家用電器自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要摘 要模糊控制就是采用模糊控制器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制的方法，家電中被控對(duì)象的規(guī)律是及其復(fù)雜的，很難用數(shù)學(xué)語(yǔ)言的形式加以表達(dá)，所以人們一直致力于家電模糊控制器的研究。盡管家用電器的品種很多，控制目標(biāo)各異，但模糊控制器的設(shè)計(jì)方法卻有很多相似之處。本文從實(shí)際出發(fā)，對(duì)當(dāng)今在家用電器電飯鍋中應(yīng)用較為廣泛的自適應(yīng)模糊控制進(jìn)行了深入研究，介紹了電飯鍋的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。近幾年來(lái)，伴隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)各種家用電器的需求不斷增加，溫度控制技術(shù)在家用電器中的地位越來(lái)越重要。在某種程度上，溫度已經(jīng)成為我們控制系統(tǒng)所必須考慮的重要因素之一。由于溫度系統(tǒng)具有滯后現(xiàn)象嚴(yán)重等非線性的特點(diǎn)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，這就給控制過(guò)程帶來(lái)很大的困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的控制作用。本文以電飯鍋的溫度為研究對(duì)象，研究了一種可靠的控制方案，即是采用帶有調(diào)整因子的自適應(yīng)模糊控制器。以此達(dá)到系統(tǒng)輸出響應(yīng)快、調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、控制精度高，而且還具有較強(qiáng)的適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化和抵抗外部擾動(dòng)的能力的要求。最后利用MATLAB軟件中中的Simulink仿真環(huán)境和Fuzzy工具箱進(jìn)行仿真研究。關(guān)鍵詞：電飯鍋溫度控制,自適應(yīng)模糊控制,仿真AbstractAbstractFuzzy control is a fuzzy controller for automatic control of the controlled object , the law of the controlled object in the home appliance and its complexity , it is difficult to be expressed in the form of a mathematical language , so people have been to home appliances fuzzy controller study . Despite the many varieties of household electrical appliances , control objectives vary , but the fuzzy controller design method , there are many similarities . From reality, and today is widely used in household appliances rice cookers adaptive fuzzy control conducted in-depth study on the rice cooker adaptive fuzzy control system design.In recent years, along with the continuous improvement of peoples living standards , increasing demand for a variety of household appliances , temperature control technology is becoming increasingly important in household appliances .In a way, the temperature has become an important factor in our control system must be considered .The temperature system has serious hysteresis characteristics of the nonlinear , it is difficult to establish a precise mathematical model , which cause great difficulties to the control process , and can not achieve high precision control .To the temperature of the rice cooker , a reliable control scheme , that is, using the adaptive fuzzy controller with adjustment factors .System output in order to achieve fast response , short adjustment time , small overshoot , high control precision , but also has strong adaptation within the system parameter variations and the ability to resist external perturbations .Finally, the Simulink simulation environment and Fuzzy Toolbox in MATLAB software simulation study .Keywords: rice cooker temperature control , adaptive fuzzy control , simulation目 錄目 錄摘要.ABSTRACT.目錄.第一章 引言.11.1 研究背景.11.2 研究現(xiàn)狀.11.3 研究意義.21.4 研究任務(wù)及內(nèi)容.3第二章 模糊控制理論基礎(chǔ).42.1 模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ).4 2.1.1模糊集合.4 2.1.2 常用隸屬函數(shù).4 2.1.3 模糊推理.52.2 模糊控制原理.52.3 模糊控制器的組成.62.4 模糊控制器的結(jié)構(gòu).8第三章 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng).103.1 自適應(yīng)模糊控制器的分類.10 3.2 自適應(yīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu).11 3.3 自適應(yīng)模糊控制器的工作原理.123.4 量化因子和調(diào)整因子對(duì)模糊控制器的影響.143.5 幾種自適應(yīng)模糊控制器的方案.15第四章 電飯鍋溫度自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).184.1 電飯鍋?zhàn)赃m應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).184.2 基于調(diào)整因子自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì).18 4.2.1 輸入輸出的選擇及其模糊化.19 4.2.2 隸屬函數(shù).20 4.2.3 模糊控制規(guī)則.21 4.2.4 自適應(yīng)模糊控制算法.21 4.2.5 反模糊化.224.3 控制系統(tǒng)仿真.22 4.3.1 仿真工具介紹.22 4.3.2 仿真.24結(jié)論.27參考文獻(xiàn).28致謝.29第一章 引言- 31 -第一章 引 言1.1 研究背景模糊理論是在美國(guó)柏克萊加州大學(xué)電氣工程系L.A.Zadeh教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面內(nèi)容。L.A.Zadeh教授在1965年發(fā)表的Fuzzy Set論文中首次提出表達(dá)事物模糊性的重要概念隸屬函數(shù)。模糊控制理論的核心是利用模糊集合論，把人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言所描述的算法。但它的控制輸出卻是確定的，它不僅能成功的實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式，對(duì)一些無(wú)法構(gòu)成數(shù)學(xué)模型的對(duì)象進(jìn)行控制?！澳：拍睢备m合于人們的觀察、思維、理解、與決策，這也更適合于客觀現(xiàn)象和事物的模糊性?！澳：刂啤钡奶厣褪且环N“語(yǔ)言型”的決策控制1。模糊控制技術(shù)于80 年代中期開(kāi)始應(yīng)用到家用電器中, 近三十多年得到迅速發(fā)展, 主要原因有二：一是隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步, 家用電器的自動(dòng)化智能化程度越來(lái)越高, 各類傳感器的迅速發(fā)展和微控制器的廣泛應(yīng)用, 給模糊控制技術(shù)的實(shí)施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。二是在家用電器的自動(dòng)化智能化的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 往往沒(méi)有辦法建立精確的數(shù)學(xué)模型及實(shí)施精確的控制, 家用電器中有相當(dāng)一部分是代替人進(jìn)行家務(wù)操作的, 比如洗衣、做飯等, 人可以憑經(jīng)驗(yàn)做得很好, 但是卻無(wú)法建立該過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型，以便機(jī)器也能憑此數(shù)學(xué)公式做出同樣的判斷去操作。因此要機(jī)器代替人去具體實(shí)現(xiàn)某操作時(shí), 只能是一種模糊控制過(guò)程。另一方面家用電器中的許多控制也沒(méi)必要進(jìn)行精確控制,因?yàn)樵S多控制量往往只不過(guò)是人的感覺(jué), 如熱與冷、快與慢、風(fēng)大與風(fēng)小、干凈與臟等本身就是模糊概念。 正因?yàn)樯鲜鲈? 模糊控制技術(shù)在家用電器上得到極廣泛的應(yīng)用, 正成為家用電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、信息化的過(guò)程中不可缺少的控制技術(shù)之一。 1.2 研究現(xiàn)狀目前模糊控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種家用電器上，開(kāi)發(fā)了具有模糊控制器全部功能的大規(guī)模集成電路芯片，特別適用于快速的模糊控制應(yīng)用。模糊控制技術(shù)不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。從80年代中后期開(kāi)始，模糊控制進(jìn)入了實(shí)用化階段，大量的模糊產(chǎn)品問(wèn)世，推動(dòng)了模糊控制技術(shù)發(fā)展的新高潮。模糊控制技術(shù)有許多直接應(yīng)用。例如家電產(chǎn)品方面，日本、韓國(guó)、臺(tái)灣省、香港等國(guó)家和地區(qū)出現(xiàn)了 “模糊熱”，洗衣機(jī)、吸塵器、電飯鍋、干燥機(jī)、熱水器、電視機(jī)、收音機(jī)、冰箱、微波爐等都有使用模糊控制的例子2。近幾年來(lái), 模糊控制技術(shù)日益成熟, 并在空調(diào)器、洗衣機(jī)、微波爐、電冰箱、吸塵器、電飯煲及抽油煙機(jī)等多種家用電器上應(yīng)用。當(dāng)前日益完善的傳感器 技術(shù)為采集信息提供了控制精度的保證, 微處理器的迅速發(fā)展及嵌入式軟件的推廣也促進(jìn)了模糊控制的進(jìn)一步發(fā)展, 這些都為家用電器的智能化、信息化提供了有力的技術(shù)支撐?？梢哉f(shuō)，模糊控制是模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用最廣泛、最成功的領(lǐng)域。國(guó)際著名的白控專家認(rèn)為模糊控制是21世紀(jì)的控制技術(shù)，在將來(lái)的控制應(yīng)用中會(huì)占有20的比例。我們相信隨著時(shí)間的推移，隨著模糊控制技術(shù)研究的進(jìn)一步深入其應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣闊。當(dāng)然，模糊控制無(wú)論在理論上和實(shí)用上都是一門(mén)“年輕”的科學(xué)，正處于不斷完善的進(jìn)程之中，不像經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論皆已形成了較完善的理論體系。同時(shí)，正因?yàn)樗牟煌晟坪驼诎l(fā)展，說(shuō)明它具有很大的發(fā)展?jié)摿?。1.3 研究意義在自動(dòng)控制中，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論中有一個(gè)共同特點(diǎn)，即控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型（如微分方程等）的基礎(chǔ)上，但是在實(shí)際生產(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(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制4。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語(yǔ)言控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)可靠，控制過(guò)程與人的思維方式一致等優(yōu)點(diǎn)。這正好滿足了電飯鍋實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)功能的需要。1.4 研究?jī)?nèi)容及任務(wù)本文的研究目標(biāo)是：在廣泛閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)的文獻(xiàn)與資料作出了詳細(xì)的研究分析，并結(jié)合以前所學(xué)知識(shí)，形成自己的一套控制方案。在分析了幾種自適應(yīng)模糊控制方案之后，采用了基于調(diào)整因子自尋優(yōu)的自適應(yīng)模糊控制器這一方案，來(lái)完成對(duì)于電飯鍋溫度的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后在Matlab軟件中的Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真研究。本文需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作：(1)通過(guò)學(xué)習(xí)模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，了解模糊控制的相關(guān)概念、基本理論；簡(jiǎn)要介紹了模糊控制的原理以及模糊控制器的組成；(2)明確電飯鍋溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，確定控制方案；了解自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響；(3)溫度自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際需要，選擇了合適的模糊控制器的結(jié)構(gòu)和模糊控制規(guī)則；設(shè)計(jì)出系統(tǒng)仿真圖，并用仿真軟件MATLAB/SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。(4)對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)，總體分析自適應(yīng)模糊控制并得出結(jié)論。第二章 模糊控制理論基礎(chǔ)第二章 模糊控制理論基礎(chǔ)2.1 模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ)2.1.1 模糊集合 1.模糊集合定義集合A由0到1之間的連續(xù)實(shí)數(shù)值組成。 為了表示模糊概念，需要引入模糊集合和隸屬函數(shù)的概念： (2-1) 其中A稱為模糊集合，由0,1及 構(gòu)成， 表示元素x屬于模糊集合A的程度，取值范圍為0,1，稱 為x屬于模糊集合A的隸屬度。2.模糊集合表示(1)模糊集合A由離散元素構(gòu)成，表示為：或 (2)模糊集合A由連續(xù)函數(shù)構(gòu)成，各元素的隸屬度就構(gòu)成了隸屬度函數(shù)（Membership Function），此時(shí)A表示為： (2-2) 模糊集合是以隸屬函數(shù)來(lái)描述的，隸屬度的概念是模糊集合理論的基石5。2.1.2 常用隸屬函數(shù) 隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)中非常重要的概念，它決定著模糊集的模糊性。下面幾種隸屬函數(shù)式常用的隸屬函數(shù)6： 1.三角形 (2-3) 2.梯形 (2-4) 3.正態(tài)形 (2-5)2.1.3 模糊推理 常用的有兩種模糊條件推理語(yǔ)句：If A then B else C；If A AND B then C下面以第二種推理語(yǔ)句為例進(jìn)行探討，該語(yǔ)句可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的模糊控制器，如圖所示。 模糊控制器R A C B 圖2-1 量輸入單輸出模糊控制器其中A，B，C分別為論域x，y，z上的模糊集合，A為誤差信號(hào)上的模糊子集，B為誤差變化率上的模糊子集，C為控制器輸出上的模糊子集。模糊推理語(yǔ)句“If A AND B then C”確定了三元模糊關(guān)系R，即：R=(AB)T1C (2-6)其中(AB)T1為模糊關(guān)系矩陣(AB) (mn)構(gòu)成的mn列向量，n和m分別為A和B論域元素的個(gè)數(shù)7。基于模糊推理規(guī)則，根據(jù)模糊關(guān)系R，可求得給定輸入A1和B1對(duì)應(yīng)的輸出C1：C1=(A1B1)T2R (2-7)2.2 模糊控制原理模糊控制的基本原理框圖如圖2-2所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線部分所示，模糊控制器的控制律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過(guò)程描述如下：微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E，一般選誤差信號(hào)E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e(e是一個(gè)模糊適量)，再由e和模糊關(guān)系R根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u，即 (2-8)D/A被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器模糊控制規(guī) 則解模糊模糊化A/D計(jì)算被控變量給定值+ -圖2-2 模糊控制原理框圖 由圖2-2可知，模糊控制系統(tǒng)與通常的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要差別是采用了模糊控制器。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法及模糊決策的方法等因素8。2.3 模糊控制器的組成 模糊控制器的組成框圖如圖2-3所示。 圖2-3 模糊控制器的組成框圖1.模糊化接口輸入到模糊化接口的變量是一個(gè)清晰值，也即是一個(gè)真實(shí)的確定量，若不對(duì)它進(jìn)行模糊化，就無(wú)法對(duì)輸出進(jìn)行控制。對(duì)于一個(gè)經(jīng)過(guò)模糊化后的輸入變量，它的模糊子集的劃分方式如下：=NB,NS,ZO,PS,PB=負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大；=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大；=NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零負(fù)，零正，正小，正中，正大 ； 2.知識(shí)庫(kù) 通常情況下，數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)一起合稱為知識(shí)庫(kù)。(1)數(shù)據(jù)庫(kù)(Data Base, DB) 輸入變量和輸出輸出變量的隸屬度值一般存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在進(jìn)行模糊化推理過(guò)程中，推理機(jī)所需的數(shù)據(jù)都由數(shù)據(jù)庫(kù)提供，它在整個(gè)過(guò)程中起著不可替代的作用，它的存在使得模糊推理得以順利進(jìn)行。(2)規(guī)則庫(kù)(Rule Base, RB) 規(guī)則庫(kù)中存放著事先按照操作人員經(jīng)驗(yàn)編寫(xiě)好的模糊控制規(guī)則，一般用IF-THEN的形式來(lái)表示。在進(jìn)行模糊推理的時(shí)候規(guī)則庫(kù)就是把這些IF規(guī)則提供給推理機(jī)。模糊控制器的規(guī)則是長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果，通用性較好，但主觀性仍較強(qiáng)，并具有一定的不確定性。(3)推理與解模糊接口在模糊控制器的設(shè)計(jì)中，推理是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。推理是根據(jù)列寫(xiě)的模糊控制規(guī)則表，按照一定的方程，獲得模糊控制量。在進(jìn)行推理的過(guò)程，為了提高效率，盡量減小所用時(shí)間，我們采用的推理方法一般都較為簡(jiǎn)單，較為常用的就是Zadeh近似推理方法。當(dāng)我們獲得推理結(jié)果時(shí)，就表示整個(gè)推理過(guò)程已經(jīng)完成。但是，此時(shí)我們獲得的推理量并不是我們想要的最終結(jié)果，它仍然是一個(gè)模糊量，還需要進(jìn)行清晰化才能輸出到下一級(jí)，這一過(guò)程被稱為解模糊化。解模糊端口通常定義為具有轉(zhuǎn)換功能的輸出端部分9。2.4 模糊控制器的結(jié)構(gòu) 在模糊控制系統(tǒng)中，根據(jù)控制器輸出的個(gè)數(shù)，可將其劃分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。 1.單變量模糊控制器 在單變量模糊控制器中,又可根據(jù)輸入變量的個(gè)數(shù)定義模糊控制的維數(shù)，如圖2-4所示。 (a) 一維模糊控制器 (b) 二維模糊控制器(c) 三維模糊控制器圖2-4 單變量模糊控制一維模糊控制器：一維模糊控制器的輸入為。由于一維模糊控制器的輸入量只有一個(gè)，采用這種控制器并不能得到較好的控制性能。所以，此種控制器的應(yīng)用范圍并不是很廣泛。此種控制器的應(yīng)用場(chǎng)合主要是針對(duì)于一階被控對(duì)象。二維模糊控制器：二維模糊控制器的輸入為偏差和偏差變化率。輸出量的動(dòng)態(tài)特性因兩者的結(jié)合會(huì)有較大幅度的改善。此種控制器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍比較廣泛，而且極具代表性。目前這類控制器的使用較為廣泛。三維模糊控制器：三維模糊控制器的輸入為偏差、偏差變化率和偏差變化率的變化率。正常情況下，控制精度比前兩種要好，但同時(shí)規(guī)則數(shù)目將會(huì)增多，運(yùn)算量加大，推理時(shí)間延長(zhǎng)。除了在動(dòng)態(tài)特性要求很高的場(chǎng)合，我們一般不采用此種結(jié)構(gòu)的模糊控制器10。 2.多變量模糊控制器 一個(gè)多變量模糊控制器(Multiple Variable Fuzzy Controller,MVFC)所采用的模糊控制器具有多變量結(jié)構(gòu)，如圖2-5所示。圖2-5 多變量模糊控制器第三章 自適應(yīng)模糊控制理論基礎(chǔ)第三章 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng) zadeh的模糊集合理論是設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的重要工具，它將描述外部世界的不精確的語(yǔ)言與控制器內(nèi)部的精確數(shù)學(xué)表示聯(lián)系起來(lái)，圖3-1表示了這種聯(lián)系。用語(yǔ)言表示的策略要比用精確的數(shù)學(xué)表示的策略簡(jiǎn)單、方便而且靈活，這使白適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)比其他形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有突出優(yōu)點(diǎn)。用模糊邏輯理論將語(yǔ)言值轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式用自適應(yīng)模糊控制器進(jìn)行數(shù)字計(jì)算用最近的語(yǔ)言去近似數(shù)學(xué)子集語(yǔ)言輸入規(guī)則 語(yǔ)言輸出規(guī)則 圖3-1 多級(jí)自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)是指具有學(xué)習(xí)算法的模糊邏輯系統(tǒng)。這里的模糊邏輯系統(tǒng)是由服從模糊邏輯規(guī)則的一系列“如果則”規(guī)則構(gòu)造的；而學(xué)習(xí)算法則依靠數(shù)據(jù)信息來(lái)對(duì)模糊邏輯系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)被認(rèn)為是能通過(guò)學(xué)習(xí)自動(dòng)產(chǎn)生其（模糊）規(guī)則的模糊邏輯系統(tǒng)。從概念上講，利用自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)來(lái)綜合利用數(shù)據(jù)和專家兩類信息的途徑有如下兩種。1. 利用專家語(yǔ)言信息構(gòu)造這個(gè)初始的模糊邏輯系統(tǒng)，再用數(shù)據(jù)信息來(lái)調(diào)整這個(gè)初始系統(tǒng)的參數(shù)。因此，最后所得的系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)和語(yǔ)言兩類信息共同構(gòu)成的。2.利用數(shù)據(jù)信息和專家信息分別構(gòu)造兩個(gè)獨(dú)立的模糊邏輯系統(tǒng)，再取兩者的平均得到最后的模糊邏輯系統(tǒng)。由于自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和環(huán)境變化不敏感，能用于非線性和多變量復(fù)雜對(duì)象，不僅收斂速度快、魯棒性好，而且可以在運(yùn)行過(guò)程中不斷修正自己的控制規(guī)則來(lái)改善控制性能，因而受到了控制界的廣泛重視11。3.1 自適應(yīng)模糊控制器的分類自適應(yīng)模糊控制器為人們系統(tǒng)而有效地利用模糊信息提供了一種工具。接下來(lái)的問(wèn)題是怎樣對(duì)自適應(yīng)模糊控制器進(jìn)行分類。根據(jù)自適應(yīng)模糊控制器的研究與應(yīng)用進(jìn)展，自適應(yīng)模糊控器的分類方法有多種，這里按以下原則進(jìn)行分類： (1)按自適應(yīng)模糊控制器是否可以直接利用系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則和模糊描述信息分為直接型自適應(yīng)模糊控制器和間接型自適應(yīng)模糊控制器；(2)按自適應(yīng)模糊控制器的主體，即模糊邏輯系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)是線性的還是非線性的，將自適應(yīng)模糊控制器分為第類自適應(yīng)模糊控制器和第二類自適應(yīng)模糊控制器；(3)根據(jù)模糊辨識(shí)模型的不同將自適應(yīng)模糊控制器分為基于模糊模型的自適應(yīng)模糊控制器和基于PID模型的自適應(yīng)模糊控制器，基于模糊模型的自適應(yīng)模糊控制器又包括基于參考模糊集的P模型自適應(yīng)模糊控制器和基于模糊語(yǔ)言多項(xiàng)式模型的Ts模型自適應(yīng)模糊控制；(4)根據(jù)模糊控制器在線修正的基本參數(shù)的不同將自適應(yīng)模糊控制器劃分為基于模糊規(guī)則調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器，基于比例因子自調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器，基于量化因子自調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器，基于論域調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器等。當(dāng)然，上述分類方法不是唯一的，而且有些類型可以相互交叉共同存在于同一控制系統(tǒng)中。之所以按不同的可能交叉的自適應(yīng)模糊控制器類型進(jìn)行敘述，完全是為了方便于探討不同自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法12。3.2 自適應(yīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)本節(jié)以直接型自適應(yīng)模糊控制器為例來(lái)淪述自適應(yīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)。這種自適應(yīng)模糊控制器實(shí)質(zhì)上是在簡(jiǎn)單模糊控制器的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)功能塊構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 圖中，偏差測(cè)量塊的作用是測(cè)量希望輸出和實(shí)際輸出之差，確定輸出響應(yīng)需要校正的量，為修改規(guī)則提供信息；控制量校正塊的作用是將需要校正的輸出響應(yīng)量轉(zhuǎn)換為需校正的控制量；規(guī)則修改塊的作用是通過(guò)修改控制規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)校正量。它們的工作思路是：通過(guò)對(duì)反應(yīng)輸出量大小的誤差信號(hào)的測(cè)量，獲得需要校正的輸出響應(yīng)量的信息，然后將其轉(zhuǎn)換成對(duì)控制輸入的校正量，最后通過(guò)修改控制規(guī)則實(shí)施校正量。這一過(guò)程都是在人不參與的情況下，根據(jù)誤差大小修改模糊控制規(guī)則，自動(dòng)完成的。所以對(duì)于干擾和對(duì)象參數(shù)變化引起的輸出量偏離都有較好調(diào)節(jié)作用13?？刂屏啃Ｕ?guī)則自修正模糊控制器性能測(cè)量模糊化反模糊化 x F(x) I(y) y圖3-2 自適應(yīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖3.3 自適應(yīng)模糊控制器的工作原理1.性能測(cè)量模糊控制器的輸入輸出一般取偏差和偏差變化率，這里e=yr-y，其中，yr為參考輸入，一般是已知的、y為系統(tǒng)輸出。設(shè)當(dāng)前為k時(shí)刻（即t=kT，T為采樣周期），通過(guò)測(cè)量采樣值e(k)、，其大小和極性表明了y(k)實(shí)際輸出偏離期望輸出yr(k)的多少和方向，以及這種偏差變化的快慢和方向，從而可以計(jì)算出需要校正的量x(k)，以實(shí)現(xiàn)誤差減小，直至為零，由于yr不可調(diào)（既定的），所以該校正量只能靠輸出響應(yīng)來(lái)完成。值得一提的是，這里x(k)的校正量與系統(tǒng)輸出y(k)雖然有聯(lián)系，但在概念和極性上是有區(qū)別的14。這個(gè)偏差測(cè)量和校正量確定的工作可以在模糊化之前、之中、之后做，考慮實(shí)際情況我們認(rèn)為，在模糊化之中做比較合適，即精確量從真實(shí)論域到內(nèi)部論域。設(shè)校正論域?yàn)閄=-n,-n+1,0,n-1,n,取n=6按照與基本模糊控制器控制表相同的思想，根據(jù)和的大小和正負(fù)情況，確定出校正量x(k)等級(jí),得到偏差測(cè)量校正表。2.校正量到控制輸入校正量的轉(zhuǎn)變由由偏差測(cè)量獲得的(輸出)校正量x(k)，需要轉(zhuǎn)換成對(duì)被控制對(duì)象的輸入校正量，并施加于被控對(duì)象，才能實(shí)現(xiàn)偏差的減小，使輸出達(dá)到期望值?，F(xiàn)在的問(wèn)題是如果知道被控對(duì)象的輸入/輸出關(guān)系，由輸出校正量就可以實(shí)現(xiàn)了。有了控制校正量，再知道對(duì)象的滯后特性，就可以確定控制校正量提前施加的時(shí)間15。關(guān)于對(duì)象的輸入/輸出特性，最好是建立對(duì)象模型，由于這是校正量，所以增量模型就能滿足要求。不失一般性，考慮一個(gè)兩輸入兩輸出的對(duì)象，其狀態(tài)空間表達(dá)式為 當(dāng)輸入有微小變化時(shí)，則輸出變化為 (3-1)式中為Jacobian矩陣。3.控制規(guī)則修改獲得了控制校正量之后，下一步工作就是要將其寫(xiě)入控制規(guī)則，實(shí)施對(duì)控制性能的改善。由于模糊控制器存有控制規(guī)則，所以，新控制校正量的加入實(shí)際上是修改控制規(guī)則。假設(shè)被控對(duì)象的時(shí)間滯后為d拍，即dT現(xiàn)在(k時(shí)刻)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不良的表現(xiàn)應(yīng)該是(k-d)時(shí)刻的情況，那時(shí)的偏差、偏差變化率和控制分別為：e(k-d)、ec(k-d)、u(k-d),考慮校正量之后，現(xiàn)在的控制量應(yīng)為：為了修改控制規(guī)則，實(shí)施校正量，需要對(duì)這些量進(jìn)行模糊化處理E(k-d)=Fe(k-d) (3-2)Ec(k-d)=Fec(k-d) (3-3)U(k-d)=Fu(k-d) (3-4)Uc(k-d)=Fu(k-d)+uc(k) (3-5)式中，F(xiàn)()是對(duì)括號(hào)中的元素作模糊化處理。據(jù)此，原模糊控制規(guī)則為如果e=E(k-d)且ec=Ec(k-d)，則u=U(k-d)現(xiàn)在的模糊控制規(guī)則應(yīng)為如果e=E(k-d)且ec=Ec(k-d)，則u=Uc(k-d)3.4 量化因子和調(diào)整因子對(duì)模糊控制器的影響在模糊控制器中，量化因子Ke、Kec、Ku對(duì)于控制效果有很大的影響，通過(guò)調(diào)整他們可以獲得滿意的控制效果。(1)Ke、Kec對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響 量化因子Ke及Kec的大小對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響很大。Ke選的較大時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)也較大，過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。因?yàn)閺睦碚撋现vKe增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，因此導(dǎo)致上升時(shí)間變短，但由于出現(xiàn)超調(diào)，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程變長(zhǎng)。Kec選擇較大時(shí)，超調(diào)量減小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。Kec才對(duì)超調(diào)的遏制作用十分明顯。量化因子Ke和Kec的大小意味著對(duì)輸入變量誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度，二者之間相互影響16。 (2)Ku對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響輸出比例因子Ku的大小也影響著模糊控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。Ku選擇過(guò)小會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，而Ku選擇過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。減少Ku能減少超調(diào)，提高穩(wěn)定度。輸出比例因子Ku作為模糊控制器的總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，通過(guò)調(diào)整Ku可以改變對(duì)被控對(duì)象(過(guò)程)輸入的大小。(3)調(diào)整因子對(duì)模糊控制器的影響模糊推理合成CRI法(Compositional Rule of Inference)使利用系統(tǒng)輸入信號(hào)的模糊量和輸入與輸出模糊關(guān)系矩陣。來(lái)設(shè)法求出系統(tǒng)輸出量。這樣雖然簡(jiǎn)化了求取控制量的過(guò)程，但由于控制表是固定不變的，同樣無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)控制規(guī)則的自調(diào)整。為此提出了模糊推理合成CRI法的解析公式法，它通過(guò)建立一個(gè)反應(yīng)控制量與輸入量偏差、偏差變化量關(guān)系的解析式來(lái)表示所有控制規(guī)則，而且引入調(diào)整因子，可以通過(guò)調(diào)整它，來(lái)調(diào)整偏差和偏差變化量在控制中的所占比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制規(guī)則的改動(dòng)。這樣就得到一種帶有調(diào)整因子的控制規(guī)則： (3-6)式中為調(diào)整因子，又稱加權(quán)因子。通過(guò)調(diào)整值的大小，可以改變對(duì)誤差和誤差變化的不同加權(quán)程度。當(dāng)被控對(duì)象階次較低時(shí)，應(yīng)該對(duì)誤差的加權(quán)值大于對(duì)誤差變化的加權(quán)值；相反，當(dāng)被控對(duì)象階次較高時(shí)，對(duì)誤差變化的加權(quán)值要大于對(duì)誤差的加權(quán)值。 3.5 幾種自適應(yīng)模糊控制方案1. 自調(diào)整模糊控制器模糊控制器的控制性能主要是主要是受控制規(guī)則的影響，這里主要從模糊控制規(guī)則的可調(diào)整性來(lái)簡(jiǎn)要介紹一下自調(diào)整模糊控制器的設(shè)計(jì)原理與特點(diǎn)。一種具有自調(diào)整因子的模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。從圖3-3可以看出，當(dāng)量化因子Ke、Kec和Ku取為常數(shù)時(shí)，可調(diào)整因子可以通過(guò)尋優(yōu)的方法，不斷推出新的值，從而完成模糊控制規(guī)則的自調(diào)整，使模糊控制系統(tǒng)有最佳的動(dòng)態(tài)性能。具體方法是：將調(diào)整因子看作一個(gè)模糊集，其論域?yàn)?0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0)；根據(jù)希望的控制性能構(gòu)造的修正規(guī)則：根據(jù)檢測(cè)及計(jì)算得到的信息查修正表，以及適當(dāng)?shù)闹担挥上率接?jì)算控制量的變化值。 (3-7)圖中： Ke、Kec模糊控制器輸入偏差與偏差變化率信號(hào)的模糊量化因子；Ku輸出控制量模糊決策因子；可調(diào)整的加權(quán)因子。 KeKec 1E 模糊算 法ECKu參數(shù)尋優(yōu)被控對(duì) 象圖3-3 自調(diào)整模糊控制器的結(jié)構(gòu)此時(shí)，上式中所描述的控制規(guī)則體現(xiàn)了按誤差的大小自動(dòng)調(diào)整誤差對(duì)控制作用的權(quán)重，由于這種自動(dòng)調(diào)整是在整個(gè)誤差論域內(nèi)進(jìn)行的，所以更符合人在控制決策過(guò)程中的思維，具有高“智能”的優(yōu)化特點(diǎn)，且非常易于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。 2.模糊模型參考自適應(yīng)控制器參考模型自適應(yīng)模糊機(jī)構(gòu)被控對(duì)象 ym v m yp 圖3-4 模型參考模糊自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖1982年，鄭維敏等基于現(xiàn)代控制理論中的模型參考自適應(yīng)控制的思想，提出了用于模糊集理論設(shè)計(jì)模糊模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的方法，這是較早期的工作17。 用模糊集理論設(shè)計(jì)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，并不要求對(duì)參考模型和被控對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型，而只要根據(jù)系統(tǒng)的模糊信息，用模糊條件語(yǔ)句寫(xiě)出控制規(guī)則，就得到比較合適的控制作用。此外，模糊算法比較簡(jiǎn)單，便于聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)控制，這就為一類缺乏精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象提供了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的方法。模型參考模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3-4所示。其中，V為系統(tǒng)的輸入，m為被控對(duì)象的輸入，ym、yp分別為參考模型的輸出和對(duì)象的輸出，K1、K2分別為偏差及其變化率的量化因子。 采用模糊模型參考自適應(yīng)控制的一個(gè)重要原因在于過(guò)程輸出對(duì)于參考模型輸出的跟蹤性能。只要選擇穩(wěn)定的參考模型，同時(shí)確保上述的跟蹤性能，就可以獲得閉環(huán)穩(wěn)定的控制效果。從而簡(jiǎn)化了模糊控制的穩(wěn)定性問(wèn)題。 (3)自校正模糊控制器KeKcKr模糊控制規(guī)則Ku被控對(duì)象參數(shù)校正評(píng)價(jià)規(guī)則修正數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 單元 一個(gè)三維自校正模糊控制系統(tǒng)原理如圖3-5所示。三維模糊控制輸入變量分別為e、e、e、ke、kc、kr為量化因子，ku為比例因子，uk為k時(shí)刻的控制量，u為控制增量，分別為系統(tǒng)響應(yīng)和期望響應(yīng)，此外，還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、評(píng)價(jià)(性能)、規(guī)則修正和參數(shù)校正四個(gè)環(huán)節(jié)。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)性能的各種數(shù)據(jù)等。性能評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)提供的信息對(duì)控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果送入規(guī)則修正環(huán)節(jié)和參數(shù)校正環(huán)節(jié)，分別作為修正控制規(guī)則和校正參數(shù)的依據(jù)18。 e u R e e 圖3-5 自校正模糊控制器第四章 電飯鍋溫度自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真第四章 電飯鍋溫度自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真 電飯鍋在家庭中的使用已相當(dāng)普及人們愈來(lái)愈重視加工后的米的營(yíng)養(yǎng)及色、香、味。模糊控制電飯鍋實(shí)現(xiàn)了最合理的煮飯加溫過(guò)程控制，因此，提高了米飯的烹調(diào)質(zhì)量，也便于用戶操作19。所以選用上一章介紹的其中一種方案，在本文中選了自調(diào)整模糊控制器，來(lái)控制電飯鍋的溫度。4.1 電飯鍋?zhàn)赃m應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在模糊電飯鍋中，溫度模糊控制有兩種情況。一種是勻速升溫控制，如煮飯過(guò)程中的加熱與燜飯工序都是以6min均勻速度升溫；另一種是恒溫控制，如沸騰過(guò)程要保持溫度在98一段時(shí)間。兩者均需對(duì)加熱器功率加以控制，不同的是前者給定溫度值是變化的，后者是恒定的。圖4-1為電飯鍋?zhàn)赃m應(yīng)模糊控