基于Matlab的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計論文

1、畢業(yè)設(shè)計論文基于Matlab的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真摘 要 恒溫箱在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中有著重要的作用，因此設(shè)計一個合適的溫度控制系統(tǒng)有著重要的意義，而恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)比較復雜，是一個大時滯、時變、非線性系統(tǒng)，很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型。目前主要采用經(jīng)典控制、智能控制和兩種控制算法相結(jié)合的控制算法對恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)進行控制。在本文中選定二階純滯后環(huán)節(jié)為控制對象的數(shù)學模型，對其分別采用PID控制算法，模糊控制算法和模糊PID算法對恒溫箱進行控制，并用Matlab對各算法進行仿真比較分析。通過對這幾種算法的仿真與研究，發(fā)現(xiàn)PID整定好的參數(shù)不能長期適應系統(tǒng)模型，需要不斷對控制器

2、參數(shù)進行整定，才能達到較好的控制效果；模糊控制不依賴于系統(tǒng)的精確模型，是解決不確定性系統(tǒng)的一種有效途徑，但控制精度不高，且量化因子和比例因子確定后，其適應能力有限制；而模糊PID控制方法具備了模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點，同時具有很強的魯棒性和適應能力。關(guān)鍵詞 大時滯系統(tǒng)，PID控制，模糊控制，模糊PID控制ABSTRACT As thermostat plays an important role in the production and scientific research, so designing a suitable temperature control system has

3、 an important significance. The thermostats temperature control system is complex, and is a large time lag, time-varing, nonlinear system, then it is difficult to establish an accurate mathematical model. Currently the classical control, intelligent control and their combined control algorithm are m

4、ain used for control the temperature control system. This paper selects second-order lag model for the control object, and uses PID control algorithm, fuzzy control algorithm and fuzzy PID algorithm to control thermostat and uses Matlab software for the simulation comparative analysis. By studying s

5、everal simulation we found that PID algorithm arranges the parameter cannot adapt a long time, and it need unceasingly be carried on the adjustment and achieve the anticipated effect. Fuzzy control does not depend on the precise object model and is an effective way to solve the uncertainty. But the

6、control accuracy is not high ,and when quantifiable factor and scale factor is determined ,its adaptable ability is restricted. As fuzzy PID control algorithm ,it not only combines the fuzzy control and PID control with their respective advantages, but also has a very strong sense of robustness and

7、adaptability. Key words:Time-lag system, PID control, Fuzzy control, Fuzzy PID control TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc31390 1.緒論 PAGEREF _Toc31390 1 HYPERLINK l _Toc8038 1.1選題的目的、意義 PAGEREF _Toc8038 2 HYPERLINK l _Toc8777 1.2對本課題涉及問題的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc8777 3 HYPERLINK l _Toc13146 1.2.1經(jīng)典控制 PAGEREF _To

8、c13146 3 HYPERLINK l _Toc10920 1.2.2智能控制 PAGEREF _Toc10920 4 HYPERLINK l _Toc7723 1.2.3結(jié)論 PAGEREF _Toc7723 5 HYPERLINK l _Toc27791 1.3主要解決的問題 PAGEREF _Toc27791 6 HYPERLINK l _Toc9996 2.PID控制及仿真 PAGEREF _Toc9996 7 HYPERLINK l _Toc25932 2.1微分先行PID算法7 PAGEREF _Toc25932 7 HYPERLINK l _Toc1362 2.2參數(shù)辨識 PA

9、GEREF _Toc1362 8 HYPERLINK l _Toc26907 2.3PID參數(shù)的整定 PAGEREF _Toc26907 9 HYPERLINK l _Toc13729 2.3.1PID參數(shù)的特點 PAGEREF _Toc13729 9 HYPERLINK l _Toc24091 2.3.2ZN經(jīng)驗公式法 PAGEREF _Toc24091 10 HYPERLINK l _Toc6524 2.4PID算法仿真 PAGEREF _Toc6524 10 HYPERLINK l _Toc27675 3.1模糊控制基本原理11 PAGEREF _Toc27675 12 HYPERLIN

10、K l _Toc15461 3.1.1模糊控制基本思想 PAGEREF _Toc15461 12 HYPERLINK l _Toc12225 3.1.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc12225 12 HYPERLINK l _Toc13040 3.1.3模糊控制的特點 PAGEREF _Toc13040 14 HYPERLINK l _Toc13259 3.2模糊控制器的設(shè)計12 PAGEREF _Toc13259 15 HYPERLINK l _Toc27507 3.3溫度模糊控制器的設(shè)計 PAGEREF _Toc27507 16 HYPERLINK l _Toc18815

11、3.3.1控制器結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc18815 16 HYPERLINK l _Toc17726 3.3.2模糊子集的選取 PAGEREF _Toc17726 16 HYPERLINK l _Toc24971 3.3.3模糊規(guī)則的確定 PAGEREF _Toc24971 18 HYPERLINK l _Toc10873 3.3.4模糊推理 PAGEREF _Toc10873 18 HYPERLINK l _Toc20700 3.4模糊控制仿真 PAGEREF _Toc20700 20 HYPERLINK l _Toc2594 3.4.1模糊控制仿真 PAGEREF _Toc2594

12、20 HYPERLINK l _Toc2357 4.模糊PID控制及仿真 PAGEREF _Toc2357 21 HYPERLINK l _Toc15035 4.1模糊PID控制器結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc15035 21 HYPERLINK l _Toc19351 4.2模糊控制器的設(shè)計 PAGEREF _Toc19351 21 HYPERLINK l _Toc21418 4.2.1模糊子集的選取 PAGEREF _Toc21418 21 HYPERLINK l _Toc19117 4.2.2模糊規(guī)則的建立 PAGEREF _Toc19117 22 HYPERLINK l _Toc149

13、39 4.2.3模糊推理及模糊決策 PAGEREF _Toc14939 25 HYPERLINK l _Toc9695 4.3模糊PID控制的仿真 PAGEREF _Toc9695 25 HYPERLINK l _Toc18843 參考文獻 PAGEREF _Toc18843 26 HYPERLINK l _Toc10682 答 謝 PAGEREF _Toc10682 27恒溫箱主要用來控制溫度，在目前工業(yè)生產(chǎn)及科學研究中有著重要的作用，因此設(shè)計一個高精度的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)有著重要的實際意義和應用價值。為了控制恒溫箱的溫度，常采用最早在時滯系統(tǒng)控制中應用的經(jīng)典控制方法和近年來受到廣泛關(guān)注的智

14、能控制方法，同時二者相結(jié)合的復合控制方法由于具有二者的優(yōu)點，因此也逐漸受到廣泛的應用。本文中主要介紹PID控制算法、模糊控制算法及模糊PID控制算法對恒溫箱的溫度控制。1.1選題的目的、意義恒溫箱主要用來控制溫度，目前廣泛的應用于實驗室及科研工廠、企業(yè)等，同時它也為農(nóng)業(yè)研究、生物技術(shù)測試提供所需要的各種環(huán)境模擬條件。因此可以廣泛適用于藥物、紡織、食品加工等無菌試驗、穩(wěn)定性檢查以及工業(yè)產(chǎn)品的原料性、產(chǎn)品包裝、產(chǎn)品壽命等測試。恒溫箱還可供科研機關(guān)及醫(yī)院做細菌培養(yǎng)之用，也可作育種、發(fā)酵以及大型養(yǎng)殖孵化等用途1?？傊銣叵湓谀壳肮I(yè)生產(chǎn)及科學研究中有著重要的作用，因此設(shè)計一個高精度的溫度控制系統(tǒng)有著

15、重要的實際意義和應用價值。Matlab是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境2。它可以實現(xiàn)對眾多控制的仿真，而且仿真的效果好，可以直觀的反應控制的效果，因此用Matlab對恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)進行仿真可以檢測算法的正確性以及實用性。為了實現(xiàn)對恒溫箱的溫度控制,常采用最早在時滯系統(tǒng)控制中應用的經(jīng)典控制方法和近年來受到廣泛關(guān)注的智能控制方法，同時二者相結(jié)合的復合控制方法由于具有二者的優(yōu)點，因此也逐漸受到廣泛的應用。經(jīng)典控制所謂經(jīng)典控制方法是指針對時滯系統(tǒng)控

16、制問題提出并應用得最早的控制策略，主要包括PID控制、Smith預估控制、大林算法這幾種方法。PID控制器由于具有算法簡單，魯棒性好和可靠性高等特點，因而在實際控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應用。PID控制的難點在于如何對控制參數(shù)進行整定，以求得到最佳控制效果3。然而PID在時滯過程中的應用受到一定的限制,由于PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時變的情況下,才能獲得理想效果。當一個調(diào)好參數(shù)PID控制器被應用到模型參數(shù)時變系統(tǒng)時,系統(tǒng)的性能會變差,甚至不穩(wěn)定4。尤其對于時滯較大,即額定時滯的系統(tǒng),常規(guī)PID控制往往無能為力。但是,可以將它與其他的方法結(jié)合起來改善時滯過程的控制效果,從而可以繼續(xù)發(fā)揮PI

17、D控制的優(yōu)點。許多學者提出了多種模糊PID控制算法,設(shè)計了多種模糊PID控制器,如與時間無關(guān)的確定性模糊PID控制器,自適應模糊PID控制器,使得控制性能得到了很大的改善。PID控制可以和模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來,即基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊自適應PID控制方法。Smith預估器是得到廣泛應用的時滯系統(tǒng)控制方法，該方法是一個時滯預估補償算法。它通過估計對象的動態(tài)特性,用一個預估模型進行補償,從而得到一個沒有時滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器,使得整個系統(tǒng)的控制就如沒有時滯環(huán)節(jié),減小超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且加速調(diào)節(jié)過程,提高系統(tǒng)的快速性5。理論上Smith預估器可以完全消除時滯的影響,但是在實際應用中卻不

18、盡人意,主要原因在于:Smith預估器需要確知被控對象的精確數(shù)學模型,當估計模型和實際對象有誤差時,控制品質(zhì)就會嚴重惡化,因而影響了Smith預估器在實際應用中的控制性能6。于是在Smith預估器的基礎(chǔ)上,許多學者提出了擴展型的或者改進型的方案,這些方案包括:多變量Smith預估控制,非線性系統(tǒng)的Smith預估器,改進的Smith預估器,自適應的Smith預估控制器。大林算法是由美國IBM公司的Dahlin于1968年針對工業(yè)過程控制中的純滯后特性而提出的一種控制算法。該算法的目標是設(shè)計一個合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z)，使整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的

19、純滯后時間等于被控對象的純滯后時間3。大林算法方法比較簡單，只要能設(shè)計出合適的且可以物理實現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z)，就能夠有效地克服純滯后的不利影響，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用。但它的缺點是設(shè)計中存在振鈴現(xiàn)象，且與Smith算法一樣，需要一個準確的過程數(shù)字模型，當模型誤差較大時，控制質(zhì)量將大大惡化，甚至系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。智能控制智能控制是一類無需人的干預就能夠獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制，它包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等7。模糊控制是智能控制較早的形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點，從廣義上講，模糊邏輯控制指的是應用模糊集合理論，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的一種控制方式，模糊控制不需

20、要精確的數(shù)學模型，是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。模糊控制是一種基于專家規(guī)則的控制方法。在時滯過程中,模糊控制一般是針對誤差和誤差變化率而進行的,將輸入量的精確值模糊化,根據(jù)輸入變量和模糊規(guī)則,按照模糊推理合成規(guī)則計算控制量,再將它清晰化,得到精確輸出控制過程，其中模糊規(guī)則是最重要的。但是,模糊控制存在控制精度不高、算法復雜等缺點8。因此如果能結(jié)合其它的算法來提高它的控制精度,那將是非常有效的，例如模糊Smith控制器、模糊自適應控制器、模糊PID控制算法等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究和利用人腦的某些結(jié)構(gòu)機理以及人的知識和經(jīng)驗對系統(tǒng)的控制。人們普遍認為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的智能性、魯棒性均較好，能

21、處理高維、非線性、強耦合和不確定性的復雜工業(yè)生產(chǎn)工程的控制問題，其顯著特點是具有學習能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢在于能夠充分逼近任意復雜的非線性系統(tǒng)，且有很強的魯棒性和容錯性。一般來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制有兩種方法，一種是用來實現(xiàn)建模，一種是直接作為控制器使用。與模糊控制一樣，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在算法復雜的缺點，同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習和訓練比較費時，對訓練集的要求也很高8。結(jié)論經(jīng)典控制方法由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性及實用性強等特點，在實際生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應用。但它們都是基于參數(shù)模型的控制方法，因而自適應性和魯棒性差、對模型精確性要求高、抗干擾能力差。而智能控制是非參數(shù)模型的控制方法，因而在魯棒性、抗干擾能力

22、方面有很大的優(yōu)勢。但智能控制也有其不足之處，即理論性太強，算法過于復雜，大多數(shù)方法還僅局限于理論和仿真研究，能在試驗裝置上和工業(yè)生產(chǎn)中應用的并不多。根據(jù)這兩類控制方法的特點，將它們結(jié)合起來進行復合控制是一種有效的時滯系統(tǒng)控制策略，成功的應用有模糊PID控制、模糊Smith控制、神經(jīng)元Smith預估控制、Smith-NN預估控制等。這些方法既能利用經(jīng)典控制方法結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和實用性強的特點，又能發(fā)揮智能控制自適應性和魯棒性好，抗干擾能力強的優(yōu)勢，彌補了各自的不足，在大時滯控制系統(tǒng)中具有很好的應用前景。在本次設(shè)計中，主要是對恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的控制算法進行研究。對恒溫箱分別采用PID控制算法，模

23、糊控制算法和模糊PID算法進行控制，并通過Matlab仿真，得到控制的結(jié)果，然后分別與預期目標進行比較，檢驗各種算法能否滿足要求，同時也對各種算法進行比較，選擇較好的控制策略。對于PID控制算法，主要研究當取不同數(shù)學模型時對系統(tǒng)性能的影響；對于模糊控制算法，重點在于模糊控制器的設(shè)計、模糊子集的選取、模糊規(guī)則的確立以及模糊推理；對于模糊PID算法，模糊控制器以誤差E和誤差變化率EC作為輸入，控制的關(guān)鍵是找出PID三個參數(shù)、和與E和EC之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測E和EC，再根據(jù)模糊控制原理來實現(xiàn)對、和的在線修改，從而滿足控制的要求。PID控制器由于具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，控制精度高等優(yōu)點

24、，廣泛應用于工業(yè)控制過程中。而工業(yè)控制過程本身由于機理復雜，時變，時滯等原因，其精確地數(shù)學模型很難得到，一些高階對象通過降階，一般用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來近似。但是在一個具有純滯后的系統(tǒng)中，采用常規(guī)的PID控制時，存在的主要缺點是動態(tài)響應指標較差9。系統(tǒng)承受擾動后，往往會出現(xiàn)明顯的超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間也較長，然而在有些場合，大的超調(diào)是不允許的，因此在PID控制的基礎(chǔ)上，提出了微分先行PID控制算法。10微分先行PID控制的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其特點是對輸出量進行微分，而對給定值不作微分。這樣,在改變給定值時，輸出不會改變，而被控量的變化通常是比較緩和的。這種輸出量先行微分控制適用于給定值頻繁提

25、降的場合，可以避免給定值升降所引起的系統(tǒng)振蕩，從而明顯地改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。R（s）Y（s）Y（s）+ 圖1 微分先行PID控制結(jié)構(gòu)圖如圖所示，微分部分的傳遞函數(shù)為：，則，由差分得，其中，本文采用時域測定法確定被控系統(tǒng)的參數(shù)，時域測定的主要過程是對被測控制系統(tǒng)或?qū)ο笤谳斎攵耸┘与A躍擾動輸入信號，而在輸出端測繪其輸出量隨時間變化的響應曲線；或者施加脈沖輸入，測繪輸出的脈沖響應，再對響應曲線的結(jié)果進行分析，確定被研究對象的傳遞函數(shù)。時域測定法所采用的測試設(shè)備簡單，測試工作量小，因而應用廣泛。采用時域法確定被測系統(tǒng)或?qū)ο蟮臄?shù)學模型時，需要在被測對象上人為地施加階躍輸入信號，然后測定被測對象的輸出響應

26、曲線，從而求出其傳遞函數(shù)8。在本文中，采用二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)近似恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：。對溫度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參數(shù)進行辨識，得到k=5,=8,1,10。則被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：。PID參數(shù)的整定，主要是確定、和,對一個結(jié)構(gòu)和控制算式的形式已定的控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量的好壞主要取決于選擇的參數(shù)是否合理。在本文中采用ZN經(jīng)驗公式法對PID控制器的參數(shù)進行整定。ID參數(shù)的特點在PID控制中、具有以下特點:（1)比例增益增大，可以加快響應速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至導致不穩(wěn)定；（2)積分作用主要是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，加強積分作用，有利于

27、減小系統(tǒng)靜差，但是過大，會加大超調(diào)，甚至引起振蕩；（3)微分作用可以改善動態(tài)性能，增大微分增益，有利于加快系統(tǒng)響應，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對擾動敏感，抑制外擾能力減弱；若過大，會使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)超調(diào)減速，調(diào)節(jié)時間增長；反之，若過小，系統(tǒng)響應變慢，穩(wěn)定性變差。ZN經(jīng)驗公式法對于一個經(jīng)典的PID控制器，其傳遞函數(shù)為，對于二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)，經(jīng)驗公式為，11。由上述公式可得：=93.75,=10，=2.5。 通過上文的分析，確定了系統(tǒng)的參數(shù)，在MATLAB環(huán)境下，建立Simulink仿真框圖，對控制系統(tǒng)進行仿真并檢測控制效果。恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)是一個時滯系統(tǒng)，數(shù)學模型很難確立，采用經(jīng)典控

28、制理論對系統(tǒng)進行控制比較困難。而模糊控制的最大優(yōu)點就是不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，是將人的控制經(jīng)驗進行總結(jié)，借助于模糊數(shù)學工具，通過模糊推理來實現(xiàn)對恒溫箱的溫度控制。模糊控制屬于智能控制，適用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)，同時模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)整定方便，因此它成為目前智能控制中一種重要的方式12。13模糊控制基本思想模糊控制的基本思想是把專家對特定的控制對象或控制過程的控制策略總結(jié)為以“IF-THEN”表達式形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制集，作用于被控對象。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)，就是確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。一般選取誤差信號

29、E（或e）和誤差變化信號EC（或ec）作為模糊控制器的輸入變量，而把受控變量的變化y作為輸出變量。通常模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：如圖所示，模糊控制器主要由模糊化、知識庫、模糊推理、清晰化四部分組成，各部分的作用概述如下：模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過程如下：首先對這些輸入量進行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量；將上述已經(jīng)處理過的輸入量進行轉(zhuǎn)換，使其變換到各自的論域范圍；將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應的模糊集合來表示。知識庫中包含了具體應用領(lǐng)域中的知識和要求的控

30、制目標。它通常有數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫主要包括各語言變量的隸屬度函數(shù)，尺度變換因子及模糊空間的分級數(shù)等；規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則。它們反應了控制專家的經(jīng)驗和知識；模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關(guān)系及模糊推理規(guī)則來進行的。清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量變換為實際用于控制的清晰量。它包含以下兩部分內(nèi)容：將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換，變成表示在論域范圍的清晰量；將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換成實際的控制量。模糊控制的特點模糊控制與經(jīng)典控制相比，具有以下的優(yōu)點：模糊控制不需要精確的數(shù)學模

31、型，是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。模糊控制是一種非線性控制，適用于范圍很廣，適宜于非線性系統(tǒng)的控制。（3）模糊控制具有較強的魯棒性，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，可用于有時變、非線性等特性的復雜系統(tǒng)的控制。（4）模糊控制的機理符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，由工業(yè)過程的定性過程出發(fā)，較易建立語言變量控制規(guī)則。（5）模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平。同時模糊控制還具有如下的缺陷：模糊控制對比較復雜的不確定性系統(tǒng)進行控制時往往精度較低，總結(jié)控制規(guī)則過分依賴現(xiàn)場操作，調(diào)試時

32、間長。模糊控制過多的依賴控制經(jīng)驗，由于沒有被控對象的模型，在投入運行之前就很難進行穩(wěn)定性、魯棒性等閉環(huán)分析。14模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，模糊控制器的設(shè)計成功與否直接影響模糊控制系統(tǒng)的性能。因此設(shè)計一個合適的模糊控制器對于模糊控制有著重要的作用，模糊控制器的設(shè)計如以下步驟:選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)，就是確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量，一般模糊控制器的輸入變量是誤差和誤差變化率，輸出一般選受控變量的變化量。按照輸入變量數(shù)目的不同可以把模糊控制器分為：單變量模糊控制器和多變量模糊控制器，而單變量模糊控制輸入的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制效果也越好，但是

33、實現(xiàn)起來也越困難，而維數(shù)太低的模糊控制器，控制效果又不理想，因此目前最典型的模糊控制器是二維模糊控制器，即輸入為誤差E和誤差變化率EC。選取模糊控制規(guī)則選定描述控制器輸入和輸出變量的語義詞匯我們稱這些語義變量詞匯為變量的模糊狀態(tài)。如果選擇比較多的詞匯，那么制定規(guī)則就比較靈活，形成的規(guī)則就比較精確，不過，這種控制規(guī)則比較復雜，且不易制訂。因此，在選擇模糊狀態(tài)時，必須兼顧簡單性和靈活性。在實際應用中，通常選取7至9個模糊狀態(tài)，即正大、正中、正小、負小、負中、負大和零7個模糊狀態(tài)加上正零和負零2個模糊狀態(tài)。規(guī)定模糊集模糊集表示各種模糊狀態(tài)，當輸入誤差在高分辨率的模糊子集上變化時，有輸入誤差引起的輸出

34、變化比較劇烈。反之，當輸入誤差在低分辨率的模糊子集上變化時，所引起輸出變化比較平緩。因此，對于誤差變化范圍較大的情況，應采用分辨率較低的模糊子集，而當誤差接近零時采用分辨率高的模糊子集。對應于誤差E的語言變量，可分為下列7個模糊狀態(tài)：PL,PM,PS,ZE,NS,NM,NL。對應于誤差變化率EC的語言變量，可分為7個模糊狀態(tài)：PL,PM,PS,ZE,NS,NM,NL。確定模糊化的解模糊策略與模糊化相反，模糊推理得到的是模糊集合的形式，而對于實際的控制則必須為清晰量，因此需要將模糊量轉(zhuǎn)換成清晰量，常用的解模糊方法有最大隸屬度法，中位數(shù)法和重心法?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖所示，輸入量為誤差E和誤差變化率EC

35、UYEe+RA/D被控對象模糊 控制器D/AEC-dt/de溫度傳感器 圖3 溫度模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖模糊子集的選取輸入變量(E),輸入變量的一階導數(shù)(EC)和輸出變量U的模糊子集如下:E=NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL；EC=NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL；U=NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL；其中NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL分別為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。選取各輸入量與輸出量的論域為:輸入變量(E)的模糊論域取-6，-5，-4，-3，-2，-1 ，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6；輸入變量(EC)的模糊論域取-6，-5，-4，-3

36、，-2，-l，O，+l，+2，+3，+4，+5，+6；輸出變量(U)的模糊論域取-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3， +4，+5，+6。輸入輸出變量的隸屬度賦值表如表1所示： 表1 輸入輸出變量隸屬度賦值表模糊集合隸屬度元素-6-5-4-3-2-10123456 PLPMPSZENSNMNL模糊規(guī)則的確定模糊規(guī)則基于操作人員長期積累的控制經(jīng)驗和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān)知識經(jīng)過歸納整理所形成，它是對被控對象進行控制的一個知識模型，利用這個模糊模型，可以設(shè)計出比較理想的控制器。本文中制定的模糊規(guī)則如下表2所示： 表2 控制系統(tǒng)的模糊規(guī)則U ENLNMNSZEPSPMPL ECNLNLN

37、LNLNLNMNSZENMNLNLNLNMNSZEPSNSNLNLNMNSZEPSPMZENLNMNSZEPSPMPLPSNMNSZEPSPMPLPLPMNSZEPSPMPLPLPLPLZEPSPMPLPLPLPL模糊推理（1）根據(jù)控制規(guī)則表編寫對應的模糊推理語句；（2）模糊推理，利用Mamdani推理法進行推理；（3）利用重心法進解模糊，根據(jù)模糊規(guī)則表取定的每一條模糊條件語句都計算出相應的模糊控制量U，由模糊推理合成規(guī)則，可得如下關(guān)系式：，以此得出模糊控制表。實時控制時，根據(jù)輸入偏差與輸入量偏差變化率的模糊值直接查找控制表，獲得控制量。為實現(xiàn)基本模糊控制器的控制，一般的作法是將上述各表存放到

38、微處理器中。在過程控制中，計算機直接根據(jù)采樣和論域變換得來的以論域元素形式表現(xiàn)的誤差和誤差變化率，由查詢表的第i行和第j列找到跟誤差和誤差變化率對應的，同樣以論域元素形式表現(xiàn)的控制量乘以比例因子得到實際控制量作用于執(zhí)行機構(gòu)。即模糊控制策略通過離線計算和在線查詢實現(xiàn)，以得到較好的控制品質(zhì)和良好的實時性。 表3 模糊控制表ECUE-6-5-4-3-2-10123456 -6-6-5-6-5-3-3-3-2-10000-5-5-5-5-5-3-3-3-2-10000-4-6-5-6-5-3-3-3-2-10000-3-5-5-5-5-4-4-4-211111-2-6-5-6-5-3-3-102233

39、3-1-6-5-6-5-3-300223330-6-5-6-5-3-101223331-3-3-3-20013356562-3-3-3-10013356563-1-1-10001336666400 0 1123335656500 0 1123335555600 0 1113335656模糊控制仿真同PID控制中所介紹的，取同一控制對象，其傳遞函數(shù)為，在MATLAB環(huán)境下，構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)模型，對并其進行仿真實驗，模糊PID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。模糊PID控制的優(yōu)點是它不要求掌握受控對象的數(shù)學模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后采用模糊推理的方法實

40、現(xiàn)PID參數(shù)、和的在線自整定，不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強、控制精度高等優(yōu)點，而且具有模糊控制的靈活性、適應性強等優(yōu)點15。模糊PID控制器是以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理思想，根據(jù)不同的E和EC對PID的參數(shù)進行在線自整定，控制器由兩部分組成，即常規(guī)PID控制部分和模糊推理的參數(shù)校正部分16。模糊PID控制器原理框圖如圖4所示：模糊子集的選取PID參數(shù)模糊自整定是找出PID的3個參數(shù)與E和EC之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷檢測E和EC，根據(jù)模糊控制規(guī)則對3個參數(shù)進行在線修正，從而使被控對象具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。因此，選擇系統(tǒng)偏差E和偏差變化率EC作為模糊

41、控制器的輸入量，而、和作為輸出量。各個變量的模糊子集取為：NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL，論域均為：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，考慮到對論域的覆蓋程度和靈敏度，以及穩(wěn)定性和魯棒性原則，各模糊子集采用三角形隸屬函數(shù)，如圖5所示為各變量的隸屬度函數(shù)示意圖。 e模糊推理模糊推理模糊化模糊化ec清晰化清晰化TdTiKpYPID控制器PID控制器+R被控對象被控對象de/dt 圖4 模糊PID控制原理圖 圖5 變量的隸屬度函數(shù)模糊規(guī)則的建立模糊控制器的核心是“IF.THEN.”形式的模糊控制規(guī)則，控制規(guī)則的選取直接關(guān)系到系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣，是設(shè)計的關(guān)鍵。PI

42、D參數(shù)的調(diào)整必須考慮到不同時刻3個參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。根據(jù)已有的控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗以及參數(shù)、和對系統(tǒng)輸出特性的影響關(guān)系,歸納出在一般情況下,在不同的和時,被控過程對參數(shù)、和的自調(diào)整規(guī)則如下：（1）當較大時,為加快系統(tǒng)響應速度并防止起始偏差E瞬間變大可能引起微分過飽和,而使控制作用超出許可范圍,應取較大的和較小的；同時,為避免系統(tǒng)因積分飽和所引起的較大超調(diào),應對積分作用加以限制,通常取=0。（2）當和為中等大小時,為使系統(tǒng)響應的超調(diào)較小,應取得小一些。在這種情況下,的取值對系統(tǒng)的影響較大,要取適當?shù)暮汀?3當較小時,為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應增加和的值；同時，為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值

43、附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的干擾性能，應適當?shù)剡x取的值，其原則是：當較小時，可取得大些，通常取為中等大小;當較大時,應取小些17。根據(jù)上述分析同時考慮三個參數(shù)之間的相互影響,建立控制規(guī)則，與E，EC的模糊關(guān)系分別如表4，表5，表6所示： 表4 與E和EC的模糊關(guān)系EC ENLNMNSZEPSPMPLNLPLPLPMPMPSPSZENMPLPLPMPMPSZEZENSPMPMPMPSZENSNMZEPMPSPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMZEZENSNMNMNMNLPLZENSNSNMNMNLNL表5 與E和EC的模糊關(guān)系 ECENLNMNSZEPSPMPLNLNLNLNLNM

44、NMZEPLNMNLNLNMNMNSZEZENSNMNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPSPMPMZEZEPSPMPMPMPLPLZEZEPSPMPLPLPL表6 與E和EC的模糊關(guān)系EC ENLNMNSZEPSPMPLNLPLPSZEZEZEPLPLNMNSNSNSNSZEPSPMNSNLNLNMNSZEPSPMZENLNMNMNSZEPSPMPSNLNMNSNSZEPSPSPMNMNSNSNSZEPSPSPLPSZEZEZEZEPLPL模糊推理及模糊決策（1）根據(jù)控制規(guī)則表編寫對應的模糊推理語句；（2）模糊推理，利用Mamdani推理法進行推理

45、；（3）利用重心法進行模糊決策，計算式為:，其中是加權(quán)系數(shù) 。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，應用模糊合成推理設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計算:式中:， 為PID三個控制參數(shù)的取值。在線運行過程中,控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果進行處理、查表和運算,完成PID控制法的自校正,使控制器達到最優(yōu)。參考文獻1 宋子巍，陳思忠，楊林 模糊PID控制的MATlAB仿真分析，北京：北京理工大學2 李正軍 計算機控制系統(tǒng)，北京：機械工業(yè)出版社，2005.13 愈瑞釗，史濟建 人工智能原理與技術(shù)，浙江：浙江大學出版社，19934 張志杰 燃煤鍋爐模糊PID控制算法研究與

46、引用，大慶石油學院6 李洪興，王加銀，苗志宏 模糊控制系統(tǒng)的建模，中國科學，A輯，20027 樓世博，孫章，陳化成 模糊數(shù)學，科學出版社，19829 屠乃威，付華，閻馨 參數(shù)自適應模糊PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應用，遼寧工程技術(shù)大學10 耿瑞 基于MATLAB的自適應模糊PID控制系統(tǒng)計算機仿真，哈爾濱，載信息技術(shù)學報，2006第1期11 劉金琨 先進PID控制及其MATLAB仿真，北京：電子工業(yè)出版社，2003答 謝在論文完成之際，我要向所有關(guān)心過我和幫助過我的老師和同學致以最真摯的謝意。首先要感謝的是王彩霞老師，王老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段都給予了我細心的指導。王老

47、師精深的專業(yè)水平和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。在我的論文完成過程中，我宿舍的同學在學習上和生活上給了我很大的幫助，在此要向他們表示感謝。和我一組的同學在我寫論文的過程中，通過討論和交流給了我很大的幫助，我也要向他們表示感謝。我還要感謝四年來為我傳道授業(yè)解惑的各位任課老師，他們的教導讓我終生受益。另外，十分感謝西北民族大學和電氣工程學院給了我這么好的學習機會?，F(xiàn)在，我把自己20多年來的班主任工作經(jīng)驗，總結(jié)如下，一并贈送給您，希望能幫到您：讓每一個學生都有輝煌的明天 我的治班方略我很欣賞一句話，那就是“教師的工作是托起明天的太陽”。是啊，我們今天的一切工作，不

48、就是為了每一個學生都能擁有一個輝煌的未來嗎？那么，如何為孩子未來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)？是值得每一位教師，尤其是班主任教師的深思。因為班主任是學校具有特殊身份的教育者。作為班級的教育者和組織者，在班集體的發(fā)展和學生的健康成長中起著十分重要的作用。我從參加工作至今，二十多年來一直擔任班主任工作，回憶這些年帶班所走過的每一步，品味著工作帶給我的欣慰和快樂，更加堅定了我做一名優(yōu)秀班主任的信念和決心。經(jīng)過多年的實踐探索和學習思考，我的治班理念已經(jīng)逐漸明朗，那就是“以情育人，用愛心點燃學生心靈的火花；活動育人，用豐富多彩的活動促進學生全面發(fā)展”。一位教育家曾經(jīng)說過：“猶如沒有水，就不能稱其為池塘一樣，沒有

49、感情，沒有愛，也就沒有教育?！惫ぷ鞫嗄陙恚覐臎]有放棄過教師自身素質(zhì)的培養(yǎng)，從教中學，從學中教，樂此不疲。用我的真誠、愛意透視學生純潔而又豐富的內(nèi)心世界，喚起學生對愛和真誠的追求，感染學生、浸潤學生渴望理解的心田，用充滿愛的語言去撫慰一顆顆幼小的心靈。一、關(guān)愛學生，用愛撐起一片藍天、溝通是教育的前提。師生之間如果缺乏了解和溝通，感情就會有隔膜，教育就無從展開。溝通應從了解開始。蘇聯(lián)著名教育家烏申斯基說過：如果教育家希望從一切方面去教育人，那么就必須從一切方面去了解人。因此，我在班級管理工作中，經(jīng)常通過不同方法與學生交流，在交流中了解每個同學的家庭情況、性格特點、愛好、健康狀況及學習變化。例如，我在與如今所帶班級學生的交流中得知班內(nèi)三名同學生活在單親家庭時，一種憐愛之情，一種