自動(dòng)化前沿技術(shù)課程論文.doc

模糊控制的現(xiàn)狀及發(fā)展李小秋1(1 湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 湘潭 411201)摘要：模糊控制方法是智能控制的重要組成部分，本文介紹了模糊控制的基本結(jié)構(gòu)和原理以及當(dāng)前模糊控制技術(shù)的研究動(dòng)向，并結(jié)合具體的控制系統(tǒng)詳細(xì)論述了現(xiàn)階段模糊控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，指出了模糊控制正在向與現(xiàn)代的DSP控制融合等方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：模糊控制；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)；中途分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AThe Status and Development of Fuzzy ControlLi Xiao-qiu1 (1 College of Information and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)Abstract：Fuzzy control method is an important part of intelligent control, this paper introduces the basic structure and principle of fuzzy control and the current research trends of fuzzy control technology, and discusses the development trend of fuzzy control technology in detail with the specific control system, and points out that the fuzzy control is in the direction of integration with modern DSP control.Key words：fuzzy control; status; trends；1、引言自從1965年美國(guó)自動(dòng)控制理論專家L.A.Zadeh首先提出來(lái)創(chuàng)立的模糊集理論描述客觀世界存在的不確定信息以來(lái)，模糊邏輯理論有了飛躍的發(fā)展。并由此而產(chǎn)生的模糊 控制現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用。模糊控制能夠?qū)⑷说闹悄苤苯討?yīng)用于控制過(guò)程，將智能控制的高層次決策和低層次控制實(shí)現(xiàn)結(jié)合于一體。模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制、變結(jié)構(gòu)控制等以及現(xiàn)代的矢量控制、DSP控制等的融合是工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。模糊控制定義為“基于模糊集合理論、模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制方法1，基本思想是在被控對(duì)象模糊模型的基礎(chǔ)上，用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)控制的一種方法，是一種擬人類智能形式.屬于非線性控制，是智能控制中的一種。它特別適用于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型未知的、復(fù)雜的、非線性的控制系統(tǒng)。就是在被控制對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊控制器近似推理等手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法。模糊模型就是用模糊語(yǔ)言和規(guī)則描述的一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及性能指標(biāo)?？梢栽谔幚聿痪_性和不確定性問(wèn)題中獲得可處理性、魯棒性。2、模糊控制原理模糊控制的基本原理如圖1所示。它的核心部分是模糊控制器，它主要包括輸人量的模糊化、模糊推理和模糊判決三部分。模糊控制器的實(shí)現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實(shí)現(xiàn)或由計(jì)算機(jī)（或微處理機(jī)）的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)步驟簡(jiǎn)述如下：圖1 模糊控制原理框圖（1）求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差e，系統(tǒng)通過(guò)采樣獲得系統(tǒng)被控量的精確值，然后將其與給定值比較，得到系統(tǒng)的誤差e。（2）計(jì)算誤差變化率（de/dt）。（3）輸入量模糊化。即把誤差及誤差變化率模糊化變成模糊量E，Ec。（4）總結(jié)控制規(guī)則?？刂埔?guī)則為控制中所需要的控制策略，它是模糊控制器的核心?？刂埔?guī)則是專家知識(shí)或現(xiàn)場(chǎng)操作人員經(jīng)驗(yàn)的反映，一般都采用“IFTHEN”的形式進(jìn)行歸納。（5）模糊推理。根據(jù)推理合成規(guī)則，將輸入量模糊化后的語(yǔ)言變量E，EC具有一定的語(yǔ)言值進(jìn)行模糊推理得到模糊控制量U。（6）模糊判決。即反模糊化，將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量對(duì)被控對(duì)象實(shí)行控制。3、模糊控制優(yōu)缺點(diǎn)及問(wèn)題基于模糊控制的控制系統(tǒng)具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：（1）模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)而非控制專業(yè)的工作者，模湖控制方法易于掌握，系統(tǒng)機(jī)觀和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。（2）模糊控制座接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，在工業(yè)過(guò)程從定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言控制規(guī)則，而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化顯著的對(duì)象非常適用。（3）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，允其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。（4）基于模型的控制箅法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同、容易導(dǎo)致較大差異，但一個(gè)系統(tǒng)的語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，采用模糊控制設(shè)計(jì)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的P1D控制，并且過(guò)程參數(shù)的變化具奮較強(qiáng)的適應(yīng)性。（5）模糊控制算法是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這使得操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)言很容易加入到過(guò)程控制環(huán)節(jié)上。通過(guò)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。然而模糊控制在信息簡(jiǎn)單的模糊處理上將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，使模糊控制的設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性，這對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。另外，獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)的方法即為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)辦法，在目前完全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。盡管模糊控制理論已經(jīng)取得了可觀的進(jìn)展，但與常規(guī)控制理論相比仍不成熟。模糊?？刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)尚未建立起有效的方法，在很多場(chǎng)合下仍然需要依靠經(jīng)驗(yàn)和試湊。另方面，常規(guī)模糊控制需要不斷改進(jìn)穩(wěn)態(tài)控制情度和提高智能水平與適應(yīng)能力。從大量文獻(xiàn)中可以看出，在實(shí)際應(yīng)用中往住是將模糊控制或模糊推理的思想.與其他相對(duì)成熟的控制理論或方法結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，從而獲得押想的控制效果。模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法已成為研究的熱點(diǎn)，二者的結(jié)合有效地推動(dòng)了自學(xué)習(xí)模糊控制的發(fā)展4、模糊控制發(fā)展趨勢(shì)將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，或者將其它學(xué)科的理論、方法引入工業(yè)控制，走交叉學(xué)科的道路。近年來(lái)，智能控制研究很活躍，并在許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。典型的如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于專家系統(tǒng)的控制。由于無(wú)需對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型并具有較強(qiáng)的魯棒性，因而將智能控制方法引入到工業(yè)控制系統(tǒng)的研究有著光明的發(fā)展前景。比較成熟的是模糊控制，它具有不依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型、能克服非線性因素的影響、對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)2。模糊控制已在閉環(huán)系統(tǒng)中取得滿意的效果。它的典型應(yīng)用如：用于工業(yè)控制的模糊控制器，模糊 邏輯在工業(yè)模型及參數(shù)辯識(shí)中的應(yīng)用，基于模糊邏輯的效率優(yōu)化控制，基于模糊邏輯的智能逆變器的研究等。近年來(lái)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制系統(tǒng)引入工業(yè)控制系統(tǒng)的研究正在興起，相信不久的將來(lái)會(huì)獲得實(shí)用性結(jié)果。可靠性高，實(shí)時(shí)性好是對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。最初的工業(yè)控制都是采用分立元件的模擬電路，后來(lái)隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，采用集成電路甚至專用集成電路。這些電路大多為模擬數(shù)字混合電路，既提高了可靠性、抗干擾性，又縮短了開(kāi)發(fā)周期和研制費(fèi)用，減小了體積，因而發(fā)展很快。作為專用集成電路(ASIC-Application Specific Integrated Circuit)的一個(gè)重要方面，幾乎所有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家半導(dǎo)體廠商，都能提供自己開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制專用集成電路。所以工業(yè)控制專用集成電路品種、規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料十分豐富3。但同時(shí)由于各廠商之間無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因而產(chǎn)品極其分散，又不斷有新產(chǎn)品出現(xiàn)，為滿足一次設(shè)計(jì)的需要，往拄要花很大力氣、很多時(shí)間去收集整理資料。當(dāng)前工業(yè)控制的發(fā)展越來(lái)越趨于多樣化、 復(fù)雜化。所以有時(shí)未必能滿足越來(lái)越苛刻的性能要求。這時(shí)可以考慮自己開(kāi)發(fā)工業(yè)專用的控制芯片?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)可以作為一種解決方案4。作為開(kāi)發(fā)設(shè)備，F(xiàn)PGA可以方便地實(shí)現(xiàn)多次修改。簡(jiǎn)單地打個(gè)比方，F(xiàn)PGA相對(duì)于ASI好比EEPROM相對(duì)于掩模生產(chǎn)的ROM。由于FPGA的集成度非常大，一片F(xiàn)PGA少則幾千個(gè)等效門(mén)，多則幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)個(gè)等效門(mén)。所以一片F(xiàn)PGA就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯， 替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語(yǔ)言(VHDL或Verilog HDL)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，VHDL是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語(yǔ)言，已經(jīng)大量出現(xiàn)在EDA系統(tǒng)中。它可以用簡(jiǎn)潔明確的原代碼來(lái)描述復(fù)雜的邏輯控制，具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，層層細(xì)化，最后可直接生成電路級(jí)描述。這對(duì)工業(yè)控制設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)提供了有利支持。5、模糊控制與DSP融合目前，模糊邏輯控制器大多采用單片機(jī)來(lái)控制，應(yīng)用較多的是8096系列產(chǎn)品5。但單片機(jī)的處理能力有限，特別是采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)量大，實(shí)時(shí)性和精確度要求高，單片機(jī)往往不能滿足要求。因此人們自然而然的又想到了數(shù)字 信號(hào)處理器（DSP)。近年來(lái)，各種集成化的單片DSP 的性能得到很大改善，軟件和開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越多，越來(lái)越好；價(jià)格卻大幅度下滑，目前低端產(chǎn)品己接近單片機(jī)的價(jià)格水平，且具有更高的性能價(jià)格比。與單片機(jī)相比DSP器件具有較高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器。提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。有的片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路，可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RJSC)器件，大多數(shù)指令都能在一個(gè)指令 周期內(nèi)完成，并且通過(guò)并行處理技術(shù)，使一個(gè)指令周期內(nèi)可完成多條指令。DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù) 據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。增強(qiáng)的多級(jí)流水線，處理器可以并行處理2-4 條指令，每條指令處于流水線的不同階段。這都使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。而單片機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC）器件，多數(shù)指令要23個(gè)指令周期來(lái)完成。單片機(jī)采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問(wèn)指令或數(shù)據(jù)。ALU只能做加法，乘法需由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，也就是速度比較慢。所以，結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比16位單片機(jī)指令執(zhí)行時(shí)間快810倍，完成一次乘法運(yùn)算快1630倍。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是 DSP器件運(yùn)算功能強(qiáng)，而單片機(jī)的事物處理能力強(qiáng)。 DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了 FFT 快速傅立葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。采用基于DSP 的工業(yè)專用集成電路的另一個(gè)好處是，可以降低對(duì)傳 感器等外圍器件的要求。通過(guò)復(fù)雜的算法達(dá)到同樣的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術(shù)的保密。首先從理論上將模糊控制與DSP器件控制相結(jié)合，利用模糊規(guī)則表來(lái)決策智能功率模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制的效果 越好，但維數(shù)高計(jì)算量大，占用DSP時(shí)間長(zhǎng)，限制了系統(tǒng)采樣頻率的提高，實(shí)時(shí)性差。二維模糊控制器同時(shí)考慮到誤差和誤差變化的影響，控制精度一般可以滿足要求，在性能上又要優(yōu)于一維模糊控制器，而且在計(jì)算機(jī)上也比較容易實(shí)現(xiàn)，是模糊控制器中最常用的結(jié)構(gòu)6。因?yàn)槟：刂葡到y(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，所以模糊控制器的n維輸人觀測(cè)量和一維的輸出量都是離散的和有限的清晰量，可以定義在（n+l）個(gè)有限的論域上。對(duì)于單輸人單輸出模糊控制器，選用 偏差語(yǔ)言變量E唯一的一維輸人量；對(duì)于雙輸人單輸出模糊控制器，則選用偏差語(yǔ)言變量E和偏差變化語(yǔ)言變量EC，這樣的二維輸人量。為了便于用規(guī)范的語(yǔ)言變量來(lái)描述控制規(guī)則，使之適合于模糊集合的運(yùn)算，必須事先將輸人偏差、偏差變化和輸出量的模糊 子集（模糊語(yǔ)言變量）分成若干“檔”：將它們各自的論域分成若干級(jí)。例如:將偏差模糊子集E分成PL（正 大）、PM（正中）、PS（正小)、Z（零）、NS（負(fù)?。?、NM（負(fù)中）、NL (負(fù)大）等8“檔”。又設(shè)偏差模糊語(yǔ)言變量E的論域分成e=-5，-4,-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5共12 級(jí)。同理 可以確定偏差變化模糊子集EC和輸出模糊集U的“檔”以及偏差變化論域和論域的“級(jí)選擇較多的“檔”、“級(jí)”，即對(duì)每一個(gè)變量用較多的狀態(tài)來(lái)描述，制定規(guī)則時(shí)就比較靈活，規(guī)則也比較細(xì)致，但相應(yīng)地規(guī)則變多了，變復(fù)雜了，占用的內(nèi)存容量較多；選擇較少的“檔”、“級(jí)”，規(guī)則相應(yīng)變少，規(guī)則的實(shí)現(xiàn)方便了，但過(guò)少的規(guī)則會(huì)使控制作用變粗而達(dá)不到預(yù)期的效果，因此在選擇模糊狀態(tài)時(shí)要兼顧簡(jiǎn)單性和控制效果。模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制規(guī)則一般采用以下的形式：if (X1 為 A1，Xn 為 An），then （Y1 為 B1， ，Ym為Bm）其中Xi Ui，且A為論域u上的模糊集，即 A i F（U i）（i=1,2,，n）；Y jV j，且 Bj 為論域Vj上的模糊集，即BjF(U j) (j=l,2,，m)。 由此可見(jiàn)，模糊控制規(guī)則采用的是模糊條件推理形式，它的前提和結(jié)論都是一個(gè)或一組模糊命題。前提中的X通常為偏差、偏差變化率或偏差的積累，結(jié)論中的Y通常為作用于被控對(duì)象的控制量7。模糊控制規(guī)則隨著模糊控制器的輸人與輸出空間的維數(shù)的不同而采用不同的形式。一般有單輸人單輸出型、多輸人單輸出型、多輸人多輸出型等。 在模糊控制中，根據(jù)其控制系統(tǒng)的控制規(guī)則，將采用三輸人一輸出的控制規(guī)則8。模糊控制器算法結(jié) 構(gòu)即模糊推理規(guī)則，它是將所有的控制規(guī)則應(yīng)用模糊關(guān)系運(yùn)算法則，逐一求出每一條控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系。它相當(dāng)于一般控制器的傳遞函數(shù)，但這種算法結(jié)構(gòu)不是建立在對(duì)象數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上綜合出來(lái)的，而是根據(jù)人們對(duì)這一過(guò)程輸人輸出關(guān)系 觀測(cè)并采用模糊集合處理的結(jié)果。模糊控制中常見(jiàn) 的模糊推理類型有模糊蘊(yùn)含關(guān)系采用Mamdani的最小運(yùn)算推理規(guī)則(AB= minA (x) B (y) 和模糊蘊(yùn)含關(guān)系采用Larsen的代數(shù)積運(yùn)算規(guī)則 (A一 minA (x) * B (y)）。6、總結(jié)以專用DSP芯片組成控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)的模糊控制，以DSP控制器為核心，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了DSP控制算法，并利用DSP工業(yè)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)圓形控制算法進(jìn)行了開(kāi)換等模塊設(shè)計(jì)的正確性。智能控制與全數(shù)字化控制在工業(yè)中的應(yīng)用以及單片機(jī)與DSP芯片在模糊控制中的區(qū)別。將模糊控制與DSP控制相結(jié)合，將模糊控制當(dāng)中的參量誤差和參量誤差模糊化，建立模糊規(guī)則表。選擇控制規(guī)則及算法控制規(guī)則也即控制策略的選擇是非常關(guān)鍵的一步，選擇恰當(dāng)?shù)目刂埔?guī)則，能獲得較好的控制效果，既能保證響應(yīng)的快速性。又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性9。將模糊控制與DSP控制相結(jié)合，在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用推廣是模糊控制領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展方向，國(guó)外在這方面有較大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，許多成熟的產(chǎn)品已應(yīng)用于實(shí)際，而國(guó)內(nèi)這方面的應(yīng)用并不