duì)污水水質(zhì)波動(dòng)性的研究和大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提煉出正確的語(yǔ)言規(guī)則并 設(shè)計(jì)出模糊控制表，利用單片機(jī)等開發(fā)出閉環(huán)模糊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溶 解氧的實(shí)時(shí)監(jiān)控：即依靠溶解氧在線檢測(cè)器及時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過用模糊控制器 對(duì)測(cè)量值進(jìn)行運(yùn)算和判斷，得出輸出值，控制受控對(duì)象一鼓風(fēng)機(jī)，促使它在盡 量短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生調(diào)整動(dòng)作，使反應(yīng)過程中溶解氧處于適當(dāng)?shù)乃?，保證出水 水質(zhì)。 1 5 課題的意義 我國(guó)對(duì)水處理的研究，特別是自動(dòng)化控制設(shè)備方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá) 國(guó)家。前幾年國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局曾對(duì)我國(guó)5 5 個(gè)城市的5 0 0 0 多套工業(yè)廢水處理 設(shè)施進(jìn)行了大規(guī)模的調(diào)查。結(jié)果表明，運(yùn)行效果好和比較好的只占2 4 ，而建 成后沒能運(yùn)行或處理能力達(dá)不到設(shè)計(jì)能力一半的設(shè)旌竟占6 3 8 1 24 1 ?？梢娢覈?guó) 的污水處理技術(shù)仍處于較低的水平。 另外，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平還比較低，資金匱乏，投資力度不足等諸多 因素，導(dǎo)致目前發(fā)達(dá)國(guó)家大批水處理企業(yè)大舉進(jìn)軍我國(guó)水處理市場(chǎng)。而且，我 國(guó)目前城市污水處理的投資約9 0 來(lái)自于國(guó)際各種貸款。因此，對(duì)于我國(guó)這樣 一個(gè)污染嚴(yán)重、資源短缺的國(guó)家，研制出一批能滿足排放要求、處理效果好、 運(yùn)行費(fèi)用低和國(guó)產(chǎn)化程度高、且具有先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的污水處理設(shè)備迫在 眉睫。 為了改變我國(guó)污水處理技術(shù)的這種現(xiàn)狀，中央政府、有關(guān)決策職能部門和 研究機(jī)構(gòu)都傾注了較大的注意力，重視開展這方面的研究。2 0 0 1 年國(guó)家自然科 學(xué)基金列出專項(xiàng)，支持開展污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。 因此，研制出自動(dòng)化水平較高的污水處理控制系統(tǒng)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有 重大的現(xiàn)實(shí)意義。 第二章模糊控制器的理論分析 模糊控制是智能控制的一個(gè)十分活躍的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，它是通過計(jì)算機(jī) 代替人，并用語(yǔ)言描述來(lái)進(jìn)行控制的技術(shù)。模糊集合理論是它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，在此 基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊控制的推理運(yùn)算。模糊控制不僅提出了一種新的控制規(guī)則，而 且也為非線性控制提出一種比較簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)方法，尤其是當(dāng)受控裝置含有不確 定性而且很難用常規(guī)非線性控制理論處理時(shí)，更是有效 2 5 1 。 2 1 模糊控制系統(tǒng) 一般情況下，傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2 1 所示，參考輸入x ( ，) 同傳感器檢 測(cè)的被控變量y ( t ) 進(jìn)行比較，其差值，即偏差信號(hào)e ( f ) ，經(jīng)過控制器進(jìn)行補(bǔ)償 處理，產(chǎn)生控制信號(hào)“( ，) ，再通過執(zhí)行器迫使被控變量按照人們預(yù)先規(guī)定的運(yùn) 動(dòng)規(guī)律變化。而數(shù)字控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，僅是用計(jì)算機(jī)代替了圖2 1 中的模擬式控制器，以及在回路中增加了a d ( 模擬，數(shù)字轉(zhuǎn)換器) 和d a ( 數(shù) 字模擬轉(zhuǎn)換器) 兩個(gè)基本單元，如圖2 2 所示。除了用離散信號(hào)取代連續(xù)信號(hào) 外，它的基本工作原理和傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)是一致的。即：在f = ”時(shí)刻， 由傳感器檢測(cè)的被控變量，經(jīng)過a d 轉(zhuǎn)換成為離散信號(hào)y ( k t ) ，同參考輸入信號(hào) x ( k t ) 比較后得到偏差信號(hào)e ( k t ) = x ( k t ) 一y ( k t ) 。計(jì)算機(jī)根據(jù)e ( k t ) 的大小和符 號(hào)( 正、負(fù)) 情況做出響應(yīng)和補(bǔ)償。由此得到控制量“( 耵) ，經(jīng)d a 轉(zhuǎn)換成連 續(xù)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行其控制被控對(duì)象【2 。 圖2 1 傳統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) f i g 2 1f u n d a m e n t a ls t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m 圖2 2 計(jì)算機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) f i g 2 2f u n d a m e n t a ls t r u c t u r eo fc l o s e d - l o o pc o n t r o l l e db yc o m p u t e r 上述系統(tǒng)都要求盡可能準(zhǔn)確地掌握被控對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特性，即要求建立起 準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)比例積分微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)( p i d ) ，并確定p i d 參數(shù)。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的對(duì)象，上述控制系統(tǒng)已經(jīng)取得較好的控制效果。而對(duì)于 一些強(qiáng)耦合、多參數(shù)、非線性、時(shí)變性、大慣性、純滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，建立它 們的精確數(shù)學(xué)模型是很困難的，有些甚至是不可能的。對(duì)這樣一些對(duì)象，用上 述控制方法或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制，或者控制效果極差。與其形成對(duì)照的是，在實(shí) 際工作中，一些有經(jīng)驗(yàn)的操作人員通過觀察和決策，用人工控制方法反而能得 到較好的控制效果1 2 ”。 總結(jié)操作人員的經(jīng)驗(yàn)并形成語(yǔ)言控制規(guī)則，運(yùn)用模糊集合論模擬操作人員 的推理與決策，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)，叫做模糊控制技術(shù)。運(yùn)用模糊控制 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的系統(tǒng)，叫做模糊控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)本身 是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖和圖2 2 是一致的。他們的不同之處 在于控制算法，而一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本控制算法是p i d 算法。 2 2 模糊控制器的控制原理與設(shè)計(jì)2 6 。3 4 采用模糊控制算法的控制器叫做模糊控$ 1 器( f u z z yc o n t r o l l e r ) ，因?yàn)槟：?控制器的控制規(guī)則是基于模糊條件語(yǔ)句描述的語(yǔ)言規(guī)則，所以又被稱為模糊語(yǔ) 言控制器( f u z z yl a n g u a g ec o n t r o l l e r ) 。其框圖如圖2 3 所示。 圖2 3 模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) f i g 2 3f u n d a m e n t a ls t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m 模糊控制器由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和模糊判決接口四個(gè)基本單元 組成。模糊化接1 ：2 的作用是把精確的輸入數(shù)據(jù)變換為適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言值或模糊集合 的標(biāo)識(shí)符。即將輸入的精確值“模糊化”，成為可用模糊集合描述的變量。推理 機(jī)是模糊控制系統(tǒng)的核心。它以模糊概念為基礎(chǔ)，通過模糊蘊(yùn)涵和模糊邏輯的 推理規(guī)則獲取模糊控制信息，實(shí)現(xiàn)擬人決策過程，即根據(jù)模糊輸入和模糊控制 規(guī)則，模糊推理求解模糊關(guān)系方程，獲得模糊輸出。知識(shí)庫(kù)e h 數(shù)據(jù)庫(kù)和語(yǔ)言( 模 糊) 控制規(guī)則庫(kù)組成，數(shù)據(jù)庫(kù)為語(yǔ)言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數(shù)提供必 要的定義。規(guī)則庫(kù)是用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時(shí)為“推理機(jī)”提 供控制規(guī)則。模糊判決接口起到模糊控制的推斷作用，并產(chǎn)生一個(gè)非模糊的控 制量。此精確控制作用必須進(jìn)行逆定標(biāo)( 輸出定標(biāo)) ，這一作用是在對(duì)受控過程 進(jìn)行控制之前通過量程變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即對(duì)推理結(jié)果進(jìn)行決策并清晰化，使之 轉(zhuǎn)化為確切控制量i ”j 。 模糊控制器在模糊自動(dòng)控制中具有舉足輕重的作用，因而設(shè)計(jì)和調(diào)整模糊 控制器的工作是很重要的。由于模糊控制器由上述四個(gè)基本部分組成，所以模 糊控制器的設(shè)計(jì)一般包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容： 2 2 1 確定模糊控制的輸入變量和輸出變量( 即控制量) 由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動(dòng)控制規(guī)則提出的，而在手動(dòng)控 制過程中，人所能獲得的信息量基本上為如下三個(gè)： ( 1 ) 誤差： ( 2 ) 誤差的變化： ( 3 ) 誤差變化的變化。 此外，人控制動(dòng)作的輸出量( 即控制量) 也是手動(dòng)控制過程中的一個(gè)信息 量。 一般來(lái)說(shuō)，人對(duì)誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的變化。 因此，模糊控制器的輸入變量可以有三個(gè)，即誤差、誤差的變化及誤差變化的 變化，輸出變量一般選擇控制量或控制量的變化。通常將模糊控制輸入變量的 個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)。下面給出幾種結(jié)構(gòu)形式的模糊控制器，如圖2 4 所示。 ( a ) 一維模糊控制器 ( b ) 二維模糊控制器 一馬 ( c ) 三維模糊控制器 ( d ) n 維模糊控制器 圖2 4 模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式 f i g ，2 4s t r u c t u r a ls h a p e so f f u z z yc o m r o u e r 一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對(duì)象，由于這種控制器輸入變 e 脯- - + ，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。所以。目前被廣泛采用的均為二維 模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量為輸出變 量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)，但是維數(shù)過高，模糊 控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難，這也是目前人們廣泛設(shè)計(jì) 和應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在。 2 2 2 確定量的模糊化 模糊化是把精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的變換過程。它是模糊控制重要的工程方 法。 設(shè)有論域u ，有精確數(shù)據(jù)x i u ，i = l ，2 ，n ；同時(shí)，由模糊集合a j u ，j = l ，2 ，m 。如果存在x i ，令： ( x 。) 0 則稱x i 屬于模糊集合a j ，并且隸屬度為一( x ，) ，表示為 x 。( x ) a ， 一般稱x i 隸屬度縱( x 。) 歸屬于a j 。 在論域u 中，如果給出一個(gè)精確值x ，并根據(jù)x 找到它所屬的模糊量a ， 則稱x i 被模糊化成a i 。 在模糊化的具體過程中需要進(jìn)行量化、模糊劃分和模糊表達(dá)。量化實(shí)質(zhì)是 把連續(xù)輸入量的范圍離散化；模糊劃分就是對(duì)論域范圍確定模糊量的個(gè)數(shù)；模 糊表達(dá)就是對(duì)模糊量的隸屬函數(shù)進(jìn)行定義。 1 論域的量化 模糊控制系統(tǒng)中的被控制對(duì)象狀態(tài)變化是連續(xù)的，系統(tǒng)的給定值也是連續(xù) 的，所以，反映到模糊控制器輸入端的輸入量也必然是連續(xù)的。但是，模糊控 制器由電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成，它只能進(jìn)行離散量處理。因此，模糊控器要求輸入的 量是離散模糊量，即單點(diǎn)表示的模糊量。模糊量a 可表示如下： a = a ( 口1 ) l a l + a ( 口2 ) 口2 + + a ( 口。) a 。( 2 1 ) 以常用的二維模糊控制器為例，系統(tǒng)中的偏差和偏差變化率的變化范圍是這些 變量的基本論域。設(shè)偏差的基本論域?yàn)?x ，+ x 】，偏差所取的模糊集的論域?yàn)? 一n ， n + l ，0 ，n 一1 ，n ) ，即可給出精確值的量化因子q ： n q = 一( 2 2 ) x 實(shí)際中的一般做法是，首先把觀測(cè)到的偏差e 的變化范圍設(shè)定為【- n ，+ n 之間變 化的連續(xù)量。然后將這一連續(xù)的精確量離散化，即將其分為幾檔，每一檔對(duì)應(yīng) 一個(gè)模糊集，而后進(jìn)行模糊化處理。如果在實(shí)際工作中，精確量x 的變化范圍 不是在【- n , + n 之間，那么可通過變換將其轉(zhuǎn)化為 一n ，+ n 之間的離散量。這個(gè)把 連續(xù)論域進(jìn)行離散化的過程稱為量化。如設(shè)精確量的變化范圍為【a ，b 】，則量化 因子q ： q ：旦 ( 2 3 ) 2 五 。 如果在連續(xù)論域【a ，b 】中有值v ，并且有a v 6 朋= i e - ( x “) 2 6 2 x 6 = e - ( 。刪2 4 5 目= e - ( ) 2 枷 z 0 = i 0 7 2 = e - ( 。刪2 4 5 。m a 2 l e - ( x + 6 ) ：i 6 2 x - 6 1 - 6ix = e j 柏” ( 6 3 ) ( 6 4 ) ( 6 5 ) ( 6 6 ) ( 6 7 ) ( 6 8 ) ( 6 9 ) ( 6 1 0 ) ( 6 1 1 ) ( 6 1 2 ) f 1工 - 4 2 4 r 1 4 ，x 。 ( 6 1 3 ) 溶解氧濃度的偏差和偏差的變化的隸屬函數(shù)圖形如圖6 2 所示： 嘲獬_ ( a ) d o 偏差的隸屬函數(shù) 6 趙_ ( b ) d o 偏差變化的隸屬函數(shù) 圖6 2 輸入量的隸屬函數(shù) f i g 6 2m e m b e r s h i pf u n c t i o no fi n p u t s 輸出量u 的隸屬函數(shù)如圖6 3 所示： 嘲獬_ 圖6 3 輸出量的隸屬函數(shù) f i g 6 3m e m b e r s h i pf u n c t i o no f o u t p u t 6 2 2 確定模糊控制規(guī)則并應(yīng)用模糊推理合成計(jì)算出控制表 以溶解氧d o 為被控制量的模糊控制系統(tǒng)是典型的雙輸入單輸出模糊控制系 統(tǒng)，其模糊控制規(guī)則的形式為 i fe = a n di fe c = t h e nu 一 根據(jù)對(duì)生化池中的溶解氧濃度特性的分析及其在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的溶解氧 濃度與曝氣量之間的關(guān)系，建立以模糊語(yǔ)言表示的模糊控制推理合成規(guī)則和模糊 控制規(guī)則。根據(jù)手動(dòng)控制策略，總結(jié)出3 5 條模糊控制規(guī)則。 當(dāng)e = n b 時(shí)，有五條控制規(guī)則： ( 1 ) 如果“偏差”是“負(fù)大”，“偏差變化”是“負(fù)大”，則“變頻器的輸入電壓正大”； f i f e = n b a n de c = n b t h e n u = p b ) ( 2 ) 如果“偏差，是“負(fù)大”，“偏差變化”是“負(fù)小”，則“變頻器的輸入電壓正大”； ( i f e = n b a n de c = n s t h e n u = p b ) ( 3 ) 如果“偏差”是“負(fù)大”，“偏差變化”是“零”，則“變頻器的輸入電壓正大”： ( i f e = n b a n d e c = z o t h e n u = p b ) ( 4 ) 如果“偏差”是“負(fù)大”，“偏差變化”是“正小”，則“變頻器的輸入電壓正中” ( i f e = n b a n de c = p s t h e n u = p m ) ( 5 ) 如果“偏差”是“負(fù)大”，“偏差變化”是“正大”，則“變頻器的輸入電壓不變” ( i f e = n b a n d e c = p b t h e n u 2 z o ) 當(dāng)e 分別為n m ，n s ，n z ，z o ，p z ，p s ，p m ，p b 時(shí)各有五條控制規(guī)則。 總的控制規(guī)則可以由一個(gè)控制規(guī)則表( 表6 1 ) 來(lái)表示。 心 n bn mn sz 0p sp mp b n b p bp bp mp m p s z 0z o n sp bp bp mp sz 0n sn m z op bp mp sz on sn mn b p s p mp sz on sn mn bn b p bz o z on sn m n mn bn b 表6 1溶解氧模糊控制器的控制規(guī)則表 t a b 6 1c o n t r o lr u l e so f d of u z z yc o n t r o l l e r 建立上述模糊控制規(guī)則的依據(jù)是：當(dāng)偏差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快 消除偏差為主；而當(dāng)偏差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定 性為主要出發(fā)點(diǎn)。例如，當(dāng)d o 偏差為正大，偏差變化為正小時(shí)，就是生化池內(nèi) 的d o 濃度偏大，而且有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)，應(yīng)加以調(diào)整，以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，為 盡快降低d o 濃度，必須減小曝氣量，由于曝氣量隨著鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的減小而減小， 而鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器的輸入電壓有關(guān)，所以要盡快地降低電壓，l l l j u 取n b 。 每條規(guī)則的關(guān)系r k 可表示為： r k2 e i e c j u u ( 6 1 4 ) 根據(jù)每一條模糊語(yǔ)句決定的f u z z y 關(guān)系r k ( k = l ，2 ，3 5 ) ，可得描述整個(gè)系統(tǒng)的控 制規(guī)則，總的f u z z y 關(guān)系矩陣r ： 3 5 r = r lur 2u ur 3 5 = ur k 忙i 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模糊推理合成規(guī)則 u = ( e e c ) 。r ( 6 1 6 ) 即 u ( z ) = ve ( x ) e c ( y ) r ( x ，z ) (617)ya a ay 囂等 計(jì)算出對(duì)應(yīng)e 、e c 各論域的輸出u 。再用加權(quán)平均法判決出實(shí)際的輸出量，具體 表達(dá)式為： ( 峨) 虬 “。= 型_ 一 ( 6 1 8 ) ( 虬) i = l 求解模糊關(guān)系矩陣、根據(jù)求出的模糊關(guān)系矩陣得出u 值以及建立模糊控制 表，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的計(jì)算過程。一般是用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程由計(jì)算機(jī)來(lái)完成 上述關(guān)系矩陣及推理合成的計(jì)算，但相當(dāng)冗繁。由m a t h w o r k s 公司推出的m a t l a b 軟件，為模糊控制表的運(yùn)算提供了強(qiáng)有力的工具，特別是在m a t l a b 4 2 以后的版 本中推出的模糊工具箱( f u z z yl o g i ct o o l b o x ) ，為模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了便 捷。近年來(lái)，隨著m a t l a b 的廣泛應(yīng)用，特別是出現(xiàn)了f u z z yl o g i ct o o l b o x 和 s i m u l i n k 之后，使得研究模糊控制系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。本文利用了m a t l a b 命令編程 f u z z yl o g i ct o o l b o x 兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制表的計(jì)算。 i m a t l a b 命令編程來(lái)實(shí)現(xiàn) 所謂m a t l a b 命令編程就是利用m a t l a b 提供的一些特定的函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控 制器，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模糊控制表的計(jì)算。主要用到的m a t l a b 函數(shù)有：n e w f i s 、 a d d v a r 、a d d m f 、a d d r u l e 、e v a l f i s 等。利用這些特定的函數(shù)完成模糊控制器的設(shè) 計(jì)，從而完成模糊控制表的計(jì)算。圖6 4 是計(jì)算模糊控制表的程序流程圖。 2 f u z z yl o g i ct o o l b o x 實(shí)現(xiàn) s 8 l i 5 9 】 控制表的求取是整個(gè)模糊控制器的設(shè)計(jì)核心，它的正確與否對(duì)控制器的運(yùn)行 起著至關(guān)重要的作用，因此為了保證控制表的準(zhǔn)確性，除了上述的m a t l a b 命令編 程之外，還利用了f u z z yl o g i ct o o l b o x 以可視化方式求取模糊控制表。 m a t l a b 提供的f u z z yl o g i c t o o l b o x 中包括5 個(gè)基本工具箱圖形用戶界面，它 們分別是模糊推理系統(tǒng)編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則觀察器和 曲面觀察器。它們連接到一起可以完成模糊控制器的設(shè)計(jì)工作。 首先，運(yùn)行m a t l a b 軟件，在m a t l a b 的命令輸入窗1 2 1 中輸入命令“f u z z y ” 即可進(jìn)入模糊控制器編輯( f i s ) 環(huán)境。 4 0 l 輸入e 、e c 和u 的諗哦 l 輸入e 、e c 和u 的隸屬函數(shù) 上 預(yù)置規(guī)則數(shù) 輸入規(guī)則表 0 i 模糊推理l i t i 去模糊化 上 i 得控制表l l 圖6 4 計(jì)算模糊控制表的程序流程圖 f i g 6 4f l o wc h a r tf o rf u z z y c o n t r o lt a b l ec a l c u l a t i o n 利用該窗口建立模糊控制器的步驟為： 1 ) 確定模糊控制器的類型和結(jié)構(gòu)。 進(jìn)入f i s 編輯器窗口時(shí)，為m a n d a n i 型，如果是s u g e n o 型，選定 f i j e 】下拉菜 單【s u g e n of i s 選項(xiàng)，便進(jìn)入s u g e n o 型模糊控制器的編輯窗口。本文選用的模 糊控制器為m a n d a n i 型，打開m a n d a n i 型模糊控制器的編輯窗口。此編輯窗口列 出了模糊推理系統(tǒng)的基本組成部分：輸入模糊量、模糊推理和輸出模糊量。而且， 通過此窗口可修改推理過程的各個(gè)部分，如輸入輸出變量的名字和與其相關(guān)的隸 屬函數(shù)的類型和范圍。本文所選用的模糊推理( i m p l i c a t i o n ) 方法為求小( m i n l ，合 成( a g g r e g a t i o n ) 方法為求大( m a x ) ，與運(yùn)算( a n dm e t h o d ) 為求小，或( o r ) 運(yùn)算為求大， 反模糊化( d e f u z z i f i c a t i o n ) 方法為加權(quán)平均法。f i s 編輯器窗口及其各參數(shù)的設(shè)置 如圖6 5 所示。 2 ) 輸入模塊的建立 ( 1 ) 確定輸入模塊的個(gè)數(shù)。 由f u z z y 函數(shù)創(chuàng)建的原始窗口中只有個(gè)輸入模塊，而本文所要建立的模糊 控制器為雙輸入單輸出系統(tǒng)，所以必須在f i s 編輯器窗口中增加個(gè)輸入模塊。 通過選擇 e d i t 下的 a d di n p u t 菜單項(xiàng)，輸入模塊會(huì)自動(dòng)增加一個(gè)。 ( 2 ) 編輯輸入變量的隸屬函數(shù)。 圖6 5f i s 編輯面口 f i g 6 5f i se d i tw i n d o w 雙擊編輯器窗口的某個(gè)輸入模塊或單擊【v i e w 】下拉菜單并選擇【e d i t m e m b e r s h i pf u n c t i o n ，打開隸屬函數(shù)編輯窗口。當(dāng)打開隸屬函數(shù)編輯器時(shí)，在隸 屬函數(shù)圖形區(qū)的左上部是“變量模板”，使用它可以對(duì)任一給定變量設(shè)置隸屬函 數(shù)。為設(shè)置與f i s 的輸入變量相關(guān)的隸屬函數(shù)，在此區(qū)域通過單擊它來(lái)選擇f i s 變量。 選定【e d i t 下的【a d dm f s 】，將出現(xiàn)一個(gè)新的窗口。在此窗口中可以選擇 與輸入變量相關(guān)的隸屬函數(shù)類型和模糊變量的量化等級(jí)，即變量語(yǔ)言值模糊子集 的規(guī)模。編輯器中提供了八種類型的隸屬函數(shù)以供選擇。圈6 6 中所選的輸入變 量e 的隸屬函數(shù)類型( m ft y p e ) 為正態(tài)分布型( g a u s s m 0 。e 的模糊子集為“負(fù)大， 負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大”，則其隸屬函數(shù)的數(shù)量( n u m b e r o f m f s ) 為7 。 確定輸入變量的隸屬函數(shù)類型和數(shù)量以后，關(guān)閉此窗口。 在隸屬函數(shù)編輯窗口中選中要編輯的輸入變量的圖標(biāo)，確定當(dāng)前輸入變量量 化等級(jí)的范圍。對(duì)于輸入變量e ，設(shè)定r a n g e 和d i s p l a yr a n g e 為向量 6 ，6 】。對(duì) 選定的每一個(gè)模糊語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)，其參數(shù)都可以進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法有兩 圖6 6 輸入量e 的隸屬函數(shù) f i g 6 6m e m b e r s h i pf u n c t i o no fi n p u te 種：( a ) 使用鼠標(biāo)選擇一個(gè)與給定變量參數(shù)相關(guān)的特定隸屬函數(shù)，然后在指定的位 置用左鍵來(lái)拖動(dòng)隸屬函數(shù)；( b ) 單擊隸屬函數(shù)上的小方框拖動(dòng)點(diǎn)，膨脹或收縮選定 的隸屬函數(shù)，若膨脹就用鼠標(biāo)向外拖動(dòng)函數(shù)，若收縮就向內(nèi)拖動(dòng)。最后，對(duì)各變 量的隸屬函數(shù)標(biāo)明其對(duì)應(yīng)模糊子集的模糊語(yǔ)言值。如將m f l 作為n b ，方法是： 選中變量的m f l ，在當(dāng)前隸屬函數(shù)的參數(shù)框中，