模糊PID與常規(guī)PID的比較

1、最優(yōu)控制與智能控制基礎(chǔ)文獻(xiàn)總結(jié)報(bào)告模糊PID與常規(guī)PID的MATLAB仿真比較與分析學(xué)生：班級(jí)學(xué)號(hào)：5080628任課教師：段洪君提交日期：2011.04.02成績(jī)：文獻(xiàn)總結(jié)報(bào)告自查表自査項(xiàng)目“是”標(biāo)7“否”標(biāo)X1報(bào)告是否由本人獨(dú)立撰寫完成2參考文獻(xiàn)是否由本人獨(dú)立查閱完成3文獻(xiàn)總結(jié)報(bào)告是否按時(shí)提交4題U是否包含被控對(duì)象名稱及與本課程相關(guān)的控制方法5封面是否按“示樣”標(biāo)準(zhǔn)打印，簽名是否手寫6報(bào)告正文是否包含“要求”的三部分7報(bào)告正文是否按“樣本”格式撰寫8報(bào)告正文中的公式、圖表等是否曲本人編輯、繪制9所引用的參考文獻(xiàn)在報(bào)告正文中是否按順序標(biāo)注10參考文獻(xiàn)的數(shù)量是否達(dá)到要求11參考文獻(xiàn)的格式是否規(guī)

2、12報(bào)告的正文與參考文獻(xiàn)的總頁(yè)數(shù)是否在810頁(yè)之間13報(bào)告是否達(dá)到“總體要求”14報(bào)告是否包含對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)論的仿真驗(yàn)證結(jié)果15報(bào)告是否包含本人的研究容及結(jié)果對(duì)所提交報(bào)告的自我評(píng)價(jià)（按百分制打分）1研究的背景及意義隨著丄業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)朵，其數(shù)學(xué)模型的建立也 越發(fā)困難，對(duì)于很多控制對(duì)象有的只能建立起粗糙的模型，有的其至無(wú)法建立模 型。這類對(duì)象往往被稱為不確定性系統(tǒng)。對(duì)于不確定性系統(tǒng)很難用傳統(tǒng)的控制方 法取得滿意的控制效果。但是對(duì)于這類系統(tǒng)，人類卻可以憑借自身的操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn) 行很好的控制。于是，人類將這些專家控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的算法, 為不確定性系統(tǒng)的控制開辟一條新

3、途徑。而后，控制專家運(yùn)用模糊控制工具，結(jié) 合人類的專家控制控制經(jīng)驗(yàn)建立了一種新型的控制方法模糊控制。模糊控制的基本思想是將人類專家對(duì)特定對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模糊集理論 進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為可數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)的控制器從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。模糊控制器 的基本工作原理是：將測(cè)量得到的被控對(duì)象的狀態(tài)經(jīng)過(guò)模糊化接口轉(zhuǎn)換為用人類 自然語(yǔ)言描述的模糊量，而后根據(jù)人類的語(yǔ)言控制規(guī)則，經(jīng)過(guò)模糊推理得到輸岀 控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經(jīng)過(guò)清晰化接口轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠接 收的精確量。PID控制器問(wèn)世至今憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu) 點(diǎn)成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌

4、握、得不 到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，采用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器的參數(shù)整定是控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性來(lái)確定PID控制器的參數(shù)大小。 PID控制原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣，但PID控制器的參數(shù)整定是一件比 較困難的事。合理的PID參數(shù)通常山經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員在線整定。在控制對(duì) 象有很大的時(shí)變性和非線性的情況下，一組整定好的PID參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系 統(tǒng)的要求。為此，需要引入一套模糊PID控制算法。所謂模糊PID控制器，即 利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID控制的比例、積分、微分系數(shù) 進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想的控制效果。模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、 模糊

5、規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個(gè)重要組成部分。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè) 定的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差e以及當(dāng)前的偏差變化 ec ,并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID控 制器的比例、積分、微分系數(shù)。常規(guī)的PID控制器在非線性時(shí)變，滯后較大的系統(tǒng)中魯棒性不強(qiáng)，控制效 果不理想。而模糊PID控制器既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，乂具有常 規(guī)PID控制精度高的特點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)運(yùn)用用MATLAB6.1的模糊控制工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器，然后用 MATLAB的simulink進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，在工況有較大變化和存在擾動(dòng) 情況

6、下，模糊控制系統(tǒng)性能優(yōu)于常規(guī)PID控制。2模糊控制的研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外模糊控制的研究現(xiàn)狀1965年扎德在信息與控制雜志上先后發(fā)表了"模糊集”（Fuzzy Se和”模 糊集與子系統(tǒng)"Fuzzy Sets & Systems）,產(chǎn)生了模糊集合論,奠定了模糊集理論和應(yīng) 用研究的基礎(chǔ)。但”模糊”一詞卻在美國(guó)科技界遭到懷疑和反對(duì)，為此而影響了模糊 邏輯在美國(guó)的研究和應(yīng)用推廣。1968年扎德首次公開發(fā)表其，模糊算法 1973 年發(fā)表了語(yǔ)言與模糊邏輯相結(jié)合的系統(tǒng)建立方法。1974年倫敦大學(xué)Mamdani博 士首次嘗試?yán)媚：壿?，成功地開發(fā)了世界上第一臺(tái)模糊控制的蒸氣引擎。 19

7、651974年是模糊控制發(fā)展的第一階段，即模糊數(shù)學(xué)發(fā)展與成形階段。其間于 1972年，日本 模糊系統(tǒng)研究基金會(huì)建立,后來(lái)成為國(guó)際模糊系統(tǒng)協(xié)會(huì)（IFSA）的日 本辦事處。第二階段大約從19741979年,這是產(chǎn)生簡(jiǎn)單模糊控制器的階段。在這期間, 美國(guó)加州一公司率先生產(chǎn)了世上第一只模糊邏輯芯片。1980年丹麥的斯密司公 司首次應(yīng)用芯片在水泥烘干機(jī)中成功地實(shí)現(xiàn)了模糊邏輯控制，但其自適應(yīng)能力和 魯棒性有限，穩(wěn)態(tài)精度也不夠理想。1979年至今是發(fā)展高性能模糊控制的第三階段。1979年T.J.Procky和 E.H.Mamdani共同提岀了自學(xué)習(xí)概念,使系統(tǒng)性能大為改善。1983年日本富士電 機(jī)開創(chuàng)了日本

8、第一項(xiàng)應(yīng)用一水凈化處理。1987年日本仙臺(tái)地鐵線釆用了模糊邏 輯控制器。1989年日本把模糊邏輯消費(fèi)品推向高潮，同年，扎德教授出任 OMRON（立石）公司高級(jí)顧問(wèn)。1993年，扎徳教授應(yīng)OMRON之請(qǐng)，在ISA/93博覽 會(huì)的新聞發(fā)布會(huì)上作了以清欠計(jì)算"為題的發(fā)言。扎德曾獲得日本企業(yè)家贈(zèng)與的15 萬(wàn)美元的本田獎(jiǎng)。今天，模糊邏輯控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域之中。在日本，家用電氣 設(shè)備已成為其主攻市場(chǎng)，諸如智能洗衣機(jī)（日立）、微波爐（夏普）、吸塵器、空調(diào)機(jī)（三 菱）、照相機(jī)和攝錄機(jī)（立石）等等;在工業(yè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中有水凈化處理、發(fā)酵控 制、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等等。在專用系統(tǒng)和其他方

9、面有地鐵控制（日本）、電 梯、自動(dòng)扶梯、蒸氣引擎、聲控直機(jī)、紙幣識(shí)別裝置以及機(jī)器人等等。日本領(lǐng)先，從所周知,當(dāng)代的一些高新技術(shù)的發(fā)展似乎有這樣一個(gè)趨向，即歐 洲從事理論研究，美國(guó)從事技術(shù)突破，而日本從事應(yīng)用開發(fā)并率先推岀商品，而且 逐漸成為這項(xiàng)技術(shù)的主導(dǎo)國(guó)家。模糊邏輯也不例外。正如前面提到的,日本于1972 年就成立了模糊系統(tǒng)研究基金會(huì)。1989年4月日本創(chuàng)建了國(guó)際模糊工程研究所 （LIFE）,下設(shè)三個(gè)實(shí)驗(yàn)室:一室研究模糊控制;二室研究智能信號(hào)處理;三室研究模 糊汁算機(jī)。1989年日本有關(guān)模糊技術(shù)的產(chǎn)品年值約有10億日元（約合8000萬(wàn)美 元），其中真正以模糊技術(shù)為核心的產(chǎn)品約占1億日元（約合

10、800萬(wàn)美元”模糊” 一詞是1990年日本國(guó)民使用頻率最高的四個(gè)詞之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本1991年就占全球模糊控制產(chǎn)品市場(chǎng)的80%左右,在世界上遙遙 領(lǐng)先。其原因是,日本在模糊邏輯元件生產(chǎn)方面一向居領(lǐng)導(dǎo)地位;日本是最著名的 新穎電子消費(fèi)產(chǎn)品的銷售中樞?？梢哉f(shuō)，日本差不多壟斷了整個(gè)模糊邏輯產(chǎn)品市 場(chǎng)。日本的OMRON公司在這10年中為模糊邏輯的發(fā)展做出了較大的努力。該 公司從1984年起追趕模糊技術(shù)° 1986年推岀了第一種模糊邏輯產(chǎn)品一一種醫(yī)療 診斷系統(tǒng)。1989年投入570萬(wàn)美元開發(fā)適用于機(jī)器人、過(guò)程控制”語(yǔ)言識(shí)別以及 成像處理的模糊處理器，其特點(diǎn)是根據(jù)模擬電路和平行處理作出高速推理,

11、適應(yīng)于 多種應(yīng)用場(chǎng)合的自山規(guī)則數(shù)和輸入輸出數(shù)。已經(jīng)推出的軟硬件有:模糊微處理器、 模糊控制編程與模擬軟件以及模糊工業(yè)控制器。公司還為多種模糊產(chǎn)品申請(qǐng)了 700多項(xiàng)專利。1990年QMRON展出了第一批超高速模糊邏輯技術(shù)，包括集成塊、 控制器和軟件，驚動(dòng)了世界并掀起了模糊邏輯技術(shù)的開發(fā)高潮。1990年推出的產(chǎn) 品有人體傳感器、機(jī)床故障診斷/預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)以及溫度控制器、FP5000多任 務(wù)處理器和FP3000控制器及其開發(fā)工具。1991年的新產(chǎn)品有:自動(dòng)售票機(jī)、 車輛識(shí)別機(jī)、血壓計(jì)以及健康狀況監(jiān)理支持系統(tǒng)。1991年7月推出的E5AF型 模糊溫度控制器（也稱調(diào)節(jié)器）是PID與模糊邏輯算法相結(jié)合的產(chǎn)

12、物，它顯著地增 強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程混亂的響應(yīng)能力,繼之乂推出以自適應(yīng)調(diào)諧為特點(diǎn)的E5J系列溫 控器,可以為PID算法保持優(yōu)化了的PID參數(shù)。自適應(yīng)調(diào)諧可以監(jiān)控步響應(yīng)、擾 動(dòng)以及搜索型調(diào)諧。E5J系列有1/4、1/8和1/16DIN三種規(guī)格 1991年晚些時(shí) 候推出的另一種重要產(chǎn)品是PLC協(xié)處理器。它已應(yīng)用在C200H以及CV系列的 PLC中。FZ001模糊推理模塊也可以插入C1000H和C2000H大型PLC后板 中作為CPU的協(xié)處理器。FZ001本身沒(méi)有輸入輸出，控制值經(jīng)過(guò)CPU的計(jì)算山 通訊網(wǎng)絡(luò)中的其他智能裝置寫入到該模塊中。它可以高速度處理模糊程序以適應(yīng) 實(shí)時(shí)控制。處理模糊推理的速度是125

13、us/規(guī)則，再加上600us去模糊時(shí)間。模塊可 以儲(chǔ)存長(zhǎng)達(dá)128條規(guī)則的程序，每條規(guī)則中最多可有5個(gè)前提（即1F條件）和2 個(gè)當(dāng)然的結(jié)（即THEN結(jié)果）。PLC使用模糊邏輯開發(fā)軟件在IBM AT電腦上編程, 并可在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生、模擬、修改和監(jiān)察模糊邏輯程序。FZ001模塊應(yīng)用面廣, 例如可用于：諸如過(guò)程、力和定位控制等非線性系統(tǒng)中；在輸入有大偏量或精度不足的系統(tǒng)中；需要人的直覺(jué)調(diào)整的難以控制的系統(tǒng)中；需要適應(yīng)性處理來(lái)克服不斷變化的環(huán)境過(guò)程條件的系統(tǒng)中；必須平衡多個(gè)輸入或者相矛盾的抑制力的過(guò)程中。FZ-001推理模塊及其軟件還可提供一種處理結(jié)構(gòu)，用以處理用一般控制方法 難以解決的應(yīng)用場(chǎng)合，例如

14、倒擺，只需要編入11條規(guī)則，簡(jiǎn)化了編程和降低了軟件 費(fèi)用。1991年OMRON還同NEC簽訂了一項(xiàng)協(xié)議，前者向后者提供FS1000模 糊知識(shí)庫(kù)開發(fā)工具、模糊推理組塊及相關(guān)專利的技術(shù)資料,以利用后者開發(fā)和制 造模糊推理組塊，并應(yīng)用到4位75x系列和8位78k系列微處理器中。OMRON 的FP-1000數(shù)字式模糊處理器是一種掩模只讀存儲(chǔ)器，它可以連到單片微機(jī)上, 是世界上第一種使用串行傳輸方法的最小最便宜的模糊邏輯集成塊，易于裝入電 子辦公機(jī)械、汽車電子元件和消費(fèi)電子產(chǎn)品中。FP1000中使用的知識(shí)庫(kù)，是用 FS-1000模糊知識(shí)數(shù)據(jù)開發(fā)工具編排的。FP3000數(shù)字式模糊處理器也用這種 軟件。FP

15、-1050是一種沒(méi)有只讀存儲(chǔ)器的仿真集成塊。FSTH1000編譯器用來(lái) 為FP1050和FP1000把來(lái)自開發(fā)工具的知識(shí)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)I標(biāo)碼。FP1050和 FSTH 1000樣品在日本售價(jià)分別為120和790美元。1993年,OMRON開始銷 售其LUNA工作站。這是世界上第一個(gè)通用的以模糊邏輯為基礎(chǔ)的工作站，其處 理速度可達(dá)到4000MIPSo主要應(yīng)用圍是:通用數(shù)據(jù)庫(kù)、模糊專家系統(tǒng)及推理系統(tǒng)。 通用數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)例子是汽車和旅行計(jì)劃，它能夠根據(jù)客戶的喜愛和所希望的價(jià) 格圉來(lái)分列岀適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品和口標(biāo)。遙控維修系統(tǒng)是模糊專家系統(tǒng)的一個(gè)例子，一 個(gè)丄作站每秒鐘能預(yù)測(cè)和診斷100臺(tái)產(chǎn)品或設(shè)備的毛病。模糊推理

16、系統(tǒng)的例子是 一種監(jiān)察系統(tǒng)，它能夠?yàn)楣S或大廈每秒處理3000項(xiàng)傳感數(shù)據(jù)，對(duì)火災(zāi)或盜竊報(bào) 警。另一個(gè)例子是手寫字符識(shí)別系統(tǒng)和簽字確認(rèn)系統(tǒng)。1993年,OMRON宣布了一種新型模糊邏輯器件,具有圖像識(shí)別和分析功能, 能夠檢驗(yàn)偽鈔和彩色復(fù)印偽件。在ISA/93博覽會(huì)上,OMRON展出了純研究技術(shù), 其中有高密度芯片和ASIC芯片的制造技術(shù)以及模糊邏輯技術(shù)，可用于氣袋有選 擇的激勵(lì)、擁擠控制和變色變背景的光電傳感器中。在日本，除OMRON之外，還 有富士、三洋、日電、沖電氣等公司從事模糊邏輯產(chǎn)品生產(chǎn)。1992年富士通推 出MB94140系列8位單片模糊控制器，可用于實(shí)時(shí)控制。這個(gè)系統(tǒng)中的MB9414

17、6 是一種大規(guī)模使用的掩模ROM產(chǎn)品;MB94PV140是一種供評(píng)價(jià)和開發(fā)用的級(jí)聯(lián) 產(chǎn)品;MB94P147則是供預(yù)生產(chǎn)使用的一次性產(chǎn)品。所有三種集成塊都使用 F2RU6模糊推理機(jī)構(gòu)和F2MC8L中央處理單元。三洋沒(méi)有生產(chǎn)模糊邏輯集 成塊，但在應(yīng)用方面領(lǐng)先。1989年9月首次推出8mm錄像機(jī),1990年8月推出微 波爐，接著推出電飯鍋、洗衣機(jī)、衣服干燥機(jī)、真空清洗機(jī)、加熱器、復(fù)印機(jī)、 空氣清洗機(jī)、面包爐、大容量電冰箱、無(wú)繩電熨斗和被褥干燥器等等利用模糊邏 輯的產(chǎn)品。1991年3月推出第一臺(tái)裝有模糊控制器和神經(jīng)控制器的電風(fēng)扇，這種 風(fēng)扇能夠自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)使用者。NEC銷售的產(chǎn)品有17K系列的4位微控制器

18、。1993 年3月推岀的pPD17156是另一種4位微控制器，是專為具備模糊邏輯的消費(fèi)電子 產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的，它有大容量ROM和一個(gè)8通道8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。售給日本客戶的 價(jià)格是2.28美元。開始生產(chǎn)時(shí)月產(chǎn)10萬(wàn)只。沖電氣于1992年10月開發(fā)岀據(jù)稱 為世界上第一只并行處理單片8位模糊處理器MSM91U112,是熊本大學(xué)設(shè)計(jì) 的。笫一財(cái)政年度將生產(chǎn)12萬(wàn)只,售給日本客戶的樣品價(jià)格為20美元。主要用 途將包括機(jī)器人、音響影視設(shè)備控制器、圖像識(shí)別處理以及話音和手寫文件識(shí)別 系統(tǒng)。德國(guó)政府已經(jīng)開始了一個(gè)8億美元的計(jì)劃來(lái)進(jìn)一步開發(fā)模糊邏輯及相關(guān)技 術(shù)oInform公司是主要成員之一°Iform軟件

19、公司的最新產(chǎn)品是供A/B公司PLC-5 可編程控制器用的在線模糊邏輯軟件模件。該公司最近還同TI公司一起宣布了 第一種供數(shù)字信號(hào)處理器用的模糊邏輯設(shè)計(jì)。該公司同Intel公司合作研制的神 經(jīng)模糊模件(Neuro Fuzzy),是該公司產(chǎn)品FuzzyTech軟件的一部分，它可以依據(jù)數(shù) 據(jù)集自動(dòng)產(chǎn)生和優(yōu)化模糊邏輯系統(tǒng)。這種Neuro Fuzzy模件可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)模糊 邏輯系統(tǒng),它的首次應(yīng)用是數(shù)字式濾波器和過(guò)程控制。1993年漢諾威博覽會(huì)上, 德國(guó)金鐘公司推出已經(jīng)投產(chǎn)的PS4-401模糊PLC,其優(yōu)化的操作系統(tǒng)可以直接存 取板上的1/0(輸入:6個(gè)模擬量,4個(gè)數(shù)字量;輸出:3個(gè)模擬量,3個(gè)數(shù)字量)。

20、單一模 糊集的呑吐不到1ms。一根并行的總線還可擴(kuò)展I/O。因此PS4-401機(jī)可以單獨(dú) 使用，也可用于分布式控制中。該機(jī)用與IEC1131-3兼容的指令表語(yǔ)言編程。如 果采用Inform公司Fuzzy Tech用戶接口工具編程，那么兩種語(yǔ)言可以被以視窗為 基礎(chǔ)的SUCOsoft-F編程語(yǔ)言混合起來(lái)。西門子公司與Inform公司合作推出的新型SAE81C99模糊邏加協(xié)處理器有 兩種形式:一種是帶有8數(shù)據(jù)總線接口的獨(dú)立芯片;另一種是作為SIECO 51系列 中8位控制器的一個(gè)宏單元或者16位SAB80C167族的一個(gè)宏單元。在20MNz 時(shí)鐘頻率時(shí)，此模糊協(xié)處理器能在一秒鐘處理790萬(wàn)條模糊規(guī)則

21、。1993年秋，該公 司還推出一種初始開發(fā)系統(tǒng)，它包括一,個(gè)開發(fā)板和Fuzzy Tech匸具。在美國(guó)，最早應(yīng)用模糊邏輯的例子是控制水泥生產(chǎn)。Lafarge公司在世界各地 的水泥窯爐中有25個(gè)窯爐采用了包含模糊邏輯的G2實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)。系統(tǒng)中的 圖形用戶接口(GUI)以及面向LI標(biāo)的編程環(huán)境工具，簡(jiǎn)化了模糊邏輯的實(shí)現(xiàn)，使用 戶能到和評(píng)估不同的控制方案以供選用。美國(guó)橫河公司在1989年就向美國(guó)市場(chǎng) 推岀UT35溫度控制器。在UT37/UT38. 1/4DIN規(guī)格的單回路調(diào)節(jié)器中,山于使 用的模糊邏輯，使其達(dá)到給定值的速度比常規(guī)PID控制器要快，它既省時(shí)節(jié)能乂避 免了超調(diào)。A/B公司正在推出其1000

22、0系列光電控制器，使用模糊邏輯監(jiān)控傳感 器對(duì)光電噪聲的反應(yīng)，而用普通的編程邏輯就辦不到。VLSI技術(shù)公司是模糊邏輯 硅片供應(yīng)商，最近推出VY86C570型12位模糊實(shí)時(shí)協(xié)處理器芯片,它包含一個(gè)模 糊訃算加速器，對(duì)模糊規(guī)則的評(píng)估速度比單單用軟件要快2030倍。 Fisher-Rosemount公司在1993年ISA/93博覽會(huì)上推岀了具有自調(diào)諧功能的模糊 控制器(IFLC)和多變量模糊邏輯控制器(MFLC)o它們是采用模糊集理論與經(jīng)典 控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品，它利用模糊邏輯轉(zhuǎn)換變量和評(píng)估模糊規(guī)則，并把其結(jié)果 模糊輸出在去模糊過(guò)程中轉(zhuǎn)回到傳統(tǒng)的單元(諸如閥門位置)中去oIFLC是單 進(jìn)單岀(SISO

23、)控制器，旨在取代PID控制器。MFLC是多進(jìn)多岀(MIMO)控制器, 旨在解決多變量互作用或者嚴(yán)格的非線性問(wèn)題。該公司已把IFLC用于Provox 和RS 3控制器上。MFLC將用于PH值、紙漿質(zhì)量以及有護(hù)套的反應(yīng)堆的溫度 控制中。摩托羅拉公司1993年的一次調(diào)查表明:10%工業(yè)界的應(yīng)答者聲稱他們已 在產(chǎn)品中使用了模糊邏輯技術(shù)，而61%則聲稱將計(jì)劃采用。美國(guó)悄悄地發(fā)展和應(yīng) 用模糊邏輯既有技術(shù)因素，也有文化背景因素。美國(guó)人不像人那樣容易接受”模糊 詞。據(jù)稱，小廠家已在應(yīng)用，但不愿透露，而大公司正在投資研究。他們認(rèn)為模 糊邏輯的效果是諸多因素的結(jié)合，譬如使用了許多傳感器，不能單單歸功于模糊邏 輯

24、。只有在非常復(fù)雜或者非線性應(yīng)用場(chǎng)合，模糊邏輯的作用才是最明顯的。 2.2國(guó)模糊控制的研究現(xiàn)狀中國(guó)、也是世界上模糊邏輯研究的領(lǐng)先者之一。中國(guó)擁有萬(wàn)名以上的科技工 作者從事這項(xiàng)研究，在投入的人力方面，比日本、歐美都多,居世界第一。師大汪培 莊教授自70年代起就致力于模糊理論及應(yīng)用的研究,1983年出版模糊集 合論及其應(yīng)用一書。主要理論有:模糊落影理論、因素空間、真值流理論等。 并在模糊推理機(jī)、地膜生產(chǎn)、診斷型專家系統(tǒng)以及工業(yè)開發(fā)等方面取得一批成果。 1985年樓世博出版了模糊數(shù)學(xué)L 1986年華中工學(xué)院曾為石化機(jī)器廠研制成功 模糊邏輯按期制的快鍛液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。1987年鮑新福、都志杰發(fā)表了自調(diào)整

25、比例因子模糊控制器一文。1988年吳勤勤等在中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)/第二屆過(guò)程控 制科學(xué)報(bào)告會(huì)論文集中發(fā)表了一類專家模糊控制器的論文;工大科研簡(jiǎn)報(bào)上 發(fā)表過(guò)陰陽(yáng)互補(bǔ)原理贏得世界學(xué)者關(guān)注一文。1991年毛宗源、狄爭(zhēng)在自動(dòng) 化學(xué)報(bào)上發(fā)表了自調(diào)整比例因子模糊控制器控制工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程一文;應(yīng) 行仁、曾南也在該學(xué)報(bào)上發(fā)表了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記憶模糊規(guī)則的控制， 1992年在中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)華東地區(qū),第二屆學(xué)術(shù)交流會(huì)上，顧繩谷,花木蘭發(fā)表了 題為其于BP神經(jīng)網(wǎng)路的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整模糊研究論文。同年，顧、汪還在工大 學(xué)報(bào)上發(fā)表控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制研究一文。1992年第一期的”電氣傳動(dòng) ”上發(fā)表了自學(xué)習(xí)模糊控制系統(tǒng)的研究

26、與實(shí)現(xiàn)，山阮曉鋼、鐵寶署名。1993年 邱志雄在電氣自動(dòng)化肆上發(fā)表了模糊PID控制器。此外,各大學(xué)還出版過(guò)不少 論著、專著。以上可見中國(guó)科技界在理論研究和應(yīng)用方面并不亞于其他國(guó)家。鑒 于中國(guó)大陸電子工業(yè)的狀況，模糊邏輯在產(chǎn)品商業(yè)化方面似乎還沒(méi)有明顯的進(jìn) 展。中國(guó)的Hotek微電子公司于1993年初在其4位微控制器中設(shè)計(jì)了模糊邏輯, 并于1994年中開拓生產(chǎn)。它的第一種模糊邏輯集成塊使用12微米CMOS工藝 制造，速度是兒白到兒千FLIPS(每秒模糊邏輯推理)。這種微控制器能夠控制I/O、 定時(shí)器、ROM和RAMo應(yīng)用微機(jī)進(jìn)行模糊控制，能將人的操作經(jīng)驗(yàn)和微機(jī)的高速、準(zhǔn)確運(yùn)算以及控 制能力有機(jī)地結(jié)

27、合起來(lái)，加上傳感器的配合，就可以得到比狀態(tài)空間方法更為實(shí)用 的自動(dòng)控制方式。實(shí)踐證明,模糊控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度相 對(duì)較高、動(dòng)態(tài)性能良好、對(duì)負(fù)載及參數(shù)變化不敬感。因此,模糊控制是一種具有 廣寬應(yīng)用前景的新技術(shù)。盡管家電方面的商品較多,但是應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng) 域則有更大的效益。近兒年來(lái),針對(duì)模糊控制精度不太高、自適應(yīng)能力有限以及容易產(chǎn)生振蕩等 現(xiàn)象，提岀了一系列的改進(jìn)方案，諸如設(shè)計(jì)了控制規(guī)則可調(diào)整的模糊控制器，具有 積分作用的模糊控制器，參數(shù)自調(diào)整式模糊控制器，復(fù)合型控制器以及自學(xué)習(xí)模糊 控制器（包括自尋優(yōu)式、專家式和神經(jīng)式）等等。模糊控制、專家控制和神經(jīng)控制 是構(gòu)成智能化控

28、制的三大塊，人們特別對(duì)模糊邏輯與神經(jīng)技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)抱有 較大的希望。利用模糊推理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的學(xué)習(xí)功能對(duì)控制參數(shù)作調(diào)整, 就可能得到更為理想的模糊神經(jīng)網(wǎng)（FNN）控制器。已有一些公司在它們的產(chǎn)品中 應(yīng)用這種技術(shù)結(jié)合。2.3研究中所存在的問(wèn)題：（1）模糊控制的設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性，這對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。 所以如何建立一套系統(tǒng)的模糊控制理論，以解決模糊控制的機(jī)理，穩(wěn)定性分析系 統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法等一系列問(wèn)題。（2）如何獲得模糊控制規(guī)則及隸屬度函數(shù)即系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，這在U前完 全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。（3）信息簡(jiǎn)單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，若 要提高精度則必然增加量化級(jí)數(shù)

29、，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索圉擴(kuò)大，降低決策速度，其 至不能實(shí)時(shí)控制。（4）如何保證模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性即如何解決模糊控制中關(guān)于穩(wěn)定性和 魯棒性問(wèn)題。頁(yè)腳3模糊控制器的應(yīng)用3.1常規(guī)PID控制PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，山于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好及可 靠性高，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。它是一種基于偏差信息估計(jì)的簡(jiǎn) 單而有效的控制算法。常規(guī)的PID控制器如圖1所示。圖1常規(guī)PID控制器PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)給定值R與實(shí)際輸出值C構(gòu)成控制偏差：E(s)=R(s)-C(s)(1)是山比例反映偏差環(huán)節(jié)和抑制超調(diào)量環(huán)節(jié)，以及消除穩(wěn)定偏差環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)整的 一種控制器?？刂埔?guī)律為：= kp

30、e(t) + + J*e(M + 7；竽傳遞函數(shù)為：如=器=皿+#+3式中Kp為PID控制器的放大系數(shù)；T,為PID控制器的積分時(shí)間常數(shù)；7；為PID控制器的微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：(a) 比例環(huán)節(jié)。即成比例地反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器 立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。比例系數(shù)越大，調(diào)整速度越快。(b) 積分環(huán)節(jié)。可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。其作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù), 越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)，而且易帶來(lái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、振蕩加劇等負(fù) 面問(wèn)題。(C)微分環(huán)節(jié)。反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值增大之前， 在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期糾正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)

31、的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí) 間。很明顯，常規(guī)PID不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行在線自整定參數(shù)，因此常規(guī)PID 控制不具備自適應(yīng)性，在實(shí)際運(yùn)用中作用有限。32模糊PID控制3.2.1模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)模糊自適應(yīng)PID控制是以誤差e和誤差變化ec作為輸入，并找出PID三 參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系圖，根據(jù)模糊控制原理對(duì)三參數(shù)進(jìn)行在線修改， 從S系統(tǒng)的設(shè)定值，精確量e> c系統(tǒng)偏差與偏差變化率，精確量E、C經(jīng)模糊量化處理后的系統(tǒng)偏差與偏差變化率，模糊量E模糊量的偏差與偏差變化率經(jīng)模糊控制規(guī)則近似推理處理后，得到控制作用“一對(duì)模糊量的控制作用經(jīng)模糊判決，得到模糊控制器輸岀的精確量的控制 作用“去控制

32、被控對(duì)象322模糊PID控制器的一般設(shè)計(jì)步驟(a) 進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定模糊控制器的輸人變量、輸出變量及控制器的結(jié)構(gòu);(b) 定義輸入、輸出變量的論域和隸屬函數(shù).建立控制規(guī)則、確定運(yùn)算子. 選擇反模糊化方法；(c) 模擬試驗(yàn)，可以離線進(jìn)行仿真試驗(yàn)，也可以在線進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。對(duì)模糊 控制器先進(jìn)行離線仿真，而后在線實(shí)時(shí)測(cè)量是值得推薦的方法。在離線仿真試驗(yàn) 中，可以對(duì)各種控制方案的控制性能進(jìn)行全面比較，確定最優(yōu)控制方案：可以選 擇模糊控制器的控制參數(shù)；可以通過(guò)改變被控對(duì)象的特性參數(shù)考查所設(shè)計(jì)的模糊 控制器的自適應(yīng)性能。此外，山于離線仿真試驗(yàn)一般可山軟件完成，不需要組建 硬件系統(tǒng)，因而較之在線測(cè)量簡(jiǎn)便易行

33、，節(jié)省投資。323釆用Matlab中的模糊工具進(jìn)行仿真研究。其步驟如下：1) 模糊語(yǔ)言變量以誤差e以及誤差變化率ec作為輸入，而輸出分別為PID的三參數(shù)。2) 模糊控制表根據(jù)并總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到Kp、£和K三參數(shù)分別整定的模糊控制表。NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBFMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSzoPMPMPSzoNSNMNMPSPSPSzoNSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNMPBZOZONMNMNMNBNB表2人模糊規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBPSN

34、SNBNBNBNMNSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSzoZOZONSNSNSNSN$zoPSzoZOZOZOZOZO11zoPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB表3 &模糊規(guī)則表NBNMNSzoPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZOhJMNBNBNMNSNSzoZONSNBNMNSNSzoFSPSZONMNMNSZOPSP1PMPSNMNSzoPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB3）輸入?yún)?shù)的模糊化本控制系統(tǒng)為雙輸入，三輸出的模糊控制器、將e和ec的變化圍定義為模 糊集上的論域。

35、e= -5 -49 -3 9Q+1,+2,+3,+4,+5ec= -5 f3 f-1,0,+1 ,+2,+3,+4,+5而其模糊化子集為：e=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB, ec= NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB式中，NB代表負(fù)大，NM代表負(fù)中，NS代表負(fù)小，ZE代表擴(kuò)充零，PS代 表正小，PM代表正中，PB代表正大。均選取高斯分布作為隸屬函數(shù)分布，由 此可得各模糊子集的隸屬度。然后根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊 控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣，查出修正參數(shù)代入下 列各式計(jì)算：Kp = K； + q,Cj“(5)K, = K： +%ecjiK

36、” =K；+即旳式中，K；、K：和K；為PID參數(shù)的初始值， 心、K和 心為最終應(yīng)PID 參數(shù)的取值。模糊PID可在線調(diào)整參數(shù)Kp、K.t和K,.使得這些參數(shù)最優(yōu)并 使系統(tǒng)取得最佳的控制效果。4采用Matlab進(jìn)行仿真研究在命令窗口中鍵入進(jìn)行語(yǔ)言編輯。主要模糊語(yǔ)句有addvar（添加模糊變量）, addmf （添加隸屬度函數(shù)），addrule （添加模糊規(guī)則）。本文所研究被控對(duì)象為：、523500S3+87.355"+ 104705常規(guī)PID的Matlab仿真a） Step信號(hào)輸入b）Saturation限制幅度函數(shù) c）被控對(duì)象G傳遞函數(shù)Scope階躍輸入輸出的simulink仿真

37、模型與Step階躍輸入?yún)?shù)如圖3所示。Step函數(shù)階躍初始值0,階躍時(shí)間0.02,最終值1； Saturation限制幅度函數(shù)最 小值0.4,最大值04被控對(duì)象G傳遞函數(shù)Transfer function為本文研究被控制對(duì)象。X: 0.08704 Y: 1.0331.2爲(wèi)入信號(hào)reswff卷岀總應(yīng)0.8時(shí)間也1.2圖4 常規(guī)PID單位階躍響應(yīng)程序運(yùn)行后，界面顯示單位階躍響應(yīng)特性如圖4所示，在特性上點(diǎn)擊最大值 的點(diǎn)，顯示的最大超調(diào)量為J% = 3.3%，峰值時(shí)間tp = 0.087045模糊控制器的設(shè)置在Matlab命令窗口輸入“fhzz八 確定模糊控制器結(jié)構(gòu)：即根據(jù)具體的系統(tǒng)

38、 確定輸入輸出量。選取二維控制結(jié)構(gòu)，即輸入為誤差e和誤差變化率ec,輸出量為 K“、K:和 K”添加輸入兩個(gè)變量，輸出三個(gè)變量，如圖5所示，為模糊控制器的設(shè)計(jì)界面。圖5模糊控制器的設(shè)訃界而Rie EdtFtS "am如Manban Melon F«t> 刪皿"El臉榔幽X：Q Mfmbechip Rrctiorwnr“5aarfnxtcnX »a utocl)KBS*«aarr2000a）選擇隸屬度函數(shù)及數(shù)量b）產(chǎn)生隸屬度函數(shù)圖6各輸入輸出參疑的隸屬度函數(shù)如圖6所示，在菜單中選中Edit-Add MFs,在彈出對(duì)話框中設(shè)置函數(shù)名為 Gau

39、ssmf,數(shù)量為7個(gè)。圖6隸屬度函數(shù)作用為輸入輸出各變量的模糊化，為模糊語(yǔ)言選取相應(yīng)的隸 屬度函數(shù)，確定模糊規(guī)則，制定完之后會(huì)形成模糊規(guī)則控制矩陣，并根據(jù)模糊輸 入量按照相應(yīng)的模糊推理算法完成計(jì)算，決策出模糊輸出量，對(duì)輸出模糊量進(jìn)行 解模糊。下圖7為根據(jù)表1、表2、表3設(shè)置產(chǎn)生的模糊規(guī)則，共計(jì)49條規(guī)則。圖7產(chǎn)生的模糊規(guī)則 觀察模糊推理過(guò)程如圖8所示。Ale Edit Vi 的 Options"0Kp = a$l9Ki = 0.336Aoi parrts-Kd = 0.5avsletti furry, 49 nJ*2Mover M | °t| 如m| up |Close圖8模糊推理過(guò)程各輸出變量與誤差e、誤差變化率ck/d/間的變化關(guān)系見圖9 a）、圖9 b）、圖9 c）。a）比例控制量Kp變化關(guān)系b）積分控制量Ki變化關(guān)系c）微分控制量Ki變化關(guān)系圖9參量Kp、Ki、Ki輸出變量與誤差e、誤差變化率de/宙間的變化關(guān)系將以上建立的模型通過(guò)FileExport-To file,輸入名稱一fuzzy,保存到matlab工作H錄下，建立的文件名稱為fuzzy.fiso見圖10所示。圖10模