智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)—軟件

1、第第3 3章章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟件軟件武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院第第3 3章章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟件軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件是基礎(chǔ)，沒有一個(gè)好的硬在智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件是基礎(chǔ)，沒有一個(gè)好的硬件平臺(tái)，軟件就無法運(yùn)行。對(duì)于智能車系統(tǒng)來說，軟件的核心件平臺(tái)，軟件就無法運(yùn)行。對(duì)于智能車系統(tǒng)來說，軟件的核心是控制算法。而完成這些任務(wù)的編程語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和是控制算法。而完成這些任務(wù)的編程語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C C語(yǔ)言。語(yǔ)言。軟件部分是整個(gè)智能車系統(tǒng)的靈魂，在硬件方面各參賽隊(duì)之間軟件部分是整個(gè)智能車系統(tǒng)的靈魂，在硬件方面各參賽隊(duì)之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊(duì)智能車

2、的優(yōu)勢(shì)和最后決定比賽成大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊(duì)智能車的優(yōu)勢(shì)和最后決定比賽成績(jī)好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計(jì)。本章績(jī)好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計(jì)。本章首先簡(jiǎn)要介紹軟件編程中使用的匯編語(yǔ)言和首先簡(jiǎn)要介紹軟件編程中使用的匯編語(yǔ)言和C C語(yǔ)言各自的特點(diǎn)，語(yǔ)言各自的特點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹核心控制算法的原理。然后重點(diǎn)介紹核心控制算法的原理。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.1 3.1 編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介13.2 3.2 控制算法控制算法2 思考題思考題3第第3 3章章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟軟件件武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.1 3.1 編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介編

3、程語(yǔ)言簡(jiǎn)介匯編語(yǔ)言是用符號(hào)指令書寫程序的語(yǔ)言，是依賴于硬匯編語(yǔ)言是用符號(hào)指令書寫程序的語(yǔ)言，是依賴于硬件平臺(tái)的語(yǔ)言，對(duì)于不同架構(gòu)的件平臺(tái)的語(yǔ)言，對(duì)于不同架構(gòu)的CPUCPU都會(huì)有相應(yīng)的匯編指令。都會(huì)有相應(yīng)的匯編指令。匯編語(yǔ)言可以直接操作匯編語(yǔ)言可以直接操作CPUCPU內(nèi)部的寄存器以及各種外圍設(shè)備，內(nèi)部的寄存器以及各種外圍設(shè)備，對(duì)于單片機(jī)啟動(dòng)開始運(yùn)行或者對(duì)于時(shí)序要求嚴(yán)格的對(duì)于單片機(jī)啟動(dòng)開始運(yùn)行或者對(duì)于時(shí)序要求嚴(yán)格的I/OI/O操作操作必須采用匯編語(yǔ)言編寫，在啟動(dòng)開始運(yùn)行時(shí)匯編語(yǔ)言創(chuàng)建系必須采用匯編語(yǔ)言編寫，在啟動(dòng)開始運(yùn)行時(shí)匯編語(yǔ)言創(chuàng)建系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。C C語(yǔ)言的特點(diǎn)就是可以使程序員盡

4、量少地對(duì)硬件進(jìn)行操語(yǔ)言的特點(diǎn)就是可以使程序員盡量少地對(duì)硬件進(jìn)行操作，具有很強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。由于作，具有很強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。由于C C語(yǔ)言具語(yǔ)言具有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、緊湊，使用靈活、方便，運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類型豐有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、緊湊，使用靈活、方便，運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類型豐富，可以直接訪問物理地址，進(jìn)行位操作，能實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言富，可以直接訪問物理地址，進(jìn)行位操作，能實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言的大部分功能，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，因此的大部分功能，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，因此C C語(yǔ)言既具語(yǔ)言既具有高級(jí)語(yǔ)言的功能，又具有匯編語(yǔ)言的功能，對(duì)于編寫與硬有高級(jí)語(yǔ)言的功能，又具有匯編語(yǔ)言的功能，對(duì)于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用

5、程序而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.1 3.1 編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介在絕大多數(shù)場(chǎng)合，采用在絕大多數(shù)場(chǎng)合，采用C C語(yǔ)言編程即可完成預(yù)語(yǔ)言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高期的目的，但是對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用的系統(tǒng)就不適合采用C C語(yǔ)言編程，對(duì)這些特殊情況語(yǔ)言編程，對(duì)這些特殊情況進(jìn)行編程時(shí)要結(jié)合匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言具有直接和進(jìn)行編程時(shí)要結(jié)合匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言具有直接和硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點(diǎn)，可以做到硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點(diǎn)，可以做到C C語(yǔ)言所不能做到的一些事情，例如對(duì)

6、時(shí)鐘要求很嚴(yán)語(yǔ)言所不能做到的一些事情，例如對(duì)時(shí)鐘要求很嚴(yán)格時(shí)，使用匯編語(yǔ)言便成了唯一的選擇。這種混合格時(shí)，使用匯編語(yǔ)言便成了唯一的選擇。這種混合編程的方法將編程的方法將C C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，已經(jīng)成為目前單片機(jī)開發(fā)最流行的編程方法。關(guān)于已經(jīng)成為目前單片機(jī)開發(fā)最流行的編程方法。關(guān)于編程語(yǔ)言的詳細(xì)介紹可參閱相關(guān)書籍。編程語(yǔ)言的詳細(xì)介紹可參閱相關(guān)書籍。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2 3.2 控制算法控制算法1 3.2.1 3.2.1 PID PID控制算法控制算法2 3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法3 3.2.3 3.2.3 其它智能其

7、它智能 控制算法控制算法武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法PIDPID（Proportional Integral DifferentialProportional Integral Differential）控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。在自動(dòng)控制控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，領(lǐng)域中，PIDPID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式?？刂品绞?。PIDPID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差

8、的比例比例、積分積分、微微分分三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量。圖制量。圖3.13.1是常規(guī)是常規(guī)PIDPID控制系統(tǒng)的原理框圖控制系統(tǒng)的原理框圖。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 圖圖3.1 3.1 常規(guī)常規(guī)PIDPID控制系統(tǒng)原理框圖控制系統(tǒng)原理框圖武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 其中虛線框內(nèi)的部分是其中虛線框內(nèi)的部分是PIDPID控制器，其輸入為設(shè)定值控制器，其輸入為設(shè)定值 與被調(diào)量實(shí)測(cè)值與被調(diào)量實(shí)測(cè)值 構(gòu)成的控制偏差信號(hào)構(gòu)成的控制

9、偏差信號(hào) ： (3.1) (3.1) 其輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分、微分的線性組合，其輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分、微分的線性組合， 也即也即PIDPID控制律：控制律： (3.2) (3.2) 式中，式中， 為比例系數(shù)；為比例系數(shù)； 為積分時(shí)間常數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)為微分時(shí)間常數(shù)。間常數(shù)。( )r t( )y t( )e t( )( )( )e tr ty tPD0I1d ( )( )( )( )ddte tu tKe te ttTTtPKITDT武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 根據(jù)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和控制要求的不同，根據(jù)被控對(duì)象

10、動(dòng)態(tài)特性和控制要求的不同，式式(3.2)(3.2)中還可以只包含比例和積分的中還可以只包含比例和積分的PIPI調(diào)節(jié)或者調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的只包含比例微分的PDPD調(diào)節(jié)。下面主要討論調(diào)節(jié)。下面主要討論P(yáng)IDPID控制控制的特點(diǎn)及其對(duì)控制過程的影響、數(shù)字的特點(diǎn)及其對(duì)控制過程的影響、數(shù)字PIDPID控制策略控制策略的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)，以及數(shù)字的實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)，以及數(shù)字PIDPID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的整定等問題。制參數(shù)的整定等問題。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法1 1PIDPID控制規(guī)律的特點(diǎn)控制規(guī)律的特點(diǎn) （1 1）比例控制器）比

11、例控制器 比例控制器是最簡(jiǎn)單的控制器，其控制規(guī)律為比例控制器是最簡(jiǎn)單的控制器，其控制規(guī)律為 (3.3)(3.3) 式中，式中，K Kp p為比例系數(shù)；為比例系數(shù)； 為控制量的初值，也就是在啟動(dòng)為控制量的初值，也就是在啟動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)的控制量。圖控制系統(tǒng)時(shí)的控制量。圖3.23.2所示是比例控制器對(duì)單位階所示是比例控制器對(duì)單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。躍輸入的階躍響應(yīng)。 由圖由圖3.23.2可以看到，比例控制器對(duì)于偏差是及時(shí)反應(yīng)可以看到，比例控制器對(duì)于偏差是及時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比

12、例朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)系數(shù)K Kp p。p0( )( )u tK e tu0u武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 圖圖3.2 3.2 比例控制器的階躍響應(yīng)比例控制器的階躍響應(yīng)武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法比例控制器雖然簡(jiǎn)單快速，但對(duì)于具有自平衡比例控制器雖然簡(jiǎn)單快速，但對(duì)于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對(duì)象性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)存在靜差。加大比例系數(shù)K Kp p雖然可以減小靜差，但雖然可以減小靜差，但

13、當(dāng)當(dāng)K Kp p過大時(shí)，動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差，會(huì)引起被控量振蕩，過大時(shí)，動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差，會(huì)引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法（2 2）比例積分控制器）比例積分控制器 為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PIPI控制器，其控制規(guī)律為控制器，其控制規(guī)律為 (3.4)(3.4)式中，式中， 稱為積分時(shí)間。圖稱為積分時(shí)間。圖3.33.3所示為所示為PIPI控制器對(duì)單控制器

14、對(duì)單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。位階躍輸入的階躍響應(yīng)。p00i1( )( )( )dtu tKe te ttuTiT武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 PI PI控制器對(duì)偏差的作用有兩個(gè)部分：一個(gè)是按比例部控制器對(duì)偏差的作用有兩個(gè)部分：一個(gè)是按比例部分的成分，另一個(gè)是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的分的成分，另一個(gè)是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的部分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差存在，積分部分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差存在，積分將起作用，將偏差累計(jì)，并對(duì)控制量產(chǎn)生影響，即偏差減小，將起作用，將偏差累計(jì)，并對(duì)控制量產(chǎn)生影響，即偏

15、差減小，直至偏差為零，積分作用才會(huì)停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將直至偏差為零，積分作用才會(huì)停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 圖圖3.3 PI3.3 PI控制器的階躍響應(yīng)控制器的階躍響應(yīng)武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法顯然，如果積分時(shí)間太大，則積分作用減弱，反之則顯然，如果積分時(shí)間太大，則積分作用減弱，反之則積分作用較強(qiáng)。增大，將使消除靜差的過程變得緩慢，但可積分作用較強(qiáng)。增大，將使消除靜差的

16、過程變得緩慢，但可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。必須根據(jù)被控對(duì)象的特以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。必須根據(jù)被控對(duì)象的特性來選定，如對(duì)于管道壓力、流量等滯后不大的對(duì)象，可以性來選定，如對(duì)于管道壓力、流量等滯后不大的對(duì)象，可以選得小些，對(duì)溫度、成分等滯后比較大的對(duì)象，可以選得大選得小些，對(duì)溫度、成分等滯后比較大的對(duì)象，可以選得大些。些。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法（3 3）比例積分微分控制器）比例積分微分控制器 積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但其代價(jià)是積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但其代價(jià)是降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了加快控制過

17、程，有必要在偏差出降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出反應(yīng)（即比例控制作現(xiàn)或變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出反應(yīng)（即比例控制作用），而且要對(duì)偏差量的變化做出反應(yīng)，或者說按偏差變化用），而且要對(duì)偏差量的變化做出反應(yīng)，或者說按偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制。為了達(dá)到這一的趨勢(shì)進(jìn)行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制。為了達(dá)到這一控制目的，可以在控制目的，可以在PIPI控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即構(gòu)造比例積分微分控制器（構(gòu)造比例積分微分控制器（PIDPID控制器）?？刂破鳎?。PIDPID控制器的控制控制器

18、的控制規(guī)律為規(guī)律為 (3.5) pd0i1d ( )( )( )( )ddte tu tKe te ttTTt武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 式中，稱為微分時(shí)間。理想的式中，稱為微分時(shí)間。理想的PIDPID控制器對(duì)偏差階躍變化的響控制器對(duì)偏差階躍變化的響應(yīng)如圖應(yīng)如圖3.43.4所示，它在偏差變化的瞬間處有一個(gè)沖激式的瞬態(tài)所示，它在偏差變化的瞬間處有一個(gè)沖激式的瞬態(tài)響應(yīng)，這就是由微分環(huán)節(jié)引起的。響應(yīng)，這就是由微分環(huán)節(jié)引起的。 圖圖3.4 3.4 理想理想PIDPID控制器的階躍響應(yīng)控制器的階躍響應(yīng)武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID

19、3.2.1 PID控制算法控制算法由微分部分的控制作用由微分部分的控制作用 (3.6) (3.6) 可見，它對(duì)偏差的任何變化都會(huì)產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整可見，它對(duì)偏差的任何變化都會(huì)產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，控制量就越系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，控制量就越大，反饋校正量就越大。故微分作用的加入將有助于減少超大，反饋校正量就越大。故微分作用的加入將有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分作用可以加快系統(tǒng)調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分作用可以加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

20、dpdd ( )de tuK Tt武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法2 2數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制算法控制算法 在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，通常采用如圖在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，通常采用如圖3.13.1所示所示的的PIDPID控制，其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為控制，其對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為 (3.7) (3.7) 對(duì)應(yīng)的控制算法表達(dá)式為對(duì)應(yīng)的控制算法表達(dá)式為 (3.8) (3.8)式中，式中， 為比例增益；為比例增益； 為積分時(shí)間常數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)； 為微分時(shí)間為微分時(shí)間常數(shù)；常數(shù)； 為控制量；為控制量； 為被控量與設(shè)定值為被控量與設(shè)定值 的偏差。的

21、偏差。pdi( )11( )U sKT sE sTspd0i1d ( )( )( )( )ddte tu tKe te ttTTtpKiTdT( )u t( )e t( )y t武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PIDPID算法，必須將式算法，必須將式(3.3)(3.3)改寫為離散改寫為離散（采樣）式，這可以將積分運(yùn)算用部分和近似代替，微分運(yùn)（采樣）式，這可以將積分運(yùn)算用部分和近似代替，微分運(yùn)算用差分方程表示，即算用差分方程表示，即 (3.9 (3.9） (3.10) (3.10) 式中，式中，T T為采樣周

22、期；為采樣周期；k k為采樣周期的序號(hào)（為采樣周期的序號(hào)（ ）；和）；和分別為第和第分別為第和第k k個(gè)采樣周期的偏差。個(gè)采樣周期的偏差。00( )d( )ktje ttTe jd ( )( )(1)de te ke ktT0, 1, 2, k 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 將式將式(3.9)(3.9)和式和式(3.10)(3.10)代入式代入式(3.8)(3.8)可得相應(yīng)的差分方程，可得相應(yīng)的差分方程，即即 (3.11)(3.11) 式中，式中， 為第為第 k k 個(gè)采樣時(shí)刻的控制量。如果采樣周個(gè)采樣時(shí)刻的控制量。如果采樣周期期T T與被

23、控對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較相對(duì)較小，那么這種近似是合與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)比較相對(duì)較小，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制的效果接近。理的，并與連續(xù)控制的效果接近。 模擬調(diào)節(jié)器很難實(shí)現(xiàn)理想的微分模擬調(diào)節(jié)器很難實(shí)現(xiàn)理想的微分 ，而利用計(jì)算，而利用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)式機(jī)可以實(shí)現(xiàn)式(3.10)(3.10)所表示的差分運(yùn)算，故將式所表示的差分運(yùn)算，故將式(3.11)(3.11)稱為稱為理想微分?jǐn)?shù)字理想微分?jǐn)?shù)字PIDPID控制器。基本的數(shù)字控制器。基本的數(shù)字PIDPID控制器一般具有以控制器一般具有以下兩種形式的算法。下兩種形式的算法。dpi0( )( )( ) ( )(1)kjTTu kKe ke je ke kTT

24、( )u kd ( )/de tt武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 圖圖3.5 3.5 位置型算法流程圖位置型算法流程圖武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 （1 1）位置型算法）位置型算法 模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動(dòng)作是連續(xù)的，任何瞬間的輸出控制模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動(dòng)作是連續(xù)的，任何瞬間的輸出控制量量 u u 都對(duì)應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的位置。由式都對(duì)應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的位置。由式(3.11)(3.11)可知，數(shù)字控制器的輸出控制量可知，數(shù)字控制器的輸出控制量 也和閥門位置相對(duì)應(yīng)，也和閥門位置相對(duì)應(yīng)，

25、故稱為位置型算式（簡(jiǎn)稱位置式）。相應(yīng)的算法流程圖如圖故稱為位置型算式（簡(jiǎn)稱位置式）。相應(yīng)的算法流程圖如圖3.53.5所示。所示。 由圖由圖3.53.5可以看出，因?yàn)榉e分作用是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)偏差可以看出，因?yàn)榉e分作用是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)偏差信號(hào)的累加，因此，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算法不是很方便，信號(hào)的累加，因此，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算法不是很方便，不僅需要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且編程也不方便，因此可不僅需要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且編程也不方便，因此可以采用其改進(jìn)式以采用其改進(jìn)式增量型算法來實(shí)現(xiàn)。增量型算法來實(shí)現(xiàn)。( )u k武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院（2 2）增量型算法）增量型算法 根據(jù)式根據(jù)式(3.

26、6)(3.6)不難得到第個(gè)采樣周期的控制量，即不難得到第個(gè)采樣周期的控制量，即 (3.12)(3.12) 將式將式(3.11)(3.11)與式與式(3.12)(3.12)相減，可以得到第相減，可以得到第k k個(gè)采樣時(shí)刻個(gè)采樣時(shí)刻控制量的增量，即控制量的增量，即 (3.13)(3.13) 式中，式中， 為比例增益；為比例增益； 為積分系數(shù)，為積分系數(shù)， ； 為微分系數(shù)，為微分系數(shù)， 。1dpi0(1)(1)( ) (1)(2)kjTTu kKe ke je ke kTTdpipid( )( )(1)( ) ( )2 (1)(2) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)TTu kKe ke k

27、e ke ke ke kTTK e ke kK e kK e ke ke kpKiKipi/KK T TdKdpd/KK TT3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 由于式由于式(3.13)(3.13)中對(duì)應(yīng)于第中對(duì)應(yīng)于第k k個(gè)采樣時(shí)刻閥門位置的增量，個(gè)采樣時(shí)刻閥門位置的增量，故稱式故稱式(3.13)(3.13)為增量型算式。由此，第為增量型算式。由此，第k k個(gè)采樣時(shí)刻實(shí)際控個(gè)采樣時(shí)刻實(shí)際控制量為制量為 (3.14)(3.14) 為了編寫程序方便，將式為了編寫程序方便，將式(3.13)(3.1

28、3)改寫為改寫為 (3.15)(3.15) 式中，式中， ； ； 。( )(1)( )u ku ku k 012( )( )(1)(2)u kq e kq e kq e kd0pi1TTqKTTd1p21TqKT d2pTqKT武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 3.2.1 PID3.2.1 PID控制算法控制算法 由此可見，要利用由此可見，要利用 和和 得到得到 ，只需要，只需要用到用到 , , 和和 三個(gè)歷史數(shù)據(jù)。在編程過程中，三個(gè)歷史數(shù)據(jù)。在編程過程中，這三個(gè)歷史數(shù)據(jù)可以采用平移法保存，從而可以遞推使用，占用這三個(gè)歷史數(shù)據(jù)可以采用平移法保存，從而可以遞推使用，占用的存儲(chǔ)單元少，編程簡(jiǎn)單，運(yùn)算

29、速度快。增量型算法的程序流程的存儲(chǔ)單元少，編程簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快。增量型算法的程序流程圖如圖圖如圖3.63.6所示。所示。 增量型算法僅僅是在算法設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，其輸出是相對(duì)于上次增量型算法僅僅是在算法設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，其輸出是相對(duì)于上次控制輸出量的增量形式，并沒有改變位置型算法的本質(zhì)，即它仍然控制輸出量的增量形式，并沒有改變位置型算法的本質(zhì)，即它仍然反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置開度。如果希望輸出控制量的增量，則必須采反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置開度。如果希望輸出控制量的增量，則必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。用具有保持位置功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 數(shù)字?jǐn)?shù)字PIDPID控制器的輸出控制量通常都是通過控制器的輸出控制量通常都是

30、通過D/AD/A轉(zhuǎn)換器輸出的，轉(zhuǎn)換器輸出的，在在D/AD/A轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)（轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)（4 420 20 mAmA的電流信號(hào)的電流信號(hào)或或0 05 V5 V的電壓信號(hào)），然后通過放大驅(qū)動(dòng)裝置作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，的電壓信號(hào)），然后通過放大驅(qū)動(dòng)裝置作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，信號(hào)作用的時(shí)間連續(xù)到下一個(gè)控制量到來之前。因此，信號(hào)作用的時(shí)間連續(xù)到下一個(gè)控制量到來之前。因此，D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。具有零階保持器的功能。 ( )u k(1)u k ( )u k(1)e k (2)e k (1)u k 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 3.2.1 PID3.2.

31、1 PID控制算法控制算法圖圖3.6 3.6 增量型算法流程圖增量型算法流程圖 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法模糊（模糊（FuzzyFuzzy）控制是用語(yǔ)言歸納操作人員的控制策略，）控制是用語(yǔ)言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)用語(yǔ)言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控運(yùn)用語(yǔ)言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對(duì)象精制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)確的數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語(yǔ)言控制規(guī)則，從而能夠?qū)哂胁淮_總結(jié)成較完

32、善的語(yǔ)言控制規(guī)則，從而能夠?qū)哂胁淮_定性、不精確性、噪聲以及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯等定性、不精確性、噪聲以及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯等特征的控制對(duì)象進(jìn)行控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，特征的控制對(duì)象進(jìn)行控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制的基本結(jié)構(gòu)如圖制的基本結(jié)構(gòu)如圖3.73.7所示。所示。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法圖圖3.73.7 模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 1 1模糊控制器

33、的輸入變量與輸出變量模糊控制器的輸入變量與輸出變量（1 1）模糊控制器的輸入、輸出變量）模糊控制器的輸入、輸出變量 模糊控制器是模仿人的一種控制。在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行模糊控制器是模仿人的一種控制。在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的過程中，一般根據(jù)設(shè)定值與被控量的偏差、偏差控制的過程中，一般根據(jù)設(shè)定值與被控量的偏差、偏差變化變化ECEC和偏差變化的速率和偏差變化的速率ERER進(jìn)行決策。人對(duì)偏差最敏感，進(jìn)行決策。人對(duì)偏差最敏感，其次是偏差的變化，再次是偏差變化的速率。因此，模其次是偏差的變化，再次是偏差變化的速率。因此，模糊控制器的輸入變量通常取、和糊控制器的輸入變量通常取、和ECEC或者或者, EC, EC和和

34、ERER，分別，分別構(gòu)成所謂一維、二維和三維模糊控制器。一維模糊控制構(gòu)成所謂一維、二維和三維模糊控制器。一維模糊控制器的動(dòng)態(tài)性能不佳，通常用于一階被控對(duì)象，二維模糊器的動(dòng)態(tài)性能不佳，通常用于一階被控對(duì)象，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性都比較好，是目前廣泛控制器的控制性能和控制復(fù)雜性都比較好，是目前廣泛采用的一種形式。并且，一般選擇增量算法作為模糊控采用的一種形式。并且，一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出變量制器的輸出變量。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法（2 2）描述輸入、輸出變量的詞匯）描述輸入、輸出變量的詞匯 在模糊控制中，輸入、輸出變

35、量大小是以語(yǔ)言形式描述的，因在模糊控制中，輸入、輸出變量大小是以語(yǔ)言形式描述的，因此要選擇描述這些變量的詞匯。我們的日常語(yǔ)言中對(duì)各種事物和變此要選擇描述這些變量的詞匯。我們的日常語(yǔ)言中對(duì)各種事物和變量的描述，總是習(xí)慣于分為三個(gè)等級(jí)，例如，物體的大小分為大、量的描述，總是習(xí)慣于分為三個(gè)等級(jí)，例如，物體的大小分為大、中、?。贿\(yùn)動(dòng)的速度分為快、中、慢；年齡的大小分為老、中、青。中、??；運(yùn)動(dòng)的速度分為快、中、慢；年齡的大小分為老、中、青。實(shí)際應(yīng)用中一般都選用實(shí)際應(yīng)用中一般都選用“大、中、小大、中、小”三個(gè)詞匯來描述模糊控制器三個(gè)詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正、負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)，

36、共有的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正、負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)，共有7 7個(gè)詞匯，即個(gè)詞匯，即 負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大 一般用這些詞的英文字頭縮寫，即一般用這些詞的英文字頭縮寫，即 NB, NM, NS, O, PS, PM, PB NB, NM, NS, O, PS, PM, PB 一般情況下，選擇上述一般情況下，選擇上述7 7個(gè)詞匯比較合適，但也可以多選或少選。選個(gè)詞匯比較合適，但也可以多選或少選。選擇較多的詞匯，可以精確描述變量，提高控制精度，但會(huì)使控制規(guī)擇較多的詞匯，可以精確描述變量，提高控制精度，但會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過少，

37、則對(duì)變量的描述過于粗糙，導(dǎo)致控則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過少，則對(duì)變量的描述過于粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變差。制器的性能變差。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 （3 3）變量的模糊量）變量的模糊量 某個(gè)變量變化的實(shí)際范圍稱為該變量的基本論域。記某個(gè)變量變化的實(shí)際范圍稱為該變量的基本論域。記偏差的基本論域?yàn)?，偏差變化的基本論域?yàn)?，模糊控制器偏差的基本論域?yàn)?，偏差變化的基本論域?yàn)?，模糊控制器的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域?yàn)?。顯然，基本的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域?yàn)椤ｏ@然，基本論域內(nèi)的量是精確量，因而模糊控制器的輸入和輸出都是論域內(nèi)的量是精確量，

38、因而模糊控制器的輸入和輸出都是精確量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，輸入的精精確量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，輸入的精確量（數(shù)字量）需要轉(zhuǎn)換為模糊量，這個(gè)過程稱為確量（數(shù)字量）需要轉(zhuǎn)換為模糊量，這個(gè)過程稱為“模糊模糊化化”（FuzzificationFuzzification）；另一方面，模糊算法所得到的模）；另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確的控制量，這個(gè)過程稱為糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確的控制量，這個(gè)過程稱為“清晰清晰化化”或者或者“反模糊化反模糊化”（DefuzzificationDefuzzification）。）。 比較實(shí)用的模糊化方法是將基本論域分為比較實(shí)用

39、的模糊化方法是將基本論域分為n n個(gè)檔次，即個(gè)檔次，即取變量的模糊子集論域?yàn)槿∽兞康哪：蛹撚驗(yàn)? 1, , 0, , 1, nnnn武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 從基本論域到模糊子集論域的轉(zhuǎn)換公式為從基本論域到模糊子集論域的轉(zhuǎn)換公式為 (3.16)(3.16) 增加論域中的元素個(gè)數(shù)可以提高控制精度，但增大了增加論域中的元素個(gè)數(shù)可以提高控制精度，但增大了計(jì)算量，而且模糊控制效果的改善并不明顯。一般選擇計(jì)算量，而且模糊控制效果的改善并不明顯。一般選擇模糊論域中所含元素的個(gè)數(shù)為模糊語(yǔ)言詞集總數(shù)的兩倍模糊論域中所含元素的個(gè)數(shù)為模糊語(yǔ)言詞集總數(shù)的兩倍

40、以上，以確保各模糊集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失以上，以確保各模糊集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。例如在選擇上述控現(xiàn)象。例如在選擇上述7 7個(gè)詞匯的情況下，可選擇個(gè)詞匯的情況下，可選擇E E和和ECEC的論域均為的論域均為 選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量U U的論域?yàn)榈恼撚驗(yàn)?2nabyxba6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 67, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 （4 4）隸屬

41、度）隸屬度 為了實(shí)現(xiàn)模糊化，要在上述離散化了的精確量與表示為了實(shí)現(xiàn)模糊化，要在上述離散化了的精確量與表示模糊語(yǔ)言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個(gè)模糊語(yǔ)言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個(gè)元素對(duì)各個(gè)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度。元素對(duì)各個(gè)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度。 隸屬度是描述某個(gè)確定量隸屬于某個(gè)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度是描述某個(gè)確定量隸屬于某個(gè)模糊語(yǔ)言變量的程度。例如，在上述和程度。例如，在上述和ECEC的論域中，的論域中，+6+6隸屬于（正大），隸屬于（正大），隸屬度為隸屬度為1.01.0；+5+5也隸屬于，但隸屬度要比也隸屬于，但隸屬度要比+6+6差，可取為差，可取為0.80.8；+4+4隸

42、屬于的程度更小，隸屬度可取為隸屬于的程度更小，隸屬度可取為0.40.4；顯然；顯然- -6 60 0就不隸屬于了，所以隸屬度取為就不隸屬于了，所以隸屬度取為0 0。 確定隸屬度的值要根據(jù)實(shí)際問題的具體情況而定。實(shí)確定隸屬度的值要根據(jù)實(shí)際問題的具體情況而定。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，人進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的模糊概念一般可驗(yàn)研究結(jié)果表明，人進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的模糊概念一般可以用正態(tài)型模糊變量描述。下面給出常用的確定模糊變以用正態(tài)型模糊變量描述。下面給出常用的確定模糊變量隸屬度的賦值表，如表量隸屬度的賦值表，如表3.13.1、表、表3.23.2和表和表3.33.3所示。所示。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2

43、3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法2 2建立模糊控制規(guī)則建立模糊控制規(guī)則 模糊控制是語(yǔ)言控制，因此要用語(yǔ)言歸納專家的手動(dòng)模糊控制是語(yǔ)言控制，因此要用語(yǔ)言歸納專家的手動(dòng)控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。手動(dòng)控制策略一控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。手動(dòng)控制策略一般都可以用條件語(yǔ)句加以描述。條件語(yǔ)句的基本類型為般都可以用條件語(yǔ)句加以描述。條件語(yǔ)句的基本類型為 if A or B and C or D then U if A or B and C or D then U武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.

44、2 模糊控制算法模糊控制算法武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 下面介紹一種根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢(shì)，下面介紹一種根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢(shì)，消除誤差的模糊控制規(guī)則。該規(guī)則用下述消除誤差的模糊控制規(guī)則。該規(guī)則用下述2121條模糊條件條模糊條件語(yǔ)句來描述。語(yǔ)句來描述。1if E = NB or NM and EC = NB or NM then U = PB1if E = NB or NM and EC = NB or NM then U = PB2if E

45、 = NB or NM and EC = NS or O then2if E = NB or NM and EC = NS or O then U = PB U = PB3if E = NB or NM and EC = PS then3if E = NB or NM and EC = PS then U = PMU = PM4if E = NB or NM and EC = PM or PB then4if E = NB or NM and EC = PM or PB then U = O U = O5if E = NS and EC = NB or NM then5if E = NS an

46、d EC = NB or NM then U = PM U = PM6if E = NS and EC = NS or O then6if E = NS and EC = NS or O then U = PM U = PM7if E = NS and EC = PS then7if E = NS and EC = PS then U = O U = O8if E = NS and EC = PM or PB then8if E = NS and EC = PM or PB then U = NS U = NS9if E = NO or PO and EC = NB or NM then U

47、= PM9if E = NO or PO and EC = NB or NM then U = PM10if E = NO or PO and EC = NS then U = PS10if E = NO or PO and EC = NS then U = PS11if E = NO or PO and EC = O then U = O11if E = NO or PO and EC = O then U = O武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法12if E = NO or PO and EC = PS then U = NS12if E = N

48、O or PO and EC = PS then U = NS13if E = NO or PO and EC = PM or PB then U = NM13if E = NO or PO and EC = PM or PB then U = NM14if E = PS and EC = NB or NM then U = PS14if E = PS and EC = NB or NM then U = PS15if E = PS and EC = NS then U = O15if E = PS and EC = NS then U = O16if E = PS and EC = O or

49、 PS then16if E = PS and EC = O or PS then U = NM U = NM17if E = PS and EC = PM or PB then U = NM17if E = PS and EC = PM or PB then U = NM18if E = PM or PB and EC = NB or NM then U = O18if E = PM or PB and EC = NB or NM then U = O19if E = PM or PB and EC = NS then U = NM19if E = PM or PB and EC = NS

50、then U = NM20if E = PM or PB and EC = O or PS then20if E = PM or PB and EC = O or PS then U = NB U = NB21if E = PM or PB and EC = PM or PB then U = NB21if E = PM or PB and EC = PM or PB then U = NB以上以上2121條模糊條件語(yǔ)句可以歸納為模糊控制規(guī)則表?xiàng)l模糊條件語(yǔ)句可以歸納為模糊控制規(guī)則表3.43.4。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)

51、與工程學(xué)院 3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法3 3模糊關(guān)系與模糊推理模糊關(guān)系與模糊推理 模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語(yǔ)句，可以表示模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語(yǔ)句，可以表示為從偏差論域到控制論域的模糊關(guān)系矩陣為從偏差論域到控制論域的模糊關(guān)系矩陣 ，通過偏差，通過偏差的模糊向量的模糊向量 和偏差變化的模糊向量和偏差變化的模糊向量 ，與模糊關(guān)系矩，與模糊關(guān)系矩陣陣 的合成進(jìn)行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然的合成進(jìn)行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用后采用“反模糊化反模糊化”方法將模糊控制向量轉(zhuǎn)換為精確量。方法將模糊控制向量轉(zhuǎn)換為精確量。 根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論

52、，對(duì)于不同類型的模糊根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論，對(duì)于不同類型的模糊規(guī)則可用不同的模糊推理方法。下面僅介紹其中的對(duì)規(guī)則可用不同的模糊推理方法。下面僅介紹其中的對(duì)if if A then BA then B類型的模糊規(guī)則的推理。類型的模糊規(guī)則的推理。 若已知輸入為若已知輸入為 ，則輸出為，則輸出為 ；若現(xiàn)在已知輸入為；若現(xiàn)在已知輸入為 ，則輸出則輸出 用合成規(guī)則求取：用合成規(guī)則求?。?(3.17)(3.17) 其中模糊關(guān)系其中模糊關(guān)系 定義為定義為BARREECRABABR武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 例如，已知當(dāng)輸入的模糊集合和輸出的模糊集合分別

53、為例如，已知當(dāng)輸入的模糊集合和輸出的模糊集合分別為 (3.18) (3.18) (3.19) (3.19) 這這里采用模糊集合的里采用模糊集合的ZadehZadeh表示法，其中表示法，其中 , , 表示表示模糊集合所對(duì)應(yīng)的論域中的元素，模糊集合所對(duì)應(yīng)的論域中的元素， 而表示相應(yīng)的隸屬而表示相應(yīng)的隸屬度，度，“”不表示分?jǐn)?shù)的意思。不表示分?jǐn)?shù)的意思。( , )min( ), ( )x yxxRAB123451.00.80.50.20.0aaaaaA12340.71.00.60.0bbbbBiaibi武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 (3.20) 1.0

54、0.71.01.01.00.61.00.00.80.70.81.00.80.60.80.00.50.70.51.00.50.60.50.00.20.70.21.00.20.60.20.00.00.70.01.00.00.60.00.0RAB0.71.00.60.00.70.80.60.0 0.50.50.50.00.20.20.20.00.00.00.00.0武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法則當(dāng)輸入則當(dāng)輸入 (3.21)(3.21) 由下式求取，即由下式求取，即123450.40.71.00.60.0aaaaaABT0.40.71.00.60.00

55、.70.70.80.60.01.00.50.50.50.00.60.20.20.20.00.00.00.00.00.0(0.40.7)(0.70.7)(1.00.5)(0.60.2)(0.00.0), (0.41.0)(0.70.8(1.00.5)BAR(0.60.2)(0.00.0), (0.40.6)(0.70.6)(1.00.5)(0.60.2)(0.00.0), (0.40.0)(0.70.0)(1.00.0)(0.60.0)(0.00.0)武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法則則 (3.22)(3.22) 在上述運(yùn)算中，在上述運(yùn)算中，“ ”“

56、 ”為取小運(yùn)算，為取小運(yùn)算，“ ”“ ”為取大運(yùn)為取大運(yùn)算。算。 由于系統(tǒng)的控制規(guī)則庫(kù)是由若干條規(guī)則組成的，因此由于系統(tǒng)的控制規(guī)則庫(kù)是由若干條規(guī)則組成的，因此對(duì)于每一條推理規(guī)則都可以得到一個(gè)相應(yīng)的模糊關(guān)系。對(duì)于每一條推理規(guī)則都可以得到一個(gè)相應(yīng)的模糊關(guān)系。n n條規(guī)則就有條規(guī)則就有n n個(gè)模糊關(guān)系：個(gè)模糊關(guān)系： ，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的全部控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系可對(duì)的全部控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系可對(duì) n n個(gè)模糊關(guān)系個(gè)模糊關(guān)系 ( )( )取取“并并”操作得到，即操作得到，即 (3.23)(3.23)(0.4 0.7 0.5 0.2 0.0), (0.4 0.7 0.5 0.2 0.0)

57、, (0.4 0.6 0.5 0.2 0.0), (0.0 0.0 0.0 0.0 0.0)(0.7, 0.7, 0.6, 0.0)12340.70.70.60.0bbbbB12, , , n RRRRiR1,2,in121nniiRRRRR武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 4 4模糊控制向量的模糊判決模糊控制向量的模糊判決 由上述得到的控制量是一個(gè)模糊集合，需要采用由上述得到的控制量是一個(gè)模糊集合，需要采用“反模糊化反模糊化”方法將模糊控制項(xiàng)轉(zhuǎn)換為精確量。下面介紹兩種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法將模糊控制項(xiàng)轉(zhuǎn)換為精確量。下面介紹兩種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。方法。 （1

58、 1）最大隸屬度法）最大隸屬度法 這種方法是在模糊控制向量中，取隸屬度最大的控制量作為這種方法是在模糊控制向量中，取隸屬度最大的控制量作為模糊控制器的輸出。例如，當(dāng)?shù)玫侥：刂葡蛄繛槟：刂破鞯妮敵?。例如，?dāng)?shù)玫侥：刂葡蛄繛?(3.24)(3.24) 由于控制量隸屬于等級(jí)由于控制量隸屬于等級(jí)5 5的隸屬度為最大，所以取控制量為的隸屬度為最大，所以取控制量為 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是完全排除了其他隸這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是完全排除了其他隸屬度較小的控制量的影響和作用，沒有充分利用取得的信息。屬度較小的控制量的影響和作用，沒有充分利用取得的信息。0.10.40.71.00.70.

59、3234567 U5U 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 （2 2）加權(quán)平均判決法）加權(quán)平均判決法 為了克服最大隸屬度法的缺點(diǎn)，可以采用加權(quán)平均判為了克服最大隸屬度法的缺點(diǎn)，可以采用加權(quán)平均判決法，即決法，即 (3.25) (3.25) 例如例如 則則11()()niiiniiuuUu0.10.81.00.80.123456 U20.130.84 1.050.860.140.10.81.00.80.1U 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2.2 3.2.2 模糊控制算法模糊控制算法 5 5模糊控制表模糊控制表 模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運(yùn)算可

60、以離線進(jìn)模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運(yùn)算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級(jí)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級(jí) , EC, EC與輸與輸出量即系統(tǒng)控制量的量化等級(jí)之間出量即系統(tǒng)控制量的量化等級(jí)之間 的確定關(guān)系，這種的確定關(guān)系，這種關(guān)系通常稱為關(guān)系通常稱為“控制表控制表”。對(duì)應(yīng)于前面介紹的。對(duì)應(yīng)于前面介紹的2121條控制條控制規(guī)則的規(guī)則的“控制表控制表”如表如表3.53.5所列所列。 模糊控制表可以離線求出，作為文件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，模糊控制表可以離線求出，作為文件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制時(shí)只要將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制時(shí)只要將A/DA/D轉(zhuǎn)換得到的偏差和偏差變化轉(zhuǎn)換得到的偏差和偏