常規(guī)控制的智能化教材

常規(guī)控制的智能化

智能控制導(dǎo)論課程作業(yè)1.什么是常規(guī)控制的智能化

概述 1.1智能控制發(fā)展的歷程 1.2常規(guī)控制方法及其存在的問(wèn)題 1.3智能PID控制的基本概念2.模糊PID控制的思想和原理

概述

2.1數(shù)學(xué)概念 2.2模型建立 2.3參數(shù)整定3.最新研究進(jìn)展4.評(píng)價(jià)附.主要參考文獻(xiàn)主要內(nèi)容概述人類的進(jìn)化歸根結(jié)底是智能的進(jìn)化，而智能的進(jìn)化又反過(guò)來(lái)促進(jìn)人類的進(jìn)化。我們學(xué)習(xí)和研究科技，其目的是在于創(chuàng)造和應(yīng)用“智能”，因此智能化是科技發(fā)展和人類進(jìn)步的必然趨勢(shì)。1.什么是常規(guī)控制的智能化1.什么是常規(guī)控制的智能化在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上，控制科學(xué)同其他技術(shù)科學(xué)一樣，他的產(chǎn)生與發(fā)展主要由人類的生產(chǎn)發(fā)展需求和當(dāng)時(shí)的知識(shí)水平所決定和限制的。20世紀(jì)前頁(yè)，在世界大戰(zhàn)催生下，控制科學(xué)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。許多經(jīng)典控制思想和方法被提出，并廣泛應(yīng)用到電子通訊、航空航天和機(jī)械制造工業(yè)等領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，由于空間技術(shù)、海洋技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展的需要，控制領(lǐng)域面臨著被控對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性，以及人們對(duì)控制性能要求越來(lái)越高的挑戰(zhàn)。被控對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性表現(xiàn)在對(duì)象特性高度非線性和不確定性、高噪聲干擾、系統(tǒng)工作點(diǎn)動(dòng)作的突變性、以及分散的傳感元件與執(zhí)行元件、分層和分散的決策機(jī)構(gòu)、復(fù)雜的信息模式和龐大的數(shù)據(jù)源。由此，智能控制應(yīng)運(yùn)而生。1.什么是常規(guī)控制的智能化1.1智能控制的發(fā)展歷程1.什么是常規(guī)控制的智能化

智能控制思想最早是由美國(guó)普渡大學(xué)的K.S.Fu教授于60年代中期提出的，他在1965年發(fā)表的論文中率先提出把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)系統(tǒng)，這篇開(kāi)創(chuàng)性論文為自動(dòng)控制邁向智能化揭開(kāi)了嶄新的一頁(yè)。圖.普頓大學(xué)70年代關(guān)于智能控制的研究是對(duì)60年代這一思想雛形的進(jìn)一步深化，是智能控制的誕生和形成期.1974年，英國(guó)的Mamdani教授首次成功地將模糊邏輯用于蒸汽機(jī)控制，開(kāi)創(chuàng)了模糊控制的新方向；

1.什么是常規(guī)控制的智能化1977年，Saridis的專著出版，并于1979年發(fā)表了綜述文章，全面地論述了從反饋控制到最優(yōu)控制、隨機(jī)控制及至自適應(yīng)控制、自組織控制、學(xué)習(xí)控制，最終向智能控制發(fā)展的過(guò)程，提出了智能控制是人工智能、運(yùn)籌學(xué)、自動(dòng)控制相交叉的“三元論”思想及分級(jí)遞階的智能控制系統(tǒng)框架.圖.薩里迪斯（Saridis）80年代，智能控制的研究進(jìn)入了迅速發(fā)展時(shí)期：1984年，Astrom發(fā)表了論文，這是第一篇直接將人工智能的專家系統(tǒng)技術(shù)引入到控制系統(tǒng)的代表，明確地提出了建立專家控制的新概念；

1.什么是常規(guī)控制的智能化

與此同時(shí)，Hopfield提出的Hopfield網(wǎng)絡(luò)及Rumelhart提出的BP算法為70年代以來(lái)一直處于低潮的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究注入了新的活力，繼60年代Kilmer和McClloch提出KBM模型實(shí)現(xiàn)對(duì)“阿波羅”登月車的控制之后，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再次被引入控制領(lǐng)域，并迅速得到了廣泛的應(yīng)用，從而開(kāi)辟了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；圖.霍普費(fèi)爾德（Hopfield）1985年8月，IEEE在美國(guó)紐約召開(kāi)了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)；1987年1月，在美國(guó)費(fèi)城由IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)與計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)聯(lián)合召開(kāi)了第一屆智能控制國(guó)際會(huì)議，這標(biāo)志著智能控制作為一門(mén)新學(xué)科正式建立起來(lái).

1.什么是常規(guī)控制的智能化圖、美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)1.什么是常規(guī)控制的智能化控制思想的進(jìn)步促進(jìn)了控制技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)的實(shí)踐又反過(guò)來(lái)證實(shí)和豐富了控制思想。在20世紀(jì)后半頁(yè)智能控制思想日趨成熟的同時(shí)，常規(guī)控制技術(shù)也逐漸引入智能控制思想，逐步實(shí)現(xiàn)了智能化。常規(guī)控制智能化的實(shí)質(zhì)是控制技術(shù)從低級(jí)走向高級(jí)、從簡(jiǎn)單走向復(fù)雜的一個(gè)過(guò)程，是控制技術(shù)為解決實(shí)際問(wèn)題而做出的改革與創(chuàng)新。PID控制是常規(guī)控制中最具有代表性的控制方法，是工程應(yīng)用中最為頻繁的控制。所以本次闡述僅以PID控制為研究對(duì)象，對(duì)其智能化方法進(jìn)行闡述。

1.2典型常規(guī)控制及其存在的問(wèn)題PID控制器問(wèn)世至今已有幾十年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便這些優(yōu)點(diǎn)而成為工業(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)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。1.什么是常規(guī)控制的智能化

1.2典型常規(guī)控制及其存在的問(wèn)題PID控制中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，就是控制器三參數(shù)（比例系數(shù)（P）、積分時(shí)間(I)、微分時(shí)間(D)）的整定。整定的好壞不但會(huì)影響到控制質(zhì)量，而且還會(huì)影響到控制器的魯棒性（指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大小）的參數(shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性）。1.什么是常規(guī)控制的智能化連續(xù)時(shí)間PID控制器方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為：式中：Kp、Ti、Td

分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益（比例系數(shù)）、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù),u0為偏差e=0

時(shí)的調(diào)節(jié)器輸出,又稱之為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。1.什么是常規(guī)控制的智能化由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已將工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和單片機(jī)等應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中，并形成多級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的PID控制，首先必須將上式離散化：在控制器的采樣時(shí)刻t=kT時(shí)：

當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用后項(xiàng)差分代替微分即：

因此，PID的數(shù)字算式如下：式1.什么是常規(guī)控制的智能化數(shù)字PID又可寫(xiě)成：

上面兩個(gè)算式又被稱為PID位置算式。

式中：被稱為積分系數(shù)；

被稱為微分系數(shù)；1.什么是常規(guī)控制的智能化數(shù)字PID算法的改進(jìn)

積分的作用：消除殘差，提高精度改進(jìn)方法：1、積分分離2、抗積分飽和3、梯形積分4、消除積分不靈敏區(qū)

微分的作用：克服系統(tǒng)的慣性、減少超調(diào)、抑制振蕩改進(jìn)方法：1、不完全微分2、微分先行1.什么是常規(guī)控制的智能化·問(wèn)題的產(chǎn)生

隨著工業(yè)的發(fā)展，控制對(duì)象的復(fù)雜性、高度非線性和不確定性逐漸提高導(dǎo)致系統(tǒng)辨識(shí)和建模更加困難，同時(shí)對(duì)象的特性和控制任務(wù)的日趨復(fù)雜，使定性、邏輯、語(yǔ)言控制等控制手段無(wú)法精確的運(yùn)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)，大大加深了控制過(guò)程的復(fù)雜程度。

尤其對(duì)于大滯后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)：

其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；

有的帶有延時(shí)或隨機(jī)干擾；

有的無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙；

加之人們對(duì)控制品質(zhì)的要求日益提高，常規(guī)PID控制的缺陷逐漸暴露出來(lái)。對(duì)于時(shí)變對(duì)象和非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制更是顯得無(wú)能為力。因此常規(guī)PID控制的應(yīng)用受到很大限制和挑戰(zhàn)。1.什么是常規(guī)控制的智能化優(yōu)勢(shì)及問(wèn)題

優(yōu)勢(shì)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

各個(gè)控制器參數(shù)有著明顯的物理意義

調(diào)整方便

局限性：

當(dāng)控制對(duì)象具有復(fù)雜的非線性特性時(shí)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，且由于對(duì)象和環(huán)境的不確定性，往往難以達(dá)到滿意的控制效果。

結(jié)論：

對(duì)常規(guī)PID控制進(jìn)行智能化改進(jìn)，滿足現(xiàn)行的復(fù)雜問(wèn)題要求。1.什么是常規(guī)控制的智能化 1.2.3智能PID控制的基本概念

常規(guī)PID控制的智能化就是將智能控制(intelligentcontrol)思想與傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)相結(jié)合。

其主要設(shè)計(jì)思想是利用專家系統(tǒng)（ExpertSystem）、模糊控制(fuzzycontrol)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neuralnetwork)技術(shù)，將人工智能以非線性控制方式引入到控制器中，使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下均能得到比傳統(tǒng)PID控制更好的控制性能。

智能PID控制技術(shù)具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型和控制器參數(shù)在線自動(dòng)調(diào)整等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的適應(yīng)性。1.什么是常規(guī)控制的智能化·1.2.3.1智能PID控制器的分類 1）模糊PID控制器

模糊PID控制是利用當(dāng)前的控制偏差和偏差，結(jié)合被控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的變化，以及針對(duì)具體過(guò)程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)一定的控制要求或目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)模糊規(guī)則推理，對(duì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

在進(jìn)行模糊PID設(shè)計(jì)時(shí)，要總結(jié)以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)三個(gè)參數(shù)建立合適的模糊規(guī)則表，然后確立模糊控制器的輸入量（一般為控制量偏差和偏差變化率）和輸出量（即PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)）的論域和隸屬度函數(shù)（若對(duì)論域（研究的范圍）U中的任一元素x，都有一個(gè)數(shù)A（x）∈0，1與之對(duì)應(yīng)，則稱A為U上的模糊集，A（x）稱為x對(duì)A的隸屬度。當(dāng)x在U中變動(dòng)時(shí)，A（x）就是一個(gè)函數(shù)，稱為A的隸屬函數(shù)）。系統(tǒng)工作時(shí)首先對(duì)輸入的清晰量進(jìn)行模糊化處理，而后通過(guò)查詢內(nèi)部的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，由此得到PID控制參數(shù)。

1.什么是常規(guī)控制的智能化 2）專家PID控制器

專家系統(tǒng)是一種能在某個(gè)特定領(lǐng)域內(nèi)﹐以人類專家水平解決該領(lǐng)域中專門(mén)任務(wù)的計(jì)算器系統(tǒng)﹐其內(nèi)部具有某個(gè)領(lǐng)域中大量專家水平的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)﹐能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)解決該領(lǐng)域的問(wèn)題。

專家PID控制是采用規(guī)則PID控制形式，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)輸出的識(shí)別，以了解被控對(duì)象過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的變化，在線調(diào)整PID三個(gè)參數(shù)，直到過(guò)程的響應(yīng)曲線為某種最佳響應(yīng)曲線。它是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自適應(yīng)技術(shù)，其目的就是為了應(yīng)付過(guò)程中出現(xiàn)的不確定性。

。1.什么是常規(guī)控制的智能化 3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)亦稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)﹐就是將人工神經(jīng)元按某種方式聯(lián)結(jié)組成的網(wǎng)絡(luò)﹐用于模擬人腦神經(jīng)元活動(dòng)的過(guò)程﹐實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加工﹑處理﹑存儲(chǔ)等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有前向網(wǎng)絡(luò)（前饋網(wǎng)絡(luò)）﹑反饋網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。

與模糊PID控制和專家PID控制不同，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制不是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)整定PID的參數(shù)，而是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接作為控制器，通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)間接地調(diào)整PID參數(shù)。1.什么是常規(guī)控制的智能化 3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN(artificialneuralnetwork)是最近發(fā)展起來(lái)的十分熱門(mén)的交叉學(xué)科。它涉及生物、電子計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)和物理等學(xué)科，有著非常廣泛的應(yīng)用背景，這門(mén)學(xué)科的發(fā)展對(duì)目前和未來(lái)的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將有著重要的影響。

1.什么是常規(guī)控制的智能化 3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器

以大規(guī)模并行處理為主要特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想、容錯(cuò)、并行處理等能力，已在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制，其結(jié)構(gòu)方式有兩類：

一類是單神經(jīng)元控制，即神經(jīng)元輸入權(quán)值一一對(duì)應(yīng)PID參數(shù)，神經(jīng)元輸入值為經(jīng)過(guò)比例、積分、微分處理的偏差值，其主要局限性在于單神經(jīng)元結(jié)構(gòu)無(wú)任意函數(shù)逼近能力；

另一類是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，按照BP學(xué)習(xí)算法(如前向算法和反傳算法)進(jìn)行離線學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)調(diào)整出PID參數(shù)，同時(shí)還要繼續(xù)學(xué)習(xí)不斷地調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元間權(quán)系數(shù)，以適應(yīng)被控對(duì)象的變化，因此，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。1.什么是常規(guī)控制的智能化 4）遺傳算法PID控制器

20世紀(jì)90年代末，即在遺傳算法GA（GeneticAlgorithms）等進(jìn)化計(jì)算思想提出20年后，在生物醫(yī)學(xué)界和自動(dòng)控制界出現(xiàn)了研究進(jìn)化控制的苗頭。遺傳算法是基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的搜索算法達(dá)爾文的“適者生存”基本理論貫穿于整個(gè)算法?；舅枷胧菍⒋蠼鈫?wèn)題轉(zhuǎn)換成個(gè)體組成的演化群體和對(duì)該群體進(jìn)行操作的一組遺傳算子，包括4個(gè)基本操作：選擇、復(fù)制、交叉、變異。1.什么是常規(guī)控制的智能化 5）預(yù)測(cè)PID控制算法PID控制器分類：模型算法控制（ModelAlgorithmicControl,Mac）動(dòng)態(tài)矩陣控制(DynamicMatrixContorl)模型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制(ModelPredictiveHeuristicControl,MPHC)廣義預(yù)測(cè)控制(GeneralizedPredictiveControl,GPC)

1.什么是常規(guī)控制的智能化 5）預(yù)測(cè)PID控制算法PID控制器雖然這些算法在表現(xiàn)形式上各不相同，但都包括：預(yù)測(cè)模型，滾動(dòng)優(yōu)化，反饋校正三個(gè)部分。預(yù)測(cè)模型：在預(yù)測(cè)系統(tǒng)中，需要一個(gè)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)模型，這一模型稱為預(yù)測(cè)模型。它的主要功能是根據(jù)被控對(duì)象的歷史信息和未來(lái)的輸入，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)輸出。它只強(qiáng)調(diào)模型的功能，并不強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)形式。滾動(dòng)優(yōu)化：其基于預(yù)測(cè)模型，并且是一種優(yōu)化控制算法。它的優(yōu)化始終建立在實(shí)際過(guò)程的基礎(chǔ)上，使控制結(jié)果達(dá)到實(shí)際意義上的最優(yōu)控制，能夠有效克服工業(yè)過(guò)程控制中的模型不精確，非線性，時(shí)變等不確定性的影響。反饋校正：是一種閉環(huán)反饋算法，目的是為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對(duì)理想狀態(tài)的偏離。1.什么是常規(guī)控制的智能化 6）其他智能PID控制器

除上述的4種方法以外，學(xué)習(xí)控制、仿人控制、免疫算法等多種智能PID控制方法都在發(fā)展之中。

縱觀近年來(lái)的PID控制的發(fā)展，可以看出以下特點(diǎn)： 1智能復(fù)合控制成為了提供和改善智能控制性能的有效途徑，并成為了研究的重點(diǎn)。 2PID控制重新受到廣泛重視，并和智能控制等方法結(jié)合成為了新一輪的研究熱潮。

1.什么是常規(guī)控制的智能化1.2.3.2智能PID控制的特點(diǎn)

智能控制是控制理論、人工智能、信息論和運(yùn)籌學(xué)等多方面綜合而成的交叉學(xué)科，主要用于處理兩大類問(wèn)題：

①難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述的大規(guī)模和復(fù)雜非線性系統(tǒng)，需要引入人為因素才能進(jìn)行有效控制；

②控制目標(biāo)通常需要分解成多個(gè)子任務(wù)的系統(tǒng)。

1.什么是常規(guī)控制的智能化1.2.3.2智能PID控制的特點(diǎn)

智能PID控制器吸收了智能控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)。

首先，它具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力，能夠自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制參數(shù)，能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化；

其次，它又具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高、為現(xiàn)場(chǎng)工程設(shè)計(jì)人員所熟悉等特點(diǎn)。

正是這兩大優(yōu)勢(shì)，使得智能PID控制成為眾多過(guò)程控制中一種較理想的控制裝置。因此，人們開(kāi)始較多地關(guān)注比較流行的幾種智能PID控制器，考察它們的構(gòu)成形式、各自特點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1.什么是常規(guī)控制的智能化1.2.3.3智能PID控制的發(fā)展前景

國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊ControlEngineeringPractice和IEEEControlSystemsazine分別于2001和2006年出版了PID控制特。？？？ 2000年，IFAC數(shù)字控制工作組在西班牙Terrassa舉行了專題為“Past．PresentandFutureofPIDControl”P(pán)ID控制學(xué)術(shù)會(huì)議。國(guó)際著名控制理論學(xué)者AS．M教授指出，PID控制器在未來(lái)的控制工程中仍將繼續(xù)扮演重要的角色，同時(shí)將成為各種復(fù)雜控制器的基本單元。

1.什么是常規(guī)控制的智能化1.2.3.3智能PID控制的發(fā)展前景

國(guó)內(nèi)學(xué)者吳宏鑫院士提出的“特征建?！崩碚?。第一次從理論上論證了PID控制器廣泛應(yīng)用的理論依據(jù)，并且指出PID控制器具有獨(dú)特的優(yōu)越性，它將成為復(fù)雜系統(tǒng)智能控制中最基本、最基礎(chǔ)的子控制單元。

1.什么是常規(guī)控制的智能化

吳宏鑫，控制理論與控制工程專家。1939年生于江蘇丹徒。1965年畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)控制系?，F(xiàn)任中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員。主要從事航天和工業(yè)領(lǐng)域的自適應(yīng)控制和智能控制理論與應(yīng)用研究。2003你當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。圖吳宏鑫院士2.模糊PID控制的思想和方法概述所謂模糊控制,就是在被控制對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模糊控制器近似推理手段,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的一種方法.模糊模型是用模糊語(yǔ)言和規(guī)則描述的一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及性能指標(biāo)

模糊控制的基本思想是用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制

它是受這樣事實(shí)而啟發(fā)的:對(duì)于用傳統(tǒng)控制理論無(wú)法進(jìn)行分析和控制的復(fù)雜的和無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng),有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜覅s能取得比較好的控制效果,這是因?yàn)樗麄儞碛腥辗e月累的豐富經(jīng)驗(yàn),因此人們希望把這種經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的行為過(guò)程總結(jié)成一些規(guī)則,并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計(jì)出控制器。然后運(yùn)用模糊理論,模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理的知識(shí),把這些模糊的語(yǔ)言上升為數(shù)值運(yùn)算,從而能夠利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn),達(dá)到以機(jī)器代替人對(duì)某些對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。2.模糊PID控制的思想和方法概述模糊邏輯控制(FuzzyLogicControl)簡(jiǎn)稱模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1974年，英國(guó)的E．H．Mamdani首先用模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。2.模糊PID控制的思想和方法應(yīng)用領(lǐng)域模糊控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制工程、科學(xué)研究、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、信息重現(xiàn)、生物醫(yī)電、心理學(xué)和其他領(lǐng)域。（1）飛機(jī)或者宇宙飛船（2）自動(dòng)公路系統(tǒng)（3）汽車業(yè)（4）制造系統(tǒng)（5）電力工業(yè)（6）過(guò)程控制（7）機(jī)器人學(xué)（8）高速列車控制2.模糊PID控制的思想和方法模糊PID控制是將常規(guī)PID控制與智能模糊控制相結(jié)合的一種新型控制方式。從控制器結(jié)構(gòu)上可分為以下兩種形式。（1）Fuzzy-PID混合控制器其實(shí)質(zhì)上是一種基于給定值與測(cè)量值之偏差e的選擇智能控制器，根據(jù)e的變化選擇Fuzzy或PID兩類控制規(guī)律2.模糊PID控制的思想和方法（2）帶參數(shù)在線Fuzzy自校正的PID控制器常規(guī)PID控制器的參數(shù)KP、KI和KD都是經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)并反復(fù)調(diào)試而確定的，在如圖3所示的參數(shù)在線Fuzzy自校正的PID控制器中，它是在PID控制算法基礎(chǔ)上增加求e和ec，利用Fuzzy規(guī)則進(jìn)行Fuzzy推理，查詢Fuzzy矩陣表進(jìn)行參數(shù)修正，F(xiàn)uzzy規(guī)則采用IFTHEN產(chǎn)生式語(yǔ)句形式來(lái)表述，并作為知識(shí)存入微處理機(jī)，參數(shù)的Fuzzy自校正思想是依據(jù)被控對(duì)象的響應(yīng)在采樣時(shí)刻的偏差e和偏差變化率ec來(lái)確定KP、KI和KD三參數(shù)修正的方向和大小。本章將詳述該類型的模糊PID控制器的思想和設(shè)計(jì)方法。2.模糊PID控制的思想和方法2.1基本概念·模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)2.模糊PID控制的思想和方法數(shù)學(xué)概念論域：普通集合Ui和Yi分別稱為ui和yi的論域。語(yǔ)言變量：為了定義規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則，要用語(yǔ)言來(lái)

描述模糊系統(tǒng)的的輸入和輸出。語(yǔ)言值：語(yǔ)言變量取的值。語(yǔ)言規(guī)則：用“如果條件那么結(jié)論”的形式表示。2.模糊PID控制的思想和方法模糊集合和隸屬函數(shù)：經(jīng)典集合是有明確界限的集合，而模糊集合和經(jīng)典集合相比，是沒(méi)有明確的界限的集合。從不屬于某集合到屬于某集合是漸進(jìn)過(guò)渡的，這種平滑的過(guò)渡過(guò)程使用隸屬函數(shù)來(lái)定義的。若X是論域，則關(guān)于X的模糊集合A表示為A={(x，uA(x))|x∈X}uA(x)稱為x對(duì)A的隸屬函數(shù)，可以完成X到【0，1】閉區(qū)間的任意一個(gè)映射。模糊集合同樣具有包含、并、交、補(bǔ)等集合運(yùn)算。2.模糊PID控制的思想和方法隸屬函數(shù)的確定方法：當(dāng)論域離散時(shí)，根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)，直接或間接給出元素隸屬論域的具體值，由此確定隸屬函數(shù)：1.主觀經(jīng)驗(yàn)法

（1）專家評(píng)分法（2）因素加權(quán)綜合法（3）二元排序法2.模糊統(tǒng)計(jì)法

應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)基本原理，以調(diào)查統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果所得出的經(jīng)驗(yàn)曲線作為隸屬函數(shù)曲線。3.指派法

就是根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)套用現(xiàn)成的某種形式的分布，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定分布中所含的參數(shù)。2.模糊PID控制的思想和方法模糊if-then規(guī)則

如果x是A，那么y是B

其中A和B分別是論域X和Y的語(yǔ)言變量，“x是A”是條件，“y是B”是結(jié)論。模糊推理（近似推理）

模糊推理就是從一套模糊規(guī)則和一個(gè)或者多個(gè)條件得出結(jié)論的推理程序。(1)廣義假言推理（GMP規(guī)則）

“如果x為A，那么y為B”和“x為A’”，推出“y為B’”(2)廣義拒式推理（GMT規(guī)則）

“如果x為A，那么y為B”和“y為B’”，推出“x為A’”(3)廣義段論推理（GHS規(guī)則）

“如果x為A，那么y為B”和“如果y為B’，那么z為C”，推出“如果x為A，那么z為C’”2.模糊PID控制的思想和方法解模糊

解模糊是模糊控制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具體方法有以下幾種：（1）重心法取輸出模糊集合隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)所謂面積的中心作為控制器輸出的精確值。（2）加權(quán)平均法用輸出兩個(gè)元素進(jìn)行加權(quán)平均后的輸出值作為輸出的精確執(zhí)行量的方法。2.模糊PID控制的思想和方法（3）最大隸屬度法將模糊推理做得到的結(jié)論中隸屬度值最大的元素作為精確控制量的方法（4）中位數(shù)法（面積等分法）把輸出的模糊集合所對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積分成相等的兩部分，將這兩部分分界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的元素作為輸出的精確值。2.模糊PID控制的思想和方法2.2模型建立·模糊控制結(jié)構(gòu)圖2.模糊PID控制的思想和方法

（1）規(guī)則庫(kù)：以一套規(guī)則的形式表達(dá)如何最好控制系統(tǒng)的知識(shí)；

（2）推理機(jī)：確定哪條控制規(guī)則與當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)是相關(guān)的，然后建議被控對(duì)象的輸入；

（3）模糊化界面：把控制器輸入修改成能被規(guī)則表述且能與庫(kù)中的規(guī)則相比較的形式；

（4）解模糊化界面：把推理得到的結(jié)論轉(zhuǎn)化成被控對(duì)象的輸入。

本質(zhì)上應(yīng)該把模糊控制器看作運(yùn)行在實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)的一個(gè)人工決策器。這決策器收集被控對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)y(t)，與參考輸入r(t)相比較，然后決定對(duì)象的輸入u(t)，以保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)得到滿足。2.模糊PID控制的思想和方法模糊PD控制器利用反饋系統(tǒng)中的誤差信號(hào)e(t)及其變化率de(t)/dt來(lái)計(jì)算控制量的方法稱為PD控制。

典型的PD控制器結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。模糊化模糊推理解模糊Ku受控對(duì)象KpKdr(t)-EEdUU(t)2.模糊PID控制的思想和方法模糊PID控制器采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的PID控制算法，其離散PID控制規(guī)律為式中：U(n)為第n次采樣時(shí)刻控制器輸出量，e(n)為第n個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸入量(偏差信號(hào))。由于常規(guī)PID調(diào)節(jié)器不具有在線整定參數(shù)的功能，因此不能滿足在不同工況下系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的的自整定要求，從而影響控制效果的進(jìn)一步提高。2.模糊PID控制的思想和方法模糊PID控制器以偏差E和偏差變化率EC作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻偏差E和偏差變化率EC對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊理論在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正，便構(gòu)成了自整定模糊PID控制器，如圖2.模糊PID控制的思想和方法自整定設(shè)計(jì)思想：先找出PID三個(gè)參數(shù)與偏差|E|和偏差變化率|EC|之間的模糊關(guān)系，在工作中通過(guò)不斷檢測(cè)|E|和|EC|，再根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)參數(shù)Kp、KI和

Kd進(jìn)行在線校正，以滿足不同|E|和|EC|時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。而且計(jì)算量小，便于微機(jī)實(shí)現(xiàn)。2.模糊PID控制的思想和方法·當(dāng)|E|較大，即系統(tǒng)響應(yīng)處于如圖所示A段時(shí)，應(yīng)該取較大的Kp和較小的Kd處同時(shí)為避免較大超調(diào)量需要取KI=0.2.模糊PID控制的思想和方法·當(dāng)|E|中等大小時(shí)，即系統(tǒng)響應(yīng)處于B段時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的Kp適當(dāng)KI和Kd，保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度.2.模糊PID控制的思想和方法·當(dāng)|E|較小時(shí)，即處于C段時(shí)，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的Kp和KI，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。當(dāng)|EC|較小時(shí)，Kd值取大些，當(dāng)|EC|較大時(shí)，Kd值取小些。2.模糊PID控制的思想和方法2.3參數(shù)整定·各變量隸屬函數(shù)的確定模糊控制器輸入語(yǔ)言變量，分別表示輸入量的偏差和偏差變化率，規(guī)定他們的論域?yàn)椋? E,EC={-3,-2,-1,0,1,2,3}它們的模糊集為： E,EC={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}其含義依次為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。2.模糊PID控制的思想和方法·輸出變量Kp，Kd，Ki用以確定控制量，并規(guī)定其論域?yàn)椋? Kp，Kd，Ki={-3,-2,-1,0,1,2,3}·輸出量的語(yǔ)言變量模糊集為： Kp，Kd，Ki={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}各個(gè)語(yǔ)言值的定義分別由給出的三角形隸屬函數(shù)曲線來(lái)描述。2.模糊PID控制的思想和方法·

建立控制規(guī)則表依據(jù)所述參數(shù)整定原則及工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，可列出相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則，如表1-3所示。2.模糊PID控制的思想和方法·模糊PID控制的優(yōu)點(diǎn)：

不要求提供受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)人工控制規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)控制決策表。模糊控制與PID控制有著密切的聯(lián)系，事實(shí)上，模糊控制在很多情況下被稱作為非線性PID控制。將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。2.模糊PID控制的思想和方法模糊PID控制的缺點(diǎn)：

在常規(guī)的模糊控制中，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便性和快速性，通常采用e和ec作為模糊控制器的輸入，因而，具有類似于常規(guī)PD控制器的作用。根據(jù)線性控制理論，此類模糊控制器有可能獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，但無(wú)法消除靜態(tài)誤差。為了改善模糊控制的穩(wěn)態(tài)性能，通常在模糊控制系統(tǒng)中引人模糊積分環(huán)節(jié)。

上圖所示的是BASSEVILLEM提出的一種模糊控制器。誤差的模糊值經(jīng)積分后與常規(guī)模糊控制器的輸出進(jìn)行疊加構(gòu)成控制器的最終輸出。這種對(duì)誤差的模糊值進(jìn)行積分的PID模糊控制器可以消除大的系統(tǒng)靜差，但是，要減小零點(diǎn)附近的極限環(huán)振蕩，必須增加控制規(guī)則，這樣就增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。3.智能PID控制的最新研究進(jìn)展·2010年維普檢索情況：EI期刊：（38條）SCI期刊：（0條）3.智能PID控制的最新研究進(jìn)展·2011~2012年維普檢索情況：EI期刊：（40條）SCI期刊：（0）3.智能PID控制的最新研究進(jìn)展·2013~2014年維普檢索情