單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目 單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)名稱 自動(dòng)化 學(xué)生姓名 楊鵬飛 指導(dǎo)教師 趙 靜 畢業(yè)時(shí)間 2014年6月 設(shè)計(jì)論文畢業(yè) 任務(wù)書一、題目單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、指導(dǎo)思想和目的要求通過畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生對所學(xué)自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)和理論加深理解，掌握自動(dòng)控制原理以及過程控制系統(tǒng)和仿真的基本方法。要求畢業(yè)設(shè)計(jì)中：1、建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2、設(shè)計(jì)單容水箱液位單回路反饋控制系統(tǒng)，采用pid控制并進(jìn)行仿真以及參數(shù)整定。3、設(shè)計(jì)單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)。即設(shè)計(jì)一個(gè)兩維模糊控制器，模糊控制器的設(shè)計(jì)為兩個(gè)輸入一個(gè)輸出，模糊控制器的輸出用來控制閥門的開度，

2、調(diào)節(jié)水箱的液位。4、模糊控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)計(jì)算以及仿真計(jì)算模糊控制規(guī)則可調(diào)整的液位控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)整定。5、比較水箱液位模糊控制和pid控制系統(tǒng)。三、主要技術(shù)指標(biāo)1、液位保持在480-510mm2、超調(diào)量5%3、穩(wěn)定時(shí)間200s四、進(jìn)度和要求1、1-3周：收集查閱資料；2、4-6周：完成總體方案設(shè)計(jì)和建模；3、7-8周：完成系統(tǒng)分析和控制規(guī)律設(shè)計(jì)；4、9-11周：完成仿真驗(yàn)證及修改；5、12-13周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.五、主要參考書及參考資料（1）金以慧，過程控制 清華大學(xué)出版社，1993.4（2）劉永信，陳志梅，現(xiàn)代控制理論 北京大學(xué)出版社，2006.9 （3）薛定宇，陳陽泉，系

3、統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用 清華大學(xué)出版社，2004.4（4）胡壽松 主編自動(dòng)控制原理 北京科學(xué)出版社，2007.6（5）陳陽泉 主編過程控制與simulink應(yīng)用 北京電子工業(yè)出版社2001.4（6）郝整清，模糊控制及其matlab仿真 北京交通大學(xué)出版社208.3（7）蘇徽，模糊pid研究西安工業(yè)化儀表與自動(dòng)化裝置雜志社2001.4學(xué)生 楊鵬飛 指導(dǎo)教師 趙靜 系主任 史儀凱 摘要 液位控制是工業(yè)控制中的一個(gè)重要問題,針對液位控制過程中存在大滯后,時(shí)變,非線性的特點(diǎn),為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求,人們研制了種類繁多的先進(jìn)的智能控制器,模糊控制器便是其中之一。模糊控制，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快,過渡過程時(shí)間

4、大大縮短,超調(diào)量減少,振蕩次數(shù)少,具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性,在模糊控制中扮演著十分重要的角色。 本文介紹了模糊控制在單容水箱的液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先建立了液位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,介紹了pid控制和模糊控制的基本原理, 然后利用 matlab 工具對控制對象進(jìn)行了跟蹤設(shè)定值,進(jìn)行單容水箱液位模糊控制方面的仿真研究。模糊控制算法與常規(guī) pid 算法相比具有魯棒性強(qiáng)和動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn),該控制方法對于單容水箱系統(tǒng)控制是有效的。關(guān)鍵詞： pid控制，模糊控制，simulink 仿真abstract the liquid level control industrial control is one o

5、f the important problems , according to level control process in big lag, time-varying, nonlinear character is tics ,in order to adapt to the control requirements of complex system , it was a wide variety of advanced intelligent controller, fuzzy controller is one of them. fuzzy control algorithm co

6、mbined with pid control and fuzzy control method, can realize pid parameters of online adjustment, the control system of the fast response, the transition process time shortens greatly, overshoots reduce, oscillation less number, and has strong robustness and stability in fuzzy control play a very i

7、mportant role in. this article describes the fuzzy control in water level control system. first, the establishment of a level control system mathematical model describes the basic principles of fuzzy control and pid control, and then use matlab tools for control object tracking settings, single-tank

8、 water level simulation of fuzzy control. fuzzy control algorithm and compared with the conventional pid algorithm robustness and dynamic performance and good features, the control method for single-tank water system controls are effective.keywords: pid control，tank fuzzy control，simulink simulation

9、iv目錄第一章 緒論61.1 選題背景、研究意義及文獻(xiàn)綜述摘要61.1.1選題背景61.1.2研究意義61.2模糊控制在工業(yè)中的應(yīng)用71.3系統(tǒng)的控制算法種類81.4 本論文的主要內(nèi)容9第二章 單容水箱液位系統(tǒng)組成及數(shù)學(xué)建模102.1 單容水箱的組成102.2 單容水箱液位的數(shù)學(xué)建模10第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)123.1 pid控制算法和模擬pid調(diào)節(jié)123.2 pid控制規(guī)律143.2.1數(shù)字pid控制算法163.2.2控制器的p，i，d項(xiàng)選擇163.3模糊控制理論的起源與發(fā)展173.4 模糊控制系統(tǒng)203.4.1 模糊控制系統(tǒng)的組成203.4.2 模糊控制器的組成21第四章 單容水箱液位模糊

10、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)264.1 輸入、輸出變量的論域和模糊化264.2 量化因子和比例因子274.3隸屬函數(shù)的選擇294.4 模糊控制規(guī)則表30第五章單容水箱液位控制系統(tǒng)的仿真研究325.1 matlab簡介325.1.1 matlab 基本功能325.1.2邏輯工具箱335.1.3 模糊邏輯的simulink335.2 單容水箱液位的matlab仿真345.3 模糊控制系統(tǒng)simulink仿真步驟35參考文獻(xiàn)42致謝44畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)4546第一章 緒論 1.1 選題背景、研究意義及文獻(xiàn)綜述摘要1.1.1選題背景隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,人們對控制系統(tǒng)的控制精度,響應(yīng)速度,系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越

11、來越高。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對象往往具有非線性,時(shí)延的特點(diǎn),應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果,研究對非線性,時(shí)延對象的先進(jìn)控制策略,提高系統(tǒng)的控制水平,具有重要的實(shí)際意義。本文所提及的液位控制系統(tǒng)是一種可以模擬多種對象特性的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置是進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué),實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺(tái),可以方便的構(gòu)成多階系統(tǒng)對象,用戶既可通過經(jīng)典的 pid 控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試,完成經(jīng)典控制教學(xué)實(shí)驗(yàn),也可通過模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試,迸行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。自動(dòng)控制理論的形成和發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論,現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。其中,經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論是建立在精確的數(shù)學(xué)模型

12、的基礎(chǔ)之上的,而智能控制理論適合用來解決系統(tǒng)模型和環(huán)境本身均不確定的問題。1987 年智能控制正式成為一門獨(dú)立的學(xué)科,它是人工智能,運(yùn)籌學(xué)和自動(dòng)控制理論等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科。模糊控制是模仿人的控制過程,其中包含了人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。因而從這個(gè)意義上說,模糊控制也是一種智能控制。模糊控制方法既可以用于簡單的控制對象,也可以用于復(fù)雜的過程。1.1.2研究意義隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,人們對生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制水平,工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。每一個(gè)先進(jìn)實(shí)用控制算法和監(jiān)測算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有積極有效的推動(dòng)作用。然而,當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的,通常情況下

13、實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的算法要比理論方面的研究滯后幾年,甚至有的時(shí)候這種滯后相差幾十年。這是目前控制領(lǐng)域所面臨的最大問題,究其根源主要在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持,一旦應(yīng)用于現(xiàn)場就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問題,制約了其應(yīng)用。因而,在目前尚不具有在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)真實(shí)工業(yè)過程條件的今天,開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用且具有典型對象特性的實(shí)驗(yàn)裝置無疑是一條探索將理論成果快速轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的捷徑。多容器流程系統(tǒng)是具有純滯后的非線性耦合系統(tǒng),是過程控制中的一種典型的控制對象,在實(shí)際生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用背景。用經(jīng)典控制方法和常規(guī)儀表控制這類過程時(shí),常因系統(tǒng)的多輸入多輸出關(guān)系以及系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)而使系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜,會(huì)明顯

14、地降低控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì),在耦合嚴(yán)重的情況時(shí)會(huì)使各個(gè)系統(tǒng)均無法投入運(yùn)行。液位控制系統(tǒng)是模擬多容器流程系統(tǒng)的多輸入多輸出,大遲延,非線性,耦合系統(tǒng),它的液位控制算法的研究對實(shí)際的工程應(yīng)用有著非常重要的意義。 工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的被控對象往往是多輸入多輸出系統(tǒng),回路之間存在著耦合的現(xiàn)象。即系統(tǒng)的某一個(gè)輸入影響到系統(tǒng)的多個(gè)輸出,或者系統(tǒng)的某一個(gè)輸出受到多個(gè)系統(tǒng)輸入的影響。有時(shí)對該多變量系統(tǒng)進(jìn)行解耦能夠獲得滿意的控制效果。液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置模擬了工業(yè)現(xiàn)場多種典型的非線性時(shí)變多耦合系統(tǒng),用常規(guī)的控制手段往往很難實(shí)現(xiàn)理想的控制效果,因此對其控制算法進(jìn)行研究具有非常重要的實(shí)際意義。1.2模糊控制在工業(yè)中的

15、應(yīng)用自從1965年美國加利福尼亞大學(xué)的zadeh教授創(chuàng)建模糊集理論和1974年英國的 e.h.mamdani 成功地將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制以來，模糊控制得以廣泛發(fā)展并在現(xiàn)實(shí)中得以成功應(yīng)用，其根源在于模糊邏輯本身提供了由專家構(gòu)造語言信息并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法，因而能夠解決許多復(fù)雜而無法建立精確的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的控制問題，是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中不精確和不確定性的一種有效方法。從廣義上講，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式，對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對象實(shí)施的一種控制。它是模糊數(shù)學(xué)同控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)也構(gòu)成了智能控制的重要組成部分。模糊控制的突出特點(diǎn)在于：控

16、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時(shí)變及滯后系統(tǒng)。以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家的“知識(shí)”?？刂仆评聿捎貌痪_推理“（approximate reasoning）”，推理過程模仿人的思維過程，因?yàn)榻槿肓巳祟惖慕?jīng)驗(yàn)，因而能夠處理復(fù)雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng)模糊控制在理論上突飛猛進(jìn)的同時(shí)，已越來越多地成功地應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界中。然而相比于傳統(tǒng)的控制方法，應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制中的模糊控制到底有什么優(yōu)勢許多學(xué)者在研究證明采用啟發(fā)式規(guī)則的模糊控制器性能優(yōu)于常規(guī)控制器性能時(shí)是否進(jìn)行了平等的比較，也即

17、是否用性能較好的模糊控制器與性能較差的 pi 控制器進(jìn)行著比較，k.j.astrom 表達(dá)了上述觀點(diǎn)?？梢哉f每一種新的技術(shù)與方法在體現(xiàn)其優(yōu)越性能的同時(shí)，也必定存在其局限性。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，在對客觀對象進(jìn)行觀察和認(rèn)識(shí)時(shí)，模糊控制必竟不如人的認(rèn)識(shí)全面深刻，因而若要達(dá)到真正仿人智能的效果，仍然需要其自身在工程應(yīng)用中不斷地朝著自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)方向發(fā)展。 本文應(yīng)用模糊控制對單容水箱液位對象進(jìn)行控制并仿真。1.3系統(tǒng)的控制算法種類 目前，針對過程控制所研究開發(fā)出來的控制算法很多，得到工程界認(rèn)可的控制策略主要有以下幾種：（1） 模糊控制算法。大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的 pid 控制算法對于絕大部分工業(yè)過程的被控

18、對象(高達(dá) 90%)可取得較好的控制效果。采用模糊控制算法往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。（2） 預(yù)測控制。預(yù)測控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型計(jì)算機(jī)控制算法。因?yàn)樗捎枚嗖筋A(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略因而控制效果好、魯棒性強(qiáng)，適用于控制不易建立精確數(shù)學(xué)模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程。（3） 自適應(yīng)控制。在過程工業(yè)中，不少的過程是時(shí)變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時(shí)變的過程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。（4） 智能控制。隨著科技的發(fā)展，對工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及控制參

19、數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另外，被控工業(yè)過程日益復(fù)雜，過程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學(xué)模型精確描述。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計(jì)卻不依賴過程的數(shù)學(xué)模型，因而對于復(fù)雜的工業(yè)過程往往可以取得很好的控制效果。本節(jié)主要針對 pid 和模糊（智能）控制算法進(jìn)行研究，最后給出本文將要實(shí)現(xiàn)的控制算法。1.4 本論文的主要內(nèi)容本論文研究的以單容水箱液位為研究對象，建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)單容水箱液位單回路反饋控制系統(tǒng)，采用pid控制并進(jìn)行仿真以及參數(shù)整定。設(shè)計(jì)單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)。即設(shè)計(jì)一個(gè)兩維模糊控制器，模糊控制器的設(shè)計(jì)為兩個(gè)輸入一個(gè)輸出，模糊控制器

20、的輸出用來控制閥門的開度，調(diào)節(jié)水箱的液位。最后對pid控制和模糊控制進(jìn)行比較。第二章 單容水箱液位系統(tǒng)組成及數(shù)學(xué)建模2.1 單容水箱的組成 水箱液位控制系統(tǒng)是進(jìn)行控制理論與控制工程相互結(jié)合的理想平臺(tái),可以方便地構(gòu)成一階系統(tǒng)對象和二階系統(tǒng)對象以及多階系統(tǒng)對象。單容水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示.它由水箱,液位傳感器,出水閥門和入水閥門組成.被控對象是裝有入水閥門和出水閥門的單個(gè)水箱,被控量是液位.單容水箱液位控制系統(tǒng)能夠模擬實(shí)際生產(chǎn)中的罐狀容器(蓄液池或貯液缸等),完成一些典型的液位控制。本論文研究單容水箱液位系統(tǒng)，改變調(diào)節(jié)閥（fv101）的開度，水箱液位會(huì)作相應(yīng)變化。系統(tǒng)原理見圖2-1。水流入量

21、qi由調(diào)節(jié)閥 u控制，流出量q0則由用戶通過閘板開度來改變。被調(diào)量為水位h0分析水位在調(diào)節(jié)閥開度擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性：圖2-1 單容水箱液位原理圖2.2 單容水箱液位的數(shù)學(xué)建模此容器的流出閥為手動(dòng)閥門，流量只與容器1的液位h有關(guān)。水槽的平衡方程為 q- q=a (2-1)此時(shí)出口物料流量q可以寫成 q= （2-2） 將（2-2）帶入（2-1）可得 ar+ h =rq (2-3)將（2-3）進(jìn)行拉式變換后，可得傳遞函數(shù) (2-4)令ar=t，r=k，h=y，q=x，可得單容液位對象的數(shù)學(xué)模型，即傳遞函數(shù)為 (2-5)實(shí)際上，水槽底面積越大，對液體的容量也越大，相同流量的改變造成的液位變化也越小。上述

22、流程中由于只有一個(gè)水槽，且輸出參數(shù)為液位，所以稱為單容液位對象。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量q；被控量：水箱液位；控制對象特性：水箱尺寸為：s=0.0025m2,h=10cm;流量q1=0.0083m3/s,q2=0.02m3/s, r=2s/m2 。 (2-6) (2-7) ar=t,r=k (2-8) (2-9) (2-10)第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 pid控制算法和模擬pid調(diào)節(jié) 按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為 pid 調(diào)節(jié)器，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。pid 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期應(yīng)用中己積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，被

23、廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，至今仍有 90%左右的控制回路具有 pid 結(jié)構(gòu)?？刂破鞯幕究刂埔?guī)律有比例（proportional 或 p）、積分（integral 或 i）和微分（differential 或 d）幾種，工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合。pid 控制產(chǎn)生并發(fā)展于 1915-1940 年期間，盡管自 1940 年以來，許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但pid 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，迄今仍被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。如圖 3-1 所示，常規(guī) pid 控制系統(tǒng)主要由 pid 控制器和被控對象組成。pid控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r

24、(t)與輸出值 y（t）構(gòu)成的控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱為 pid 控制器。 （3-1）對應(yīng)的模擬 pid 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （3-2）其中，e（t）r（t）-y（t），kp 為比例系數(shù)，ti 為積分時(shí)間常數(shù)，td 為微分時(shí)間常數(shù)。圖3-1 模擬pid控制系統(tǒng)從式（3-1）看到，pid 控制器的控制輸出由比例、積分、微分三部分組成。（1）比例部分 kpe（t）在比例部分比例系數(shù) kp 的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。加大 kp值，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)

25、降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞。（2）積分部分從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會(huì)不斷積累。由于積分作用，當(dāng)輸入 e（t）消失后，輸出信號(hào)的積分部分有可能是一個(gè)不為零的常數(shù)?？梢?，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。在串聯(lián)校正時(shí)，采用 i 控制器可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但積分控制使系統(tǒng)增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號(hào)產(chǎn)生 的相角滯后，于系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)中，通常不宜采用單一的 i 控制器。（3）微分部分微分部分的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。pid 控制器

26、的微分環(huán)節(jié)能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因?yàn)槲⒎植糠肿饔弥粚?dòng)態(tài)過程起作用，而對穩(wěn)態(tài)過程沒有影響，且對系統(tǒng)噪聲非常敏感，所以單一的 d 控制器在任何情況下都不宜與被控對象串聯(lián)起來單獨(dú)使用。通常，微分控制規(guī)律總是與比例控制規(guī)律或比例-積分控制規(guī)律結(jié)合起來，構(gòu)成組合的 pd 或 pid 控制器，應(yīng)用于實(shí)際的控制系統(tǒng)。3.2 pid控制規(guī)律在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 pid 控制，又稱 pid 調(diào)節(jié)。pid 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為

27、工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，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)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 pid 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 pid 控制技術(shù)。pid 控制，實(shí)際中也有 pi 和 pd 控制。pid 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（p）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error

28、）。積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（system with steady-stateerror）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比

29、關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性

30、。1. 比例調(diào)節(jié)依據(jù)偏差的大小來動(dòng)作,它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調(diào)節(jié)及時(shí),有力,但有余差。它用比例度來表示其作用的強(qiáng)弱,比例度越小,調(diào)節(jié)作用越強(qiáng),相反,比例度越大,調(diào)節(jié)作用就越弱;比例作用太強(qiáng)時(shí),會(huì)引起震蕩。 2.積分調(diào)節(jié)依據(jù)偏差是否存在來動(dòng)作,它的輸出與偏差對時(shí)間的積分成比例,只有當(dāng)余差消失時(shí),積分作用才會(huì)停止,其作用是消除余差.但積分作用使最大動(dòng)偏差增大,延長了調(diào)節(jié)時(shí)間。它用積分時(shí)間 t 來表示其作用的強(qiáng)弱,t 越小,積分作用越強(qiáng),但積分作用太強(qiáng)時(shí),也會(huì)引起震蕩。3. 微分調(diào)節(jié)依據(jù)偏差變化的速度來動(dòng)作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例,其效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化,有超前調(diào)節(jié)

31、的作用,對滯后大的對象(溫度)有很好的效果。它使調(diào)節(jié)過程偏差減小,時(shí)間縮短,余差也減小(但不能消除) 。它用微分時(shí)間 td來表示其作用的強(qiáng)弱,td 大,作用強(qiáng),但 td 太大,也會(huì)引起振蕩。3.2.1數(shù)字pid控制算法（1）pid 是一個(gè)閉環(huán)控制算法。因此要實(shí)現(xiàn) pid 算法，必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上。（2）pid 是比例(p)、積分(i)、微分(d)控制算法。但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可以是 pd,pi,甚至只有 p 算法控制。我以前對于閉環(huán)控制的一個(gè)最樸素的想法就只有 p 控制，將當(dāng)前結(jié)果反

32、饋回來，再與目標(biāo)相減，為正的話，就減速，為負(fù)的話就加速?，F(xiàn)在知道這只是最簡單的閉環(huán)控制算法。3.2.2控制器的p，i，d項(xiàng)選擇下面將常用的各種控制規(guī)律的控制特點(diǎn)簡單歸納一下：（1）比例控制規(guī)律 p：采用 p 控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制；油泵房中間油罐油位控制等。（2）比例積分控制規(guī)律(pi)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。

33、積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。如：在主線窯頭重油換向室中 f1401到 f1419 號(hào)槍的重油流量控制系統(tǒng)；油泵房供油管流量控制系統(tǒng)；退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。（3）比例微分控制規(guī)律(pd)：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要說明一點(diǎn)，對于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項(xiàng)是無能為力，而在測量

34、信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。（4）例積分微分控制規(guī)律(pid)：pid 控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。3.3模糊控制理論的起源與發(fā)展模糊控制理論是在美國加利福尼亞大學(xué)的扎德(l. a. zadeh)教授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的內(nèi)容。扎德( l. a. zadeh)教授在1965年發(fā)表了著名的模糊集合論

35、(fuzzysets)論文，文中首次提出表達(dá)事物模糊性的重要概念:隸屬函數(shù)，從而突破了19世紀(jì)末笛卡爾的經(jīng)典集合理論，奠定模糊理論的基礎(chǔ)。1966年馬厄諾斯(p. n. marinos)發(fā)表了模糊邏輯的內(nèi)部研究報(bào)告。接著，扎德又提出模糊語言變量這一重要概念。1974年，扎德又進(jìn)行了模糊邏輯推理的研究，同時(shí)，英國queenmary大學(xué)的馬丹尼(e. h. mamdani )首先用模糊控制語句組成模糊控制器，并把它成功地運(yùn)用與鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，實(shí)用效果良好。這一開拓性的工作，標(biāo)志著模糊控制理論和技術(shù)的誕生。二十多年來，模糊控制不論從理論和技術(shù)上都得到了長足的發(fā)展，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S而

36、又碩果累累的分支。 在模糊控制誕生后的最初幾年里，這一新的控制思想吸引了各國學(xué)者，他們紛紛在各種應(yīng)用領(lǐng)域嘗試著這一新的控制方法并取得了令人振奮的成果。英國的king和mamdani利用模糊控制器控制反應(yīng)爐攪拌池的溫度，荷蘭學(xué)者kickert等利用模糊控制器解決了熱交換過程中非線性、時(shí)滯和非對稱性增益等問題的控制，收到了最佳pi控制的效果。 1979年，英國的t. j. procyk和e. h. mamdani研究t一種自組織模糊控制器，它能在控制過程中不斷地調(diào)整和修改控制規(guī)則，因而使控制系統(tǒng)的性能不斷完善。自組織模糊控制器的出現(xiàn)，標(biāo)志著模糊控制器由低級(jí)向高級(jí)階段發(fā)展的開始。利用人工智能技術(shù)和方

37、法，研究具有自學(xué)習(xí)自適應(yīng)能力的模糊控制器，進(jìn)一步提高了它的智能水平，一直是人們努力的一個(gè)方向。自適應(yīng)模糊控制器，專家模糊控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器等等都是人們在這一方向上不斷探索的研究成果。1985年在at&t貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的渡邊等，首先開發(fā)出實(shí)現(xiàn)模糊推理功能的vlsi芯片。從而促進(jìn)了用硬件實(shí)現(xiàn)的模糊控制器的發(fā)展，給模糊控制帶來了新的生氣。在國內(nèi)，1980年我國學(xué)者汪培莊、樓世博給出了模糊控制的數(shù)學(xué)定義，并提出了可響應(yīng)問題。李寶緩等人用連續(xù)數(shù)學(xué)仿真方法，研究了典型模糊控制的性能。清華大學(xué)的鄭維敏教授等利用模糊集合理論分析了模糊控制的魯棒性等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在研究自校正、自學(xué)習(xí)的模糊控制器、

38、分層分綴的模糊控制方面，以及專家系統(tǒng)與模糊集合等向題上都取得了一定的進(jìn)展。此后，尤照升、陳國權(quán)、宋大鶴等人在模糊控制理論和控制算法方面做了大量的研究工作，在模糊控制理論上取得了可喜的成果，為模糊控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)。這之后，彭映斌、胡家躍、戴忠達(dá)、呂川、田成方、王學(xué)慧、王旭東、李友善等人把模糊控制領(lǐng)域應(yīng)用到冶金、化工等工業(yè)過程的控制領(lǐng)域(主要用在燒結(jié)過程和鋼廠燃油退火爐的溫度控制、水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程控制方面)，并取得了可喜的成果.盡管模糊控制己經(jīng)取得了令人振奮的研究成果，但由于它的發(fā)展歷史還不長，因此其理論上的系統(tǒng)性和完善性，其技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性還都是不夠的;另一方面

39、，模糊控制雖有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但并不能取代傳統(tǒng)的控制方法，而是作為后者的補(bǔ)充和改進(jìn)。例如，有人己嘗試把兩者結(jié)合起來，構(gòu)成了一種新型的調(diào)節(jié)器如模糊一pi調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊調(diào)節(jié)器等，有待人們進(jìn)一步地研究探索。模糊控制的誕生是和社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要分不開的。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。然而由于一系列原因，諸如被控對象或過程的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)間的強(qiáng)烈藕合、較大的隨機(jī)干擾、過程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜、各種不確定性以及現(xiàn)場測量手段不完善等，難以建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。雖然常規(guī)自適應(yīng)控制技術(shù)可以解決一

40、些問題，但范圍是有限的。對于那些難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對象，采用傳統(tǒng)控制方法，包括基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，往往不如一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員所進(jìn)行的手動(dòng)控制效果好。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn)之一就是有能力對模糊事物進(jìn)行識(shí)別和判決，看起來似乎不確切的模糊手段常常可以達(dá)到精確的目的。模糊控制的基木思想就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而人的控制經(jīng)驗(yàn)一般是由語言來表達(dá)的，這些語言表達(dá)的控制規(guī)則又帶有相當(dāng)?shù)哪：?。如人工控制加熱爐的溫度的經(jīng)驗(yàn)可以表達(dá)為:若溫度很低時(shí)，則開大閥；若溫度和要求溫度相差不大時(shí)，則把閥關(guān)??；若溫度接近要求溫度是，則把閥門關(guān)得很??；這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則中，“低”、“不太大”、“接近”、“

41、開大”、“關(guān)小”、“關(guān)得很小”這些表示溫度狀態(tài)和控制閥門動(dòng)作的概念都帶有模糊性，這些規(guī)則的形式正是模糊條件語句的形式，可以用模糊數(shù)學(xué)的方法來描述過程變量和控制作用的這些模糊概念及它們之間的關(guān)系，又可以根據(jù)這種模糊關(guān)系及某時(shí)刻過程變量的檢測值(需化成模糊if)用模糊邏輯推理的方法得出此刻的控制量。這正是模糊控制的基本思路。由于模糊控制器的模型不是由數(shù)學(xué)公式表達(dá)的數(shù)學(xué)模型，而是由一組模糊條件語句構(gòu)成的語言形式，因此從這個(gè)角度上講，模糊控制器又稱模糊語言控制器。模糊控制器的模型是由帶有模糊性的有關(guān)控制人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)組成的知識(shí)模型，是基于知識(shí)的控制，因此模糊控制屬于智能控制的范疇。因此可以

42、說，模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數(shù)學(xué)工具，用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種智能控制。3.4 模糊控制系統(tǒng)3.4.1 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)的基本原理可由圖3-2表示: 圖3-2模糊控制系統(tǒng)的基本原理框圖(1) 模糊控制器:模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別其它自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要標(biāo)志。模糊控制器一般由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)程序和硬件實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，可以是單片機(jī)，工業(yè)控制機(jī)等各種類型的計(jì)算機(jī)，程序設(shè)計(jì)可以用c語言或vc,vb等其它各種高級(jí)語言。(2) 輸入/輸出接口:輸入/輸出接口是實(shí)現(xiàn)模糊控制

43、算法的計(jì)算機(jī)與控制統(tǒng)連接的橋梁。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號(hào)量并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿M信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象。(3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu):執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對象賴以施加控制作用的 裝置，如工業(yè)過程控制中應(yīng)用最普遍最典型的各種調(diào)節(jié)閥和變頻器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的控制作用常常表現(xiàn)為使角度、位置或電壓等發(fā)生變農(nóng)，因此，它往往是由伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓閥等加上驅(qū)動(dòng)裝置組成。(4) 檢測裝置:檢測裝置一般包括傳感器和變送裝置電量如溫度、流量、壓力、液位、轉(zhuǎn)速、角度、濃度、成分等。它們檢測各種非成分等并變換放大為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，包括

44、模擬的或數(shù)字的等形式。(5) 被控對象:被控對象是一種設(shè)備或裝置或定若二個(gè)裝置或設(shè)備組成的群體，它們在一定的約束下工作以實(shí)現(xiàn)人們的某種目的。工業(yè)上典型的被控對象是各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)過程，從數(shù)學(xué)模型的角度講，它們可能矗單變量或多變量的，可能是線性的或是非線性的，可能是定常的或時(shí)變的，可能是一階的或高階的，可能是確定性的或是隨機(jī)過程，當(dāng)然也可能是混合有多種特性的過程。對于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，對于非線性和時(shí)變對象，模糊控制策略是較為適宜采用的一種方案。其中的核心部分為模糊控制器，由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)取得的，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的控

45、制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。其功能的實(shí)現(xiàn)是要先把計(jì)算機(jī)觀測控制過程得到的精確量轉(zhuǎn)化為模糊輸入信息，按照總結(jié)人的控制經(jīng)驗(yàn)及策略取得的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理和模糊決策再經(jīng)去模糊化處理得到輸出控制的精確量，求得輸出控制量的模糊集作用于被控對象。因此控制器的結(jié)構(gòu)通常是由它的輸入和輸出變量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判決等部分組成。3.4.2 模糊控制器的組成模糊控制器一般包括 5 部分：1.模糊化接口：將真實(shí)的確定量通過隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換成模糊量。2.數(shù)據(jù)庫：用于存放輸入和輸出變量全部模糊子集的隸屬函數(shù)。3.模糊規(guī)則集：以 if-then 控制規(guī)則形式給出的信息，根據(jù)模糊規(guī)則形式，模糊控制器主要可

46、分為 mamdani 和 takagi- sugeno(ts)兩類。4.模糊推理機(jī)構(gòu)：基于模糊規(guī)則，采用模糊邏輯操作和推理方法而獲得模糊輸出。5.解模糊接口：用于將模糊輸出轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的數(shù)值輸出。根據(jù)輸入和輸出變量的數(shù)目，可將模糊控制系統(tǒng)劃分為單變量和多變量模糊控制系統(tǒng)。絕大多數(shù)模糊系統(tǒng)都是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其輸入和輸出之間的非線性是由模糊控制器的上述各個(gè)組成部分引起的。常規(guī)模糊控制器如下圖所示。圖3-3 模糊控制器模糊控制器的設(shè)計(jì)問題就是模糊化過程、知識(shí)庫(含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫)、模糊推理和反模糊化計(jì)算四部分的設(shè)計(jì)問題。下面分析一下四大部件的設(shè)計(jì)。1.模糊化過程在確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)之后，就需要

47、對輸入量進(jìn)行采樣、量化并模糊化。將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化，以便實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。模糊化過程主要完成:測量輸入變量的值，并將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn)化為通常用語言值表示的某一限定碼的序數(shù)。每一個(gè)限定碼表示論域內(nèi)的一個(gè)模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來定義。對于某一個(gè)輸攻值，它必定與某一個(gè)特定模糊子集的隸屬程度相對應(yīng)。圖3-4給出了三種模糊化函數(shù)。 a b c圖3-4模糊化函數(shù)圖a給出了輸入變雖x。在給定模糊子集a中具有最大隸屬程度，也即表示當(dāng)前輸入屬于語言值a的程度最高。對于圖b只有在點(diǎn)x。處的隸屬度為1，其他輸入值對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值都為0，而圖c所表示的隸屬度函數(shù)曲線是鐘形曲線，它是連續(xù)函

48、數(shù)。除以上三種隸屬度函數(shù)以外，其他類型的隸屬度函數(shù)曲線只要符合一定的條件也是可以的。己有經(jīng)驗(yàn)表明，通常選擇三角型和梯形函數(shù)的隸屬度函數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中帶來很多方便。一旦模糊集設(shè)計(jì)完成，則對于任一的物理輸入x，映射的過程實(shí)際上是將當(dāng)前的物理輸入根據(jù)模糊子集的分布情況確定出此時(shí)此刻輸入值對這些模糊子集的隸屬程度。因此，為了保證在所有論域內(nèi)的輸入量都能與某一模糊子集相對應(yīng)，模糊子集的數(shù)目和范圍遍及整個(gè)論域。這樣，對于每一個(gè)物理輸入量至少有一個(gè)模糊子集的隸屬程度大于零。2.知識(shí)庫知識(shí)庫包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，數(shù)據(jù)庫提供必要的定義，包含了語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和正則化以及輸入空間的分區(qū)，隸屬度函數(shù)的定義

49、等。規(guī)則庫根據(jù)控制目的和控制策略給出了一套由語一言變量描述的并由專家或自學(xué)習(xí)產(chǎn)生的控制規(guī)則的集合，在建立控制規(guī)則時(shí)，首先要解決諸如狀態(tài)變量的選擇、控制變量的選擇、規(guī)則類型的選擇和規(guī)則數(shù)目的確定等事項(xiàng)。（1）數(shù)據(jù)庫模糊邏輯控制中的數(shù)據(jù)庫上要包括:量化等級(jí)的選擇、量化方式、比例因子和模糊子集的隸屬度函數(shù)。這些概念都是建立在經(jīng)驗(yàn)和工程判斷的基礎(chǔ)上的，其定義有一定的主觀性。（2）規(guī)則庫模糊控制系統(tǒng)是用一系列基于專家知識(shí)的語言來描述的，專家知識(shí)常采用“ifthen”的規(guī)則形式，而這樣的規(guī)則很容易通過模糊條件語句描述的模糊邏輯推理來實(shí)現(xiàn)。用一系列模糊條件描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成模糊控制規(guī)則庫。與模糊控制規(guī)

50、則庫相關(guān)的主要有:過程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇、模糊控制規(guī)則的建立和模糊控制規(guī)則的完整性、兼容性、干擾性等。3.模糊推理模糊決策推理是模糊控制的核心，它利用知識(shí)庫的信息模擬人類的推理決策過程，給出了適合的控制量。模糊推理是以模糊判斷為前提的，運(yùn)用模糊語言規(guī)則，推出新的模糊判斷結(jié)論的方法。目前模糊邏輯推理方法還在發(fā)展之中，比較典型的有扎德(l. a. zadeh)方法、瑪達(dá)尼(mamdani)方法、鮑德溫cbaldwin)方法、耶格(yager)方法、楚卡莫托(tsukamoto)方法。從條件變量的多少、模糊規(guī)則多少的角度來劃分，模糊規(guī)則推理方法又可分為近似推理、模糊條件推理、多輸入模糊

51、推理、多輸入多規(guī)則推理等四種模糊推理規(guī)則。這四種推理規(guī)則都可以選用不同的推理方法(如扎德法、瑪達(dá)尼法、鮑德溫法等)，但通常最簡單、最方便的推理法還是瑪達(dá)尼的極大極小推理法。 4.反模糊化過程 通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。但在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)能最佳代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確值的過程就稱為精確化過程(又稱反模糊化)。常用的反模糊化的計(jì)算方法有以下三種:（1）最大隸屬度函數(shù)法這種方法是取模糊子集中隸屬度最大的元素作為執(zhí)行量若對應(yīng)的模糊子集為u,則決策應(yīng)滿足，這個(gè)判別方法簡單易行，實(shí)時(shí)性也好，但它

52、概括的信息量少，因?yàn)檫@種方法完全不考慮其它隸屬度較小的元素的影響和作用。如果最大點(diǎn)有多個(gè)，它們是則取它們的平均值作為執(zhí)行量。(2)垂心法重心法是取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理最終輸出值即但實(shí)際上我們是通過計(jì)算輸出范圍內(nèi)整個(gè)采樣點(diǎn)(即若干離散值)的重心。這樣在不花太多時(shí)間的情況下，用足夠小的取樣間隔來提供所需要的精度，這是一種最好的折衷方案。即與最大隸屬度法相比較，重心法具有更平滑的輸出推理控制。即對應(yīng)與輸入信號(hào)的微小變化其推理的最終輸出一般也會(huì)發(fā)生一定的變化種變化，且這種變化明顯比最大隸屬度函數(shù)法要平滑。(3)加權(quán)平均法加權(quán)平均法的最終輸出值是由下式?jīng)Q定的 這里的系數(shù)的選

53、擇要根據(jù)實(shí)際情況而定。不同的系數(shù)就決定系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特性。當(dāng)該系數(shù)選擇時(shí)，即區(qū)其隸屬函數(shù)時(shí)，這就是重心法。在模糊邏輯控制中，可以通過選擇和調(diào)整該系數(shù)來改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。這種方法具有靈活性。反模糊化的計(jì)算方法還有很多,如左取大、右取大、取大平均等?？偟膩碚f,反模糊化計(jì)算方法的選擇與隸屬度函數(shù)的形狀選擇、推理方法的選擇都是相關(guān)的。第4章 單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 輸入、輸出變量的論域和模糊化模糊控制器的輸入變量誤差、誤差變化的實(shí)際范圍稱為這些變量的基本論域，設(shè)誤差的基本論域?yàn)?emax + emax 誤差變化的基本論域?yàn)?ecmax + ecmax 。被控對象實(shí)際要求的變化范圍為模

54、糊控制器輸出變量(控制量)的基本論域，設(shè)其為-yu +yu，顯然基本論域內(nèi)的量為精確量。誤差變量所取的模糊子集的論域?yàn)?-n, -n+1, 0, n-1, n 誤差變化變量所取的模糊子集的論域?yàn)?-m, -m+1, 0, m-1, m 控制量所取的模糊子集的論域?yàn)?-1,-l+l,0,1-1, 1 有關(guān)論域的選擇問題，一般選擇誤差論域的n 大于等于6，誤差變化的論域m大于等于6，控制量的論域l 大于等于7。因?yàn)檫@樣能滿足模糊集論域中所含元素個(gè)數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的兩倍以上，確保模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。值得指出，增加論域中的元素個(gè)數(shù)，即把等級(jí)細(xì)分，可以提高控制精度，但是受到計(jì)算機(jī)字長的限制，另外也要增大計(jì)算量。關(guān)于基本論域的選擇，由于事先對被控對象缺乏先驗(yàn)知識(shí)，所以誤差及誤差變化的基本論域只能做初步的選擇，待系統(tǒng)調(diào)整時(shí)再進(jìn)一步確定。被控對象的基本論域根據(jù)被控對象提供的數(shù)據(jù)選定。 對于單容水箱液位模糊控制系統(tǒng)，我們采用常見的二維模糊控制