自動化前沿技術(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)的研究動向，并結(jié)合具體的控制系統(tǒng)詳細論述了現(xiàn)階段模糊控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，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；中途分類號：TP212文獻標(biāo)識碼：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年美國自動控制理論專家L.A.Zadeh首先提出來創(chuàng)立的模糊集理論描述客觀世界存在的不確定信息以來，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)用于控制過程，將智能控制的高層次決策和低層次控制實現(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，對難以建立數(shù)學(xué)模型的對象實施的一種控制方法1，基本思想是在被控對象模糊模型的基礎(chǔ)上，用機器去模擬人對系統(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)。就是在被控制對象的模糊模型的基礎(chǔ)上，運用模糊控制器近似推理等手段，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法。模糊模型就是用模糊語言和規(guī)則描述的一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標(biāo)?？梢栽谔幚聿痪_性和不確定性問題中獲得可處理性、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。模糊控制器的實現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實現(xiàn)或由計算機（或微處理機）的程序來實現(xiàn)，實現(xiàn)步驟簡述如下：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。控制規(guī)則是專家知識或現(xiàn)場操作人員經(jīng)驗的反映，一般都采用“IFTHEN”的形式進行歸納。（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言變量E，EC具有一定的語言值進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)化為精確量對被控對象實行控制。3、模糊控制優(yōu)缺點及問題基于模糊控制的控制系統(tǒng)具有如下突出優(yōu)點：（1）模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，對于具有一定操作經(jīng)驗而非控制專業(yè)的工作者，模湖控制方法易于掌握，系統(tǒng)機觀和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。（2）模糊控制座接采用語言型控制規(guī)則，在工業(yè)過程從定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化顯著的對象非常適用。（3）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，允其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。（4）基于模型的控制箅法及系統(tǒng)設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標(biāo)的不同、容易導(dǎo)致較大差異，但一個系統(tǒng)的語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，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)計的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的P1D控制，并且過程參數(shù)的變化具奮較強的適應(yīng)性。（5）模糊控制算法是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這使得操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語言很容易加入到過程控制環(huán)節(jié)上。通過模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(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單的模糊處理上將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差，使模糊控制的設(shè)計缺乏系統(tǒng)性，這對復(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)計辦法，在目前完全憑經(jīng)驗進行。盡管模糊控制理論已經(jīng)取得了可觀的進展，但與常規(guī)控制理論相比仍不成熟。模糊模控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計尚未建立起有效的方法，在很多場合下仍然需要依靠經(jīng)驗和試湊。另方面，常規(guī)模糊控制需要不斷改進穩(wěn)態(tài)控制情度和提高智能水平與適應(yīng)能力。從大量文獻中可以看出，在實際應(yīng)用中往住是將模糊控制或模糊推理的思想.與其他相對成熟的控制理論或方法結(jié)合起來，發(fā)揮各自的長處，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，二者的結(jié)合有效地推動了自學(xué)習(xí)模糊控制的發(fā)展4、模糊控制發(fā)展趨勢將現(xiàn)有的各種控制理論加以結(jié)合，互相取長補短，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，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。由于無需對象的精確數(shù)學(xué)模型并具有較強的魯棒性，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象精確的數(shù)學(xué)模型、能克服非線性因素的影響、對調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性等優(yōu)點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，相信不久的將來會獲得實用性結(jié)果?？煽啃愿?，實時性好是對控制系統(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，后來隨著電子技術(shù)的進步，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，又縮短了開發(fā)周期和研制費用，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)的一個重要方面，幾乎所有先進工業(yè)國家半導(dǎo)體廠商，都能提供自己開發(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。但同時由于各廠商之間無統(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)計的需要，往拄要花很大力氣、很多時間去收集整理資料。當(dāng)前工業(yè)控制的發(fā)展越來越趨于多樣化、 復(fù)雜化。所以有時未必能滿足越來越苛刻的性能要求。這時可以考慮自己開發(fā)工業(yè)專用的控制芯片?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)可以作為一種解決方案4。作為開發(fā)設(shè)備，F(xiàn)PGA可以方便地實現(xiàn)多次修改。簡單地打個比方，F(xiàn)PGA相對于ASI好比EEPROM相對于掩模生產(chǎn)的ROM。由于FPGA的集成度非常大，一片F(xiàn)PGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬個等效門。所以一片F(xiàn)PGA就可以實現(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言(VHDL或Verilog HDL)來對系統(tǒng)進行設(shè)計，VHDL是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言，已經(jīng)大量出現(xiàn)在EDA系統(tǒng)中。它可以用簡潔明確的原代碼來描述復(fù)雜的邏輯控制，具有多層次的設(shè)計描述功能，層層細化，最后可直接生成電路級描述。這對工業(yè)控制設(shè)計方案的實現(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來控制，應(yīng)用較多的是8096系列產(chǎn)品5。但單片機的處理能力有限，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，實時性和精確度要求高，單片機往往不能滿足要求。因此人們自然而然的又想到了數(shù)字 信號處理器（DSP)。近年來，各種集成化的單片DSP 的性能得到很大改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，越來越好；價格卻大幅度下滑，目前低端產(chǎn)品己接近單片機的價格水平，且具有更高的性能價格比。與單片機相比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器件為精簡指令系統(tǒng)計算機(RJSC)器件，大多數(shù)指令都能在一個指令 周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個指令周期內(nèi)可完成多條指令。DSP采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù) 據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，乘法可在一個指令周期內(nèi)完成。增強的多級流水線，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)運算能力。而單片機為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機（CISC）器件，多數(shù)指令要23個指令周期來完成。單片機采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時刻只能單獨訪問指令或數(shù)據(jù)。ALU只能做加法，乘法需由軟件來實現(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位單片機指令執(zhí)行時間快810倍，完成一次乘法運算快1630倍。簡單地說，就是 DSP器件運算功能強，而單片機的事物處理能力強。 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算速度。采用基于DSP 的工業(yè)專用集成電路的另一個好處是，可以降低對傳 感器等外圍器件的要求。通過復(fù)雜的算法達到同樣的控制性能，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)則表來決策智能功率模塊的開關(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)高計算量大，占用DSP時間長，限制了系統(tǒng)采樣頻率的提高，實時性差。二維模糊控制器同時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，而且在計算機上也比較容易實現(xiàn)，是模糊控制器中最常用的結(jié)構(gòu)6。因為模糊控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個計算機控制系統(tǒng)，所以模糊控制器的n維輸人觀測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）個有限的論域上。對于單輸人單輸出模糊控制器，選用 偏差語言變量E唯一的一維輸人量；對于雙輸人單輸出模糊控制器，則選用偏差語言變量E和偏差變化語言變量EC，這樣的二維輸人量。為了便于用規(guī)范的語言變量來描述控制規(guī)則，使之適合于模糊集合的運算，必須事先將輸人偏差、偏差變化和輸出量的模糊 子集（模糊語言變量）分成若干“檔”：將它們各自的論域分成若干級。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。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“級選擇較多的“檔”、“級”，即對每一個變量用較多的狀態(tài)來描述，制定規(guī)則時就比較靈活，規(guī)則也比較細致，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”，規(guī)則相應(yīng)變少，規(guī)則的實現(xiàn)方便了，但過少的規(guī)則會使控制作用變粗而達不到預(yù)期的效果，因此在選擇模糊狀態(tài)時要兼顧簡單性和控制效果。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，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)系運算法則，逐一求出每一條控制規(guī)則所對應(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)不是建立在對象數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上綜合出來的，而是根據(jù)人們對這一過程輸人輸出關(guān)系 觀測并采用模糊集合處理的結(jié)果。模糊控制中常見 的模糊推理類型有模糊蘊含關(guān)系采用Mamdani的最小運算推理規(guī)則(AB= minA (x) B (y) 和模糊蘊含關(guān)系采用Larsen的代數(shù)積運算規(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現(xiàn)對工業(yè)的模糊控制，以DSP控制器為核心，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)了DSP控制算法，并利用DSP工業(yè)控制教學(xué)實驗系統(tǒng)開發(fā)平臺對圓形控制算法進行了開換等模塊設(shè)計的正確性。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)域的一個重要的發(fā)展方向，國外在這方面有較大的領(lǐng)先優(yōu)勢，許多成熟的產(chǎn)品已應(yīng)用于實際，而國內(nèi)這方面的應(yīng)用并不