新型模糊PID溫度控制器

1、復旦大學碩士學位論文新型模糊PID溫度控制器姓名：國成林申請學位級別：碩士專業(yè)：計算機系統(tǒng)結構指導教師：吳百鋒20070519論文獨創(chuàng)性聲明本論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。論文中除了特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或其它機構已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。作者簽名：腳論文使用授權聲明日期：！竺?。罕救送耆私鈴偷┐髮W有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨热?，可以采用影印、縮印或其它復制手段保存論文。保密的論文在解密

2、后遵守此規(guī)定。作者簽名：塾苧。絲導師簽名：日期：【摘要】第頁摘要隨著控制技術的不斷發(fā)展，高抗干擾、高靈敏度的自動控制技術越來越受到社會的廣泛關注。尤其是在溫度控制領域，一方面，經典的控制器以其高穩(wěn)定性、高可靠性、結構簡單、調整方便等優(yōu)點而得到最廣泛的使用。另一方面，由于模糊控制技術不需要對象的精確模型，對參數(shù)漂移的魯棒性強，因此越來越受人矚目。二十世紀八十年代以來，模糊控制技術的應用首先在日本、美國等國家出現(xiàn)，進而獲得了廣泛的推廣，取得了良好的效果。目前，在溫度自動控制領域，模糊控制技術也毫無疑問有著至關重要的地位。然而，在穩(wěn)定性的判別、隸屬函數(shù)的確定、模糊規(guī)則的確立、采樣時間的最優(yōu)化等方面，

3、模糊控制技術還需要進一步的研究和完善，特別是如何與其他先進智能控制方法或傳統(tǒng)控制方法相結合，取長補短，從而形成最佳的控制策略，是目前國內外許多學者研究的方向。本文介紹了一種新型溫度控制器，它主要采用模糊控制與控制算法相結合的設計優(yōu)化了控制策略。本文的工作主要分為兩個部分。在理論部分。首先介紹了模糊控制技術的基本原理和構成方式，接下來描述了設計一個模糊控制器所應該考慮的各方面的理論問題，最后給出了基本的模糊控制器的數(shù)學模型。在此基礎上，本文進一步對基本的模糊溫度控制器進行優(yōu)化。為了兼顧控制算法和技術各自的優(yōu)點，首先要考慮對模糊控制器的輸入量進行修正，然后討論了控制的時間最優(yōu)性。接下來，本文通過對

4、控制器硬件原理圖的介紹，解釋了控制器硬件電路工作原理。最后給出了線路板的設計思想和軟件結構并實際制作了新型模糊溫度控制器的樣機。該樣機的實物圖在第四章中給出。在完成了模糊溫度控制器的樣機制作以后，本文設計了一個單閉環(huán)溫度調節(jié)系統(tǒng)，對所制作的溫度控制器樣機行了實際測量，繪制了在階躍擾動下和白噪聲干擾下對應的各種控制曲線，給出了實測數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行了分析，證實了該設計比傳統(tǒng)溫度控制器優(yōu)越的各種性能指標。最后，本文對采用模糊算法的溫度控制器的研究做出了展望。關鍵詞：，模糊控制，溫度控制器第頁，科，：，【第一章引言】第頁第一章引言本章介紹溫度控制器的應用、發(fā)展過程以及現(xiàn)狀，并給出本論文的結構安排和

5、內容概述。第一節(jié)溫度控制器簡介溫度控制的基本理論自動控制技術是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學，是衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。隨著生產和科學的進步，以反饋理論為基礎的自動調節(jié)技術逐漸發(fā)展成為一門獨立的學科控制論。根據(jù)研究對象的不同，控制論又可以劃分為工程控制論、生物控制論和經濟控制論三個子類。主要研究自動控制系統(tǒng)中的信息變換和傳送的一般理論及其在工程設計中的應用的理論總稱為工程控制論。其中，自動控制原理是工程控制論很重要的一個分支，是研究控制系統(tǒng)分析和設計的一般理論。根據(jù)自動控制技術發(fā)展的不同階段，自動控制原理又可以相應分為經典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經典控制理論是指二十世紀五

6、十年代末所形成的控制理論體系，它主要是研究單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設計問題，其理論基礎是描述系統(tǒng)輸入和輸出關系的傳遞函數(shù)。多年來，經典控制理論已經在各種工程實踐中得到了廣泛而成功的應用?，F(xiàn)代控制理論是指在二十世紀六十年代初期，為適應宇航技術發(fā)展的需要而產生和發(fā)展的新理論。它的發(fā)展很大程度上得益于現(xiàn)代應用數(shù)學的研究和電子計算機的應用。目前現(xiàn)代控制理論正在向著大系統(tǒng)理論和人工智能理論等方面深入發(fā)展。現(xiàn)代控制理論主要是研究具有高性能、高精度的多輸入多輸出、變參數(shù)系統(tǒng)的分析和設計問題，如最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、自適應控制等。描述系統(tǒng)的方法是基于系統(tǒng)狀態(tài)這一內部特征量的狀態(tài)空間法。值得指出的是，現(xiàn)代

7、控制理論的發(fā)展雖然解決了很多經典控制理論所不能解決的許多理論問題和工程問題，但這絕不意味著經典控制理論已經過時。相反，由于經典控制理論便于實際工程應用，今后還將繼續(xù)發(fā)揮其理論指導作用，而現(xiàn)代控制理論則可以補其不足。兩者相輔相成，才能不斷推動自動控制理論和應用的發(fā)展。【】【】溫度自動控制技術是自動控制技術研究的一個重要方面，是經典控制理論和現(xiàn)代控制理論研究的重點。溫度控制系統(tǒng)基本上可以分成開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)兩類。開環(huán)溫度控制系統(tǒng)（）開環(huán)溫度控制系統(tǒng)是指被控溫度對象的輸出（被控制量）對溫度控制器【第一章引言】第頁）的輸出沒有影響的溫度控制系統(tǒng)。在這種溫度控制系統(tǒng)中，不將被控量作為溫度控制器的輸出。閉環(huán)

8、溫度控制系統(tǒng)（）閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)被控溫度對象的輸出（被控制量）會反送回來，并根據(jù)此輸出來進一步改善溫度控制器的輸出，形成一個或多個封閉環(huán)路的溫度控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又可分為正反饋和負反饋兩類。若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋（）系統(tǒng)，若極性相同，則稱為正反饋系統(tǒng)。一般閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)均是負反饋系統(tǒng)，又稱負反饋溫度控制系統(tǒng)。本文所設計新型模糊溫度控制器就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度控制器的發(fā)展及現(xiàn)狀進入二十一世紀以后，現(xiàn)代溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網絡溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等方向迅速發(fā)展。提高溫度控制器測溫精

9、度和分辨力最早在二十世紀九十年代中期開發(fā)出來的智能溫度控制器，采用的是八位轉換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到。當前，國內外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是位轉換器，分辨力一般可達。為了提高多通道智能溫控器的測溫精度，硬件上多采用先進的轉換器，例如采用高速逐次逼近式轉換器。增加溫度控制器的功能現(xiàn)代新型溫度控制器的新功能也在不斷增強，例如測試功能等等。采用型單線智能溫度傳感器就增加了實時日歷時鐘（），使其功能更加完善。型溫度傳感器還增加了存儲功能，利用芯片內部字節(jié)的存儲器，甚至還可存儲用戶的短信息。另外，現(xiàn)代溫度控制器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫

10、度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的基礎條件?，F(xiàn)代新型溫度控制器一般都具有多種工作模式可供用戶選擇，例如單次轉換模式、連續(xù)轉抉模式和待機模式等等，有的溫度控制器還增加了低溫極限擴展模式，工作模式的選擇操作都非常簡單。對某些現(xiàn)代溫度控制器而言，主機（指外部微處理器或單片機）還可通過相應的寄存器來設定其轉換速率，分辨力及最大轉換時間?？偩€技術的標準化與規(guī)范化目前，現(xiàn)代新型溫度控制器的溫度傳感器的總線技術也基本上實現(xiàn)了標準化和規(guī)范化，所采用的總線主要有單線（）總線、（）總【第一章引言】第頁線、（）總線和（）總線。采用的溫度傳感器可以通過專用的總線接口同主機進行通信。安全性和可靠性設計傳統(tǒng)的溫控轉換器一般采用積分式

11、或逐次比較式轉換技術，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。而現(xiàn)代新型溫度控制器則普遍采用了高性能的一式轉換器，它能夠以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號轉換成數(shù)字信號，再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術，來提高有效分辨力。一式轉換器不僅能夠濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求不高。由于采用了數(shù)字反饋方式，因此無論是比較器的失調電壓還是零點漂移都不會影響溫度的轉換精度。這種新型溫度控制器兼具有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點?！緸榱吮苊庠跍囟瓤刂破飨到y(tǒng)受到噪聲干擾時產生誤動作，在、等現(xiàn)代新型溫度傳感器的內部，都設置了一個可編程的“故障排隊（）”計數(shù)器

12、，專用于設定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度出現(xiàn)連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設定的次數(shù)（一般值為）的情況下，才會觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的，故障計數(shù)器就復位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定計數(shù)器的值被設置為時，偶然受到一次或兩次的噪聲干擾，都不會影響溫控系統(tǒng)的正常工作。（），即符合先進配置與電源接口規(guī)范的溫度控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能，可用來監(jiān)控及主電路的溫度，一旦或主電路的溫度超出所設定的上、下限時，可以通過硬件產生中斷，再通過電源控制器發(fā)出信號，迅速將主電源關斷起到保護作用。此外，當溫度超過的極限溫度時也能直接關斷主電源，

13、并且該端還可通過獨立的硬件電路來切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護措施已成為國際上設計新型溫度控制系統(tǒng)的新觀念。為防止因靜電放電（）而損壞芯片。一些現(xiàn)代新型溫度控制器還增加了保護電路，一般可承受的靜電放電電壓。通常人體等效于由電容和歐姆電阻串聯(lián)而成的電路模型，當靜電放電時，型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷、比較器信號輸出端和地址輸入端通常可以承受高達的靜電放電電壓。【】虛擬溫度控制器虛擬溫度控制器是基于溫度控制器硬件和計算機平臺，并通過軟件開發(fā)而實現(xiàn)的新型溫度控制器。利用軟件可完成溫度控制器的標定及校準，以實現(xiàn)最佳的性能指標。使用時，傳感器可以通過數(shù)據(jù)采集器按至計算機，首先從

14、計算機輸入該傳感器的產品序列號，再從磁盤上讀出有關數(shù)據(jù)，然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設置和記錄工作。網絡溫度控制器網絡溫度控制器是包含數(shù)字傳感器、網絡接口和微處理單元的新一代智能溫度控制器。它通過數(shù)字傳感器，首先將被測溫度轉換成數(shù)字量，再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理，最后將測量結果傳輸給網絡，以便實現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享。同時，在更換傳感器時無須進行標定和校準，可做到即插即用（），這樣就極大地方便了用戶。單片測溫控制系統(tǒng)單片系統(tǒng)（，）是二十一世紀的高新科技新秀。它是在芯片上集成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)，其集成度將高達子系統(tǒng)片，這將給產

15、業(yè)及應用帶來劃時代的進步。半導體工業(yè)協(xié)會（）對單片系統(tǒng)集成所作的預測見表。目前，國際上一些著名的廠家已開始研制單片測溫系統(tǒng)，有些已經投入使用。【】芷年笠最小線寬（）包含晶體管數(shù)量片成本（晶體管）芯片尺寸（）電源電壓（）芯片數(shù)表單片溫度控制系統(tǒng)集成電路發(fā)展預測溫度控制器的工作原理反饋是自動控制理論最重要的概念之一?，F(xiàn)代自動控制技術基本上都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。即用測量得到的數(shù)據(jù)同期望值進行比較，用比較的結果來調節(jié)控制系統(tǒng)的響應，進而獲得更好的控制效果。因此反饋自動控制理論應用的關鍵就是：做出正確的測量和比較后，如何才能更好地調節(jié)系統(tǒng)的響應。（比例積分微分

16、）控制器就是采用比例、積分、微分的關系來調節(jié)系統(tǒng)響應的自動控制器。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱控制，又稱調節(jié)?？刂破鲉柺乐两褚延薪耸甑臍v史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控溫度對象的結構和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定。控制，實際中也有和控制這兩種。【控制器由比例單元（）、積分單元（）和微分單元（）組成。比例（）環(huán)節(jié)根據(jù)偏差兩成比例調節(jié)系統(tǒng)控制量，減少偏差。此環(huán)節(jié)的作用是加快系統(tǒng)的響應速度。比例系數(shù)越大，系統(tǒng)響

17、應速度越快，系統(tǒng)調節(jié)精度越高，但是同時也容易產生超調，甚至會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。比例系數(shù)如果過小，會減慢系統(tǒng)的響應速度，降低系統(tǒng)調節(jié)精度，調節(jié)時間交長，系統(tǒng)特性變壞。積分（）環(huán)節(jié)在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)對誤差的處理取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分環(huán)節(jié)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例積分（）控制器，可以使系統(tǒng)在進入

18、穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（）環(huán)節(jié)在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入比例控制環(huán)節(jié)往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而微分環(huán)節(jié)的作用則是可以預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例和微分環(huán)節(jié)的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以

19、對有較大慣性或滯后的被控溫度對象。比例微分（）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性?？刂破鞯奶攸c控制器的傳遞函數(shù)為：等去毋）撲，【第一章引言】第頁需要指出的是，在很多實際應用中，控制器并不一定具有全部的三個單元?？梢愿鶕?jù)實際情況設置其中一個或兩個單元，但比例控制單元通常是必不可少的?？刂破魇蔷€性控制器。但是雖然很多工業(yè)過程中遇到的被控對象是非線性或時變的，但可以通過對其簡化變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)來進行研究，這樣就可以采用控制了?？刂破鞯氖褂梅浅：啽恪嵺`中只需要設定三個參數(shù)（，和）就可以了。但是控制器的參數(shù)整定是比較復雜的，它是根據(jù)被控對象的動態(tài)特性而確定的。如果被控對象的

20、動態(tài)特性發(fā)生了變化，例如由于負載的變化而引起了系統(tǒng)動態(tài)特性的變化，參數(shù)就需要重新確定?？刂破鞯膽梅浅５膹V泛。在很多情況下針對特定的系統(tǒng)設計的控制器都工作的很好，但是仍然存在這一些問題需要解決：難以建立過程模型通過建立過程的數(shù)學模型來自整定系統(tǒng)參數(shù)是比較困難的。閉環(huán)控制時，通常通過在過程中插入一個測試信號的方法來確定參數(shù)，但是這個方法會引起擾動，所以基于模型的參數(shù)自整定在工業(yè)應用不是非常好。超調干擾如果系統(tǒng)參數(shù)自整定是基于控制律的話，常常難以把由于負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來。所以由于受到干擾的影響，控制器會產生超調，產生一個不必要的自適應轉換。另外，因為基于控制律的

21、系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。鑒于此，許多自身整定參數(shù)的控制器經常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定一般是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算參數(shù)。復雜系統(tǒng)控制器在控制非線性、時變、耦合以及參數(shù)和結構不確定的復雜系統(tǒng)時，工作的并不是太好。在很多非線性時變系統(tǒng)中，無論怎么調節(jié)控制其參數(shù)都不能夠達到一個較好的控制結果。盡管有上述種種缺點，控制器仍然是一種簡單有效的，在某些情況下甚至是最好的一種控制器。控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定是設計控制器的核心內容。它是根據(jù)被控過程的特性來確定控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小?？刂破鲄ⅰ镜谝徽乱?/p>

22、】第頁數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：理論計算整定法這種參數(shù)整定方法主要是先建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，再經過理論計算確定控制器參數(shù)。但是通過這種途徑所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過工程實踐進行進一步的調整和修改。工程整定方法這種參數(shù)整定方法主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行。這種方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。控制器參數(shù)的工程整定方法，主要可以分為臨界比例法、反應曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。以臨界比例法為例，該方

23、法進行控制器參數(shù)的整定步驟如下：（首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（）僅例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（）在一定的控制度下通過公式計算得到控制器的參數(shù)?！尽?，【】在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值。然后根據(jù)調節(jié)效果修改。（）（分）（分）溫度系統(tǒng)壓力系統(tǒng)一流量系統(tǒng)液位系統(tǒng)表控制器的參數(shù)設定經驗值第二節(jié)本課題完成的工作和論文的內容安排本課題完成的工作、回顧并討論了溫度控制器的發(fā)展和現(xiàn)狀。根據(jù)控制技術的基本原理，討論了控制器的特點，并且對控制器的參數(shù)調節(jié)進行了分析。、描述了設計一個模糊控制器所應該考慮的各方面的理論問題，并基于這

24、些討論給出了基本模糊控制器的數(shù)學模型。、對模糊控制器的輸入量進行了修正，然后討論了控制器的時間最優(yōu)性，完整提出了溫度控制優(yōu)化算法。、進行了硬件設計和設計，并編寫單片機控制軟件，并簡單給出固件程序和端程序的流程圖。【第一章引言】第頁、利用研制的新型模糊溫度控制器樣機構建測試平臺，對新型模糊溫度控制器進彳亍了基準測試和性能規(guī)劃測試。論文的內容安排在本文的第二章中描述了設計一個模糊控制器所應該考慮的各方面的理論問題，并基于這些討論給出了基本模糊控制器的數(shù)學模型。在本文的第三章中，首先考慮了對模糊控制器的輸入量進行修正，然后討論了控制器的時間最優(yōu)性。接下來，本文討論了控制器硬件，給出了硬件原理圖，并解

25、釋了電路原理。同時，針對制作過程中遇到的問題介紹了本設計中所采用的解決方法。最后，給出了軟件程序流程。第四章中介紹了新型模糊溫度控制器的測試平臺。并對新型模糊溫度控制器的各種性能進行測量。第五章中展望了模糊溫度控制器未來的研究和發(fā)展方向。【第二章理論建?！康陧摰诙吕碚摻Ｄ：郎囟瓤刂萍撼蔀楝F(xiàn)代自動化溫度控制研究中最為活躍而又最富有成果的領域。其中，模糊溫度控制技術占據(jù)了十分重要的地位，而且仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。傳統(tǒng)和現(xiàn)代溫度控制技術的研究、應用發(fā)展的歷史完全可以證明這一點。然而到目前為止，現(xiàn)代溫度控制理論雖然已經在許多控制應用中獲得了大量成功的范例，但是在工業(yè)溫度過程控制中，

26、類型控制技術的應用仍然占有著主導地位。特別是在化工、冶金等工業(yè)過程控制中，眾多數(shù)量大、面廣的溫度控制過程基本上仍然是應用著類型的控制單元。雖然可以預言，現(xiàn)代控制技術應用領域會變的越來越寬廣、被控對象會變的越來越復雜，相應的控制技術也會變的越來越精巧。但是由于本章隨后談到的各種原因。以為原理的各種控制器仍然將是過程控制中不可或缺的基本控制單元之一。與此同時，近年來模糊溫度控制技術的研究與應用已經得到了迅猛地發(fā)展。但是，在眾多新的模糊溫度控制技術方法不斷涌現(xiàn)和實際應用之后，人們更加清楚地認識到模糊溫度控制研究中面臨的許多理論問題。例如，模糊溫度控制技術并未在工業(yè)過程控制中得到如同家電產品一樣的廣泛

27、應用。這種情況己經成為模糊溫度控制技術廣泛應用的嚴重障礙。本章主要在設計模糊溫度控制器的各個理論方面進行探討，討論設計控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)溫度控制器的模糊溫度控制器的關鍵因素，并進而完成理論建模?！尽俊尽勘疚母鞴?jié)內容如下。第一節(jié)對目前已經發(fā)展的各種模糊控制器方法進行介紹。第二節(jié)至第五節(jié)針對模糊型控制技術研究中面臨的四個理論問題分別進行討論。本章著重闡述了設計模糊溫度控制器的基本原理，理論上的建模也是在此基礎上展開。第一節(jié)模糊溫度控制器的基本形式模糊溫度控制技術研究發(fā)展歷經了“理論一應用一理論”的交替過程。自從年開創(chuàng)了模糊數(shù)學研究之后，模糊系統(tǒng)與模糊控制的基本概念及基礎理論得到了迅速的發(fā)展和完善。，

28、】從年建立的第一個模糊控制器標志了模糊控制的實際應用的開始，到目前為止，大量的模糊技術產品己經在工業(yè)及民用方面得到了廣泛的應用。由于所設計研究的模糊控制器一般被稱為傳統(tǒng)模糊控制器，曾一度被以后的研究工作者所廣泛借鑒和使用。這種模糊控制器的基本特點是：二維輸入（誤差及誤差率變量輸入）和一維輸出、模糊規(guī)則前件與后件為模糊語言變量、交規(guī)則方式（，）、采用法進行模糊推理和采用重心法進行解模糊?！镜诙吕碚摻！康陧?，【）卅二十世紀八十年代末，學者們首次嚴格地討論了模糊控制器與傳統(tǒng)控制器之間的關系。這個時期進行的工作中特別重要的是證明了模糊（或型控制器是一種具有變增益的非線性控制器。這些工作為模糊控制理

29、論與傳統(tǒng)控制理論的結合建立了橋梁。開拓了模糊控制非線性理論研究的新途徑一一“分析解方法（）”。通過應用結構極限分析（）可以定性地表明，簡單地增加規(guī)則并不一定會給控制過程帶來益處。陰】圖模糊溫度控制器的分類為了便于討論，本文將模糊溫度控制器分為兩大類型：模糊型（）和模糊非型（）。如果模糊溫度控制器的推理計算是限于比例一積分一微分三個控制分量或增益范圍以內的控制作用量，則屬于模糊溫度控制器類型。否則，屬于模糊非類型。根據(jù)模糊推理機輸出量的直接物理含義，模糊型溫度控制器又可進一步分成直接控制量型（）、增益調整型（）和混合型三種。圖顯示了控制器的分類。當然，這種分類有時本身就會存在模糊性。以下對各種形

30、式模糊溫度控制器進行討論，其目的也是為了理解它們之間的本質差異，本文其后對模糊溫度控制算法的改進也在此基礎上展開?！尽吭鲆嬲{整型（）模糊溫度控制器增益調整型模糊溫度控制器中推理機輸出的物理量直接對應于增益參數(shù)，通過應用模糊規(guī)則實現(xiàn)對三個增益參數(shù)進行調整。一種是基于性能監(jiān)督（）的增益調整型模糊溫度控制器，如式所示：【第二章理論建?！康陧摗啊保ǎㄡ埽┦较到y(tǒng)的性能指標（）主要包括超調量、穩(wěn)態(tài)誤差等靜、動態(tài)特性。由于這些性能指標需要一個完整控制過程得到，因此本類控制器可以采用自整定或自適應的方式對增益進行動態(tài)調整?；谛阅鼙O(jiān)督的增益調整型模糊控制器并不能保證非線性特征。因為在自整定或自適應調整

31、間隔期間，控制器的增益參數(shù)可能是常數(shù)。增益調整型的另一種形式是基于誤差驅動（）的模糊溫度控制器。其規(guī)則形式如下：）（）式基于誤差驅動的模糊溫度控制器的增益參數(shù)將是誤差或誤差變化的非線性函數(shù)。如非線性比例增益可以記為：（，。雖然與誤差變化均是時間的函數(shù)，但是取值只由與誤差變化的具體值決定，而與處在什么時刻無關。因此，基于誤差驅動的模糊溫度控制器本質上是一個靜態(tài)（或定常）非線性系統(tǒng)，并可以實現(xiàn)各個非線性增益的獨立整定。溫度控制器模糊推理計算規(guī)則中的單因子參數(shù)和各增益參數(shù)都是和。的函數(shù)。因此，基于誤差驅動的模糊溫度控制系統(tǒng)無法獨立調整各個非線性增益。傳統(tǒng)的溫度控制技術已經對各個增益參數(shù)的物理意義或者

32、控制效果有了明確的解釋。如調整比例增益可以加快系統(tǒng)動態(tài)響應速度，但同時可能會產生較大的超調量以至引起系統(tǒng)失穩(wěn)。這些均可以作為專家知識納入模糊規(guī)則式中。然而，對于應用式的非線性增益設計，到目前也未有成熟的模糊規(guī)則可以借鑒。例如，當誤差變小時，。的取值變化至今為止仍然還沒有確定性的結論。，【直接控制量型（）模糊溫度控制器如果模糊推理機的輸出是原理范圍內的控制作用量，則該溫度控制器屬于直接控制量型模糊溫度控制器。學者們歸納了該類控制器的種結構單元（）。柏由于各單元在控制作用效果上不完全等效，可以進一步認為每個單元是獨立的（）。圖中給出了不同的單元名稱。從圖可以看出，各單元名稱不僅與輸入變量誤差、誤差

33、變化、誤差的二次變化以及誤差累計。的信號內容相關，而且由輸出變量的形式所決【第二章理論建模】第頁定。由這些結構單元可以組合成各種形式的模糊、溫度控制器。應用先驗知識，可以排除一些組合，以便實現(xiàn)合理的控制器設計。基本上存在如下兩條準則：）由于穩(wěn)態(tài)的誤差累計量通常是未知的，致使設計者無法以此變量建立規(guī)則，因此，可以取消包括誤差累計變量輸入的結構組合。）比例控制分量是控制作用中不可或缺的控制量。因此，任何模糊控制器至少應該包括比例控制分量成分。有一種稱之為“增益角色變換（）”的概念。即在有時延的設定值過程控制中，以增量形式輸出的溫度控制器。這種溫度控制器的積分增益在初始時延范圍內將承擔比例增益的角色

34、，而設定的比例增益在此階段不產生任何作用。如果這成為設計考慮因素，則可以取消包括以增量形式輸出的模糊溫度控制器結構單元?！尽俊！疽痪S：丹廿丹心毋廿二維：野毋野野三維：母好圖模糊溫度控制器結構單元通常我們將模糊推理機的輸入變量個數(shù)定為模糊控制器的維數(shù)。雖然發(fā)展的二維模糊溫度控制器已經成為模糊控制技術中最常見形式的控制器并為設計者所熟悉。但是有關其結構特性和應用特點的研究仍然是不足的。學者們進一步研究了模糊知識表達與禍合規(guī)貝（）的關系，由此可以推證出型模糊溫度控制器是有禍合影響（）的。同時，人們還對模糊控制器的推理機維數(shù)進行了進一步的研究，并將一維模糊控制器稱為“獨立控制量型（）”，傳統(tǒng)的二維或三

35、維模糊控制器稱為“合成控制量型（）”，并認為合成控制量型模糊控制器還存在以下功能缺陷：如控制分量合成（）、輸入禍合影響（）、增益相關（）和規(guī)則指數(shù)增長（）。這國成林：新型模糊溫度控制器二零零七年五月些缺陷對于各控制量物理意義進行分析并整定調整參數(shù)是不利的?！净旌闲停ǎ┠：刂破骰旌闲湍：刂破鞔嬖谥鞣N形式。如增益調整型與直接控制量型的結合或者傳統(tǒng)線性控制器與模糊控制器的結合。一些學者提出了應用模糊進行初始的快速響應調整，之后采用傳統(tǒng)線性控制器進行細節(jié)調整。然而，什么時候以及如何實現(xiàn)無擾（）切換將是應用中的又一個問題。另一方面，為了解決模糊控制器無法消除穩(wěn)態(tài)誤差的問題，可以增加積分的環(huán)節(jié)，并稱

36、為模糊線性。為了降低定值控制中的超調問題，有學者認為應采用過降低設定值的權系數(shù)（）方法計算誤差量：其中設定值權系數(shù)取在（，）之間，且為常數(shù)。由計算的比例控制分量。（）（）比常規(guī)計算值要小。從而可實現(xiàn)較小的超調控制響應?；诖朔绞降目刂破鞣椒?，可以通過應用二維模糊推理的方式來計算的動態(tài)值，能夠取得比靜態(tài)的固定值算法更好的控制效果。這是混合型模糊控制器的另一種形式。雖然（）形式上是動態(tài)的，但是由于控制器仍然具有非時變本質，所以還是應該理解為是一種定常的非線性系統(tǒng)，即（，），由此產生非線性比例增益。此外，應用模糊前向補償器與控制器結合的方式也可以被認為是一種混合型模糊控制器?！绢疚奶岢龅男滦湍：郎?/p>

37、度控制器主體上是屬于增益調整型模糊溫度控制器。第二節(jié)優(yōu)于傳統(tǒng)控制器的模糊控制器設計的理論依據(jù)傳統(tǒng)控制理論學派與模糊控制理論學派有關傳統(tǒng)控制器和模糊控制器性能優(yōu)劣問題的爭論很早就開始了。年，模糊控制學者在）第期上發(fā)表了一篇用模糊控制技術實現(xiàn)飛行器柔性機翼控制的文章?？墒遣坏揭荒?，傳統(tǒng)控制學者就在同一刊物上發(fā)表了反駁上文結論的文章，其要點是應用傳統(tǒng)線性控制技術實現(xiàn)了優(yōu)于模糊控制技術的控制性能。模糊控制學者也注意到了這個問題的嚴重性。年，又有學者觀察并記述了模糊溫度控制器并不能確?？偸莾?yōu)于傳統(tǒng)控制器的實例。還有的學者認為，對于任何標準控制問題，總可以找到實現(xiàn)控制性能優(yōu)于模糊控制方法的傳統(tǒng)控制方法。例

38、，傳統(tǒng)控制理論學者們提出的一個要點是：目前多數(shù)的模糊控制技術與傳統(tǒng)控制器的性能比較只是數(shù)值式的。有學者認為，采用計算機模擬的方式證明這些模國成林；新型模糊溫度控制器二零零七年五月糊神經控制器的有效性根本不能夠讓人信服?；跀?shù)值仿真得到的“性能更優(yōu)”的結論，只有在模糊控制技術的發(fā)展的早期階段才具有某種啟迪意義。而作為使用模糊控制技術替換傳統(tǒng)控制技術的前提，必須存在嚴格的理論證明解決下面兩個問題：）模糊溫度控制器的控制性能是否總能優(yōu)于傳統(tǒng)線性控制器）如果不能，模糊溫度控制器是在什么條件下出現(xiàn)如此情況很長時間內，由于這兩個問題未能得到圓滿解決，使模糊控制技術在替換傳統(tǒng)控制技術時面臨了一個強有力的挑戰(zhàn)

39、。為了解決這一問題，可以采用模糊控制器的“保守設計準則（，）”。該準則要求：任何模糊控制器都應該能夠實現(xiàn)通過參數(shù)調整產生線性輸入輸出關系。符合這一準則的控制系統(tǒng)可以稱為“確保性能的模糊系統(tǒng)（”或者系統(tǒng)。這一設計準則的建立無論在理論還是應用方面有著非常重要的意義。它確保模糊控制理論可以引用并借鑒傳統(tǒng)控制理論中大量的定理和準則作為其控制器的性能指標下限（）分析，從根本上使得模糊控制技術的實際應用具備了堅實的理論依據(jù)?？梢钥闯觯陨显O計準則是一種完全依賴于功能的評價方法。其本質是將傳統(tǒng)控制技術作為模糊控制技術中的一個特例，這樣可以避免基于性能評價方法中需用窮舉方式對“性能優(yōu)劣”完成理論證明的困境。在

40、性能比較方面，必須以比較公平的方式進行，即兩種控制器至少應該同樣應用優(yōu)化方法整定系統(tǒng)參數(shù)。從這一角度來說，系統(tǒng)的控制性能應不劣于傳統(tǒng)線性控制器?！尽康牵绾螛嬙炷：到y(tǒng)仍是需要關注的研究方向。并不是所有的模糊溫度控制器算法都能夠實現(xiàn)系統(tǒng)。如應用型控制器設計方法，采用有限數(shù)量規(guī)則是無法構造系統(tǒng)。其原因是由于諸如模糊推理中“最大一最小”的非線性操作。另一方面，在構造系統(tǒng)的同時，保證合理地、按照“簡單性優(yōu)先”原則，即“線性、類曲線（或曲面）、類曲線（或曲面）”的方式逐步增加非線性函數(shù)種類也是亟待研究的課題。本文提出的新型模糊溫度控制器是一個型控制器，其詳細內容在以下諸節(jié)和第三章依次展開。第三節(jié)模糊

41、溫度控制器的非線性逼近能力雖然已經存在了大量的研究結果表明，模糊溫度控制器可提供優(yōu)于傳統(tǒng)線性控制器的控制性能。然而實際應用中如何設計模糊溫度控制器，使之控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制器，不僅是模糊控制研究中的一個重大理論問題，也是實際應用中亟國成林：新型模糊溫度控制器二零零七年五月【第二章理論建?！康陧摯鉀Q的難點問題之一。這其中很重要的一點就是模糊溫度控制器的非線性逼近能力。模糊溫度控制器實現(xiàn)非線性控制的方法十分獨特。它實際上是基于專家的經驗并通過語言規(guī)則的形式實現(xiàn)了系統(tǒng)輸入與輸出的非線性映射關系。模糊溫度控錐器之所以能夠在許多情況下提供優(yōu)于傳統(tǒng)線性控制技術的控制性能，其本質是在于模糊溫度控制器可以實

42、現(xiàn)非線性增益的調整過程。隨著人工神經網絡控制器研究工作的發(fā)展，理論上已經證明了模糊溫度控制器同樣也是一種“萬能菲線性逼近器（）”。這就為模糊技術的普適性應用奠定了重要的理論依據(jù)：即模糊溫度控制器可以對定義在致密集下的任何一種連續(xù)非線性方程實現(xiàn)在任意近似精度條件下的函數(shù)逼近。然而，從實際應用和技術改進的角度講，有必要對模糊控制系統(tǒng)或其它類型非線性系統(tǒng)的逼近能力（啪進一步進行分類細化。，基于誤差的非線性函數(shù)逼近能力對于“萬能非線性逼近器”，可以從定性與定量兩個角度來進行研究。前者主要是推導存在性定理，后者根據(jù)給定誤差構造控制器，對工程實際應用有著直接的意義?；谡`差的非線性函數(shù)逼近類型的模糊溫度控

43、制器是最為常見的。通常情況下，對于定義在集合上的非線性函數(shù)）是給定的（其中，是非線性函數(shù)的自變量向量）。應用非線性系統(tǒng)可以擬合估計出非線性方程，記為（，）（其中”，是用于調整非線性函數(shù)的自由參數(shù)向量）。那么，對特定非線性函數(shù)逼近能力的性能可以通過兩個非線性方程的誤差量表現(xiàn)出來。，（）（，口）式誤差量越小說明系統(tǒng)的非線性逼近能力越好。式的定義與常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計中的回歸分析方法相同。對基于統(tǒng)計學習的非線性逼近器，式給出了更為通用的誤差表達式：足（刃，（，）（，】，）式式中，?。┖停?，（，）可以分別稱為風險函數(shù)）與錯失函數(shù)（）。其中（，）是輸入變量與輸出變量的聯(lián)合概率函數(shù)。國成林：新型模糊溫度控制器二零

44、零七年五月【第一二章理論建模】第頁基于“泛化能力（）”的逼近在人工神經網絡研究中，“泛化能力（）”已經成為衡量非線性系統(tǒng)向另一類非線性逼近能力的非常重要的研究內容之一?！胺夯芰Α笔侵附涍^樣本學習后的非線性系統(tǒng)能夠正確識別符合相同分布而未經學習的樣本的能力。以多輸入多輸出的人工神經網絡系統(tǒng)為例來說，該網絡系統(tǒng)經過樣本數(shù)據(jù)學習后，能夠為網絡輸入節(jié)點數(shù)中生成的個網絡輸出節(jié)點數(shù)。對于特定的非線性超曲面，“泛化能力”即表明這些非線性超曲面能夠正確劃分學習樣本的能力。此種情況多數(shù)是用于考察模式識別應用中的分類器性能。如果按照非線性逼近器為應用內容，當?shù)扔跁r，其泛化能力就具體表現(xiàn)為系統(tǒng)對特定函數(shù)的內插或外

45、推的非線性函數(shù)逼近能力。我們可以定義泛化誤差（）為：（）（，口）雌式在式中，實驗子集。與學習子集廿。構成了完整集合。式與式式的區(qū)別在于泛化誤差只是對實驗子集中的樣本數(shù)據(jù)進行計算的，從本質上反映了系統(tǒng)的推廣能力，也就是說如果泛化誤差小，則表明非線性系統(tǒng)經過學習后，能夠很好地預測未知數(shù)據(jù)。經過學習之后得到函數(shù)逼近能力好的非線性系統(tǒng)，其泛化能力并不一定好，并可能出現(xiàn)“過似合（）”的問題。這可能是由于以下兩個原因：）學習數(shù)據(jù)中通常包含有噪聲（圖）：一實際曲線硯察點擬和曲線圈噪聲）用有限數(shù)據(jù)獲取整個任意分布函數(shù)從本質上講就存在著數(shù)據(jù)損失（圖）：國成林：新型模糊溫度控制器二零零七年五月一實際曲線類點擬和曲線類點圖數(shù)據(jù)損失泛化能力的概念可以推廣到基于監(jiān)督學習方式的模糊溫度控制器應用中。基于“非線性變化能力（）”的逼近模糊控制系統(tǒng)通常包括線性與非線性調整參數(shù)。以型控制器為例，其線性調整參數(shù)包括誤差信號量化因子（。）、誤差變化信號量化因子（。）和輸出量化因