智能控制導(dǎo)論大作業(yè)4

1、 智能控制導(dǎo)論學(xué) 院 自動化與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 控制科學(xué)與工程 班 級 自動化碩201501班 姓 名 張榮豐 學(xué) 號 2015210220 指導(dǎo)教師 胡 海 清 二一六年六月二十日模糊控制技術(shù)及其應(yīng)用摘要本文對模糊控制進行了簡單概述，主要講述了模糊控制的特點以及缺陷；模糊控制方法的研究現(xiàn)狀；模糊控制的進展，包括模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合、模糊控制與遺傳算法的融合、專家模糊控制、PID控制技術(shù)等的闡述；模糊控制在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用；以及模糊控制的最新研究領(lǐng)域及未來研究課題，指出模糊控制系統(tǒng)是易于接受，設(shè)計簡單，維護方便，而且比常規(guī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢特點，使得模糊控制正得到越來越廣泛的應(yīng)用，

2、最后對模糊控制做了一下簡單的展望。關(guān)鍵詞：模糊控制；PID控制；水泥目 錄1 引言11.1 模糊控制的特點11.2 模糊控制的主要缺陷：12 模糊控制方法的研究現(xiàn)狀23 模糊控制的進展33.1 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合33.2 模糊控制與遺傳算法的融合33.3 專家模糊控制33.4 模糊系統(tǒng)建模及參數(shù)變識34 模糊控制在水泥回轉(zhuǎn)窯中的應(yīng)用44.1 模糊子集的選取44.2 模糊模型的辨識44.3 模糊濾波54.4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)流程圖64.5 控制效果65 模糊控制的展望76 總結(jié)8參考文獻91 引言在自動控制中，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論中有一個共同的特點，即控制器的綜合設(shè)計都要建立在被控對象

3、準確的數(shù)學(xué)模型(如微分方程等)的基礎(chǔ)上，但是在實際工業(yè)生產(chǎn)中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，十分復(fù)雜。建立精確的數(shù)學(xué)模型特別困難，甚至是不可能的。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大，模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的運行經(jīng)驗，就可對系統(tǒng)進行實時控制。模糊控制實際上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)中的的控制能方便地解決工業(yè)領(lǐng)域常見的非線性、時變、在滯后、強耦合、變結(jié)構(gòu)、結(jié)束條件苛刻等復(fù)雜問題。可編程控制器以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強大等特性很好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。這兩者的結(jié)

4、合，可在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用，該論文也詳細闡述了其在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用。模糊控制的定義：模糊控制就是將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。 1.1 模糊控制的特點(1) 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解、設(shè)計簡單、便于應(yīng)用。(2) 從工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因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非常顯著的對象非常適用。(3) 基于模型的控制算法及系統(tǒng)

5、設(shè)計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導(dǎo)致較大差異；但一個系統(tǒng)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，容易找到其中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。1.2 模糊控制的主要缺陷：(1)精度不太高(2)自適應(yīng)能力有限(3)易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象2 模糊控制方法的研究現(xiàn)狀(1) Fuzzy-PID復(fù)合控制Fuzzy-PID復(fù)合控制指的是模糊技術(shù)與常規(guī)的PID控制算法相結(jié)合的一種控制方法。(2) 參數(shù)自整定模糊控制參數(shù)自整定模糊控制根據(jù)控制系統(tǒng)的性能來在線地整定比例因子K1、K2和K3，使它們保持合適的數(shù)值，從而使系統(tǒng)的性能達到令人滿意的水平。這種控制方法較之常規(guī)的固定比例因子的模糊

6、控制方法，對環(huán)境變化有較強的自適應(yīng)能力，在隨機環(huán)境中能對控制器進行自動校正，使得在被控對象特性變化或擾動情況下，控制系統(tǒng)保持較好的性能。(3) 模型參考自適應(yīng)模糊控制利用參考模型輸出與控制作用下系統(tǒng)輸出間的偏差來修正模糊控制器的輸出，包括比例因子、解模糊策略、模糊控制規(guī)則等。(4)自組織模糊控制將參考模型和自組織機制相結(jié)合，它能自動的對模糊控制規(guī)則進行修改、改進和完善，以提高控制系統(tǒng)的性能。(5) 具有自學(xué)習(xí)功能的模糊控制包括多種對外擾影響或重復(fù)任務(wù)的性能具有自學(xué)習(xí)功能的模糊控制方法，以及自尋最優(yōu)模糊控制器等，其關(guān)鍵在于學(xué)習(xí)和尋優(yōu)算法的設(shè)計，尤其是提高其速度和效率。(6)多變量模糊控制一個多變

7、量模糊控制器有多個輸入變量和輸出結(jié)果、一般采用結(jié)構(gòu)分解和分居分級結(jié)構(gòu)，利用多個簡單的模糊控制器進行組合，并兼顧多規(guī)則集之間的相互關(guān)系。3 模糊控制的進展 目前，模糊控制技術(shù)日趨成熟和完善。各種模糊產(chǎn)品充滿西方國家的市場，如模糊洗衣機、模糊吸塵器和模糊攝像機等等，模糊技術(shù)幾乎變得無所不能，各國都爭先開發(fā)模糊新技術(shù)和新產(chǎn)品。多年來一直未解決的穩(wěn)定性分析問題正在逐步解決。模糊芯片也已研制成功且功能不斷加強，成本不斷下降。直接采用模糊芯片開發(fā)產(chǎn)品己成為趨勢。模糊開發(fā)軟件包也充滿市場。模糊控制技術(shù)除了在硬件、軟件上繼續(xù)發(fā)展外，將在自適應(yīng)模糊控制、混合模糊控制以及神經(jīng)模糊控制上取得了較大發(fā)展。隨著其它學(xué)科

8、新理論、新技術(shù)的建立和發(fā)展，模糊理論的應(yīng)用更加廣泛。3.1 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合近年來，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅在各自的學(xué)科里取得了引入注目的進展，而且在這兩個學(xué)科的邊緣開辟了眾多研究新領(lǐng)域。兩者的相互滲透和有機結(jié)合必將引起電子產(chǎn)業(yè)和信息科學(xué)的新革命。3.2 模糊控制與遺傳算法的融合由于模糊邏輯控制所要確定的參數(shù)很多，專家的經(jīng)驗只能起一個指導(dǎo)作用，很難根據(jù)它準確地定出各項參數(shù)，因而實際上還要反復(fù)試湊，尋找一個最優(yōu)過程。通過改進遺傳算法，按所給優(yōu)化性能指標，對被控對象進行尋優(yōu)學(xué)習(xí)從而有效地確定模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。3.3 專家模糊控制專家模糊控制器EFC(Expert Fuzzy Con

9、troller)由RMTong提出，1984年他發(fā)表了關(guān)于模糊控制系統(tǒng)展望的論文，首先提出這一新概念。專家模糊控制系統(tǒng)是由專家系統(tǒng)技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3.4 模糊系統(tǒng)建模及參數(shù)變識建模與參數(shù)辯識是實現(xiàn)控制的重要基礎(chǔ),因此這一研究工作從1991年至今一直是模糊控制領(lǐng)域的熱門話題。系統(tǒng)模糊模型就是指采用與系統(tǒng)輸入輸出樣本數(shù)據(jù)相關(guān)的，能表示系統(tǒng)狀態(tài)的一組模糊規(guī)則來描述系統(tǒng)特征的、具有模糊性的表示形式。4 模糊控制在水泥回轉(zhuǎn)窯中的應(yīng)用水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾采用煙道擋板自然排風。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗以及水泥煅燒工藝流程，我們發(fā)現(xiàn)要保證水泥回轉(zhuǎn)窯熱工過程穩(wěn)定，這就必須保證窯尾廢氣溫度（BE） 和燒成帶溫度（B

10、Z） 的穩(wěn)定，這是加工高質(zhì)量水泥熟料的主要因素。另外還有一個反映水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒狀況的主要參數(shù)便是窯尾廢氣中的氧含量，目前我國還沒有一種合適可靠的應(yīng)用于水泥廢氣分析的氣體分析儀。所以在控制方案中將窯尾廢氣溫度（BE） 和燒成帶溫度（BZ） 作為被控量，控制量采用對BE和BZ影響明顯的窯速（KS）、喂煤電機轉(zhuǎn)速（CS） 以及對窯內(nèi)通風和溫度影響很大的窯尾排風擋板位置（ID）。在水泥的煅燒過程中，水泥生料的下料量與窯速、一次風量與喂煤量都要保持恒定的比例關(guān)系。圖1 水泥回轉(zhuǎn)窯的控制方案框圖4.1 模糊子集的選取分析水泥回轉(zhuǎn)窯工作過程及具體工藝流程，控制系統(tǒng)被控量與控制量模糊子集分別選取如下：B

11、Z:很低，低，較低，稍低，正常，稍高，較高，高，很高；BE:太低，低，正常，高，抬高；CS:多減，中減，稍減，保持，稍加，中加，多加；KS:大慢車，中慢車，小慢車，正常，小快車，中快車，大快車；ID:降低，不變，提高；4.2 模糊模型的辨識應(yīng)用推理合成法根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯的實測輸入輸出數(shù)據(jù)辨識其模糊控制規(guī)則。系統(tǒng)建立模糊控制規(guī)則的流程是：（1）與設(shè)計基本模糊控制器的方法類似，在被控量與控制量論域上建立模糊子集賦值表。假設(shè)各模糊子集在對應(yīng)的基本論域上隸屬度由正態(tài)分布確定。（2）分別建立雙輸入單輸出（X1， X2， y1），（X1， X2，y2），(X1，X2，y3） 情況下的模糊控制規(guī)則。（3）最后

12、，綜合雙輸入單輸出控制規(guī)則可獲得基于m維實測輸入輸出數(shù)據(jù)對所建立的水泥回轉(zhuǎn)窯模糊模型數(shù)據(jù)。圖2 水泥回轉(zhuǎn)窯模糊模型數(shù)據(jù)4.3 模糊濾波所采樣的輸入輸出數(shù)據(jù)對若受到噪聲污染（含測量噪聲污染以及過程噪聲污染） 會使當中一些輸入輸出模糊量內(nèi)含的模糊控制關(guān)系和控制系統(tǒng)真實的模糊模型不一致。例如，真實模糊關(guān)系應(yīng)是輸入X1為（太低）and輸入X2為（高），then輸出y1 為（稍加）；受噪聲污染的模糊關(guān)系可能是if X1 為（太低）and X2為（高），then 輸出y1為（稍減），這會影響辨識模型的精度。但假若按照模糊濾波的思想，將屬于或接近于X1為（太低）and X2為（高）的所有輸入輸出數(shù)據(jù)對劃分到

13、一類，并按特定方式構(gòu)建新的模糊集以辨識模糊模型，就能夠濾除噪聲的影響。4.4 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)流程圖4.5 控制效果本系統(tǒng)在水泥廠投運以來，通過和前期人工控制進行一個月的生產(chǎn)對比，經(jīng)濟效益是明顯的。具體表現(xiàn)在：日產(chǎn)量提高15.18t；fCaO降低7.2%；平均三天耐壓強度提高8.4%；平均三天抗折強度提高7.4%；降低煤耗15%；產(chǎn)品質(zhì)量有所提高。上述事實說明模糊控制理論在處理諸如具有時變、分布參數(shù)和非線性特性的水泥回轉(zhuǎn)窯熱工過程控制是有效的，有廣泛的推廣價值。5 模糊控制的展望模糊控制雖然已經(jīng)有不少的研究成果，而且也被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中但模糊控制的發(fā)展歷史還不長, 理論上的系統(tǒng)性和完善性、

14、技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性都還是遠遠不夠的, 尤其是模糊控制與其他智能化控制方法相結(jié)合的控制方法, 還有待于人們在實踐中得到驗證和進一步的提高。文獻2提到需要解決的兩個重要的問題是: 如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù), 以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻4對當前模糊控制的發(fā)展方向和在實際中的應(yīng)用提出了擔心, 一是發(fā)展方向上有些過分依賴數(shù)學(xué)模型, 另一是在應(yīng)用上并沒有比PID 更好用。文獻2、3都提到了模糊控制發(fā)展的九個方向, 除此外, 模糊控制在理論和應(yīng)用方面還應(yīng)在以下方向加強研究:( 1) 易于控制并且能消除靜態(tài)控制偏差的模糊PID 控制器, 且盡量減少可調(diào)參數(shù), 最好控制在三個以內(nèi);( 2) 模糊預(yù)

15、測控制, 就是把預(yù)測控制和模糊推理相結(jié)合也是很有吸引力的研究方向之一;( 3) 模糊控制應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物、金融、風險評估等新型領(lǐng)域。擴大模糊控制的應(yīng)用領(lǐng)域;( 4) 將遺傳算法或其它算法應(yīng)用于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 以提高運算速度和參數(shù)尋優(yōu)的結(jié)果;( 5) 尋找能夠具有自學(xué)習(xí)調(diào)整隸屬度函數(shù)的模糊。（6）最優(yōu)化模糊控制器設(shè)計的研究: 根據(jù)被提出的性能指標, 規(guī)范控制規(guī)則的設(shè)計依據(jù), 并在某種意義上達到最優(yōu)。(7) 加強開發(fā)簡單、實用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制裝置、通用模糊控制系統(tǒng)等。近年以來，模糊控制得到長足發(fā)展。它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及各各方面，控制方法也有廣很大進展，模糊控制器的性能不斷提高

16、。模糊控制系統(tǒng)易于接受，設(shè)計簡單，維護方便，而且比常規(guī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，魯棒性高。由于它的這些特點，模糊控制正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。6 總結(jié)通過這一學(xué)期課程的學(xué)習(xí)，使我對模糊控制這門課程有了深刻的認識，為以后的理論學(xué)習(xí)以及課題研究打下了堅實的基礎(chǔ)，在遇到實際工程問題的時候，自己對模糊控制和PID控制綜合應(yīng)用還是不太理解，通過上網(wǎng)查資料以及課上老師講授的知識，還有在老師無私的幫助下，將模糊控制和PID控制綜合運用到實際工程中，通過理論的學(xué)習(xí)和實踐兩者相結(jié)合，使理論能得到更進一步的落實，不斷的提高自己的學(xué)習(xí)水平。在這我十分感謝老師在這一學(xué)期對我們的悉心照顧，有什么問題都能夠給與我們細心的指導(dǎo)和解答，在這里向老師表示萬分感謝，我相信通過這學(xué)期課程的學(xué)習(xí)，會讓我受益匪淺。參考文獻1 易繼鍇, 侯媛彬編著. 智能控制技術(shù)M. 北京: 北京工業(yè)大學(xué)出版社, 1999 年9 月第一版2 劉