模糊控制的應(yīng)用實(shí)例與分析

1、模糊控制的應(yīng)用學(xué)院 實(shí)驗(yàn)學(xué)院專業(yè)電子信息工程姓 名指導(dǎo)教師日 期2011年9月20日在自動(dòng)控制中，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論中有一個(gè)共同的特點(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(shí)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。模糊控制實(shí)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、

2、時(shí)變、在滯后、強(qiáng)耦合、變結(jié)構(gòu)、結(jié)束條件苛刻等復(fù)雜問題?？删?程控制器以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強(qiáng)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(jì)等問題，這兩者的結(jié)合， 可在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用。所謂模糊控制，其定義是是以模糊數(shù)學(xué)作為理論基礎(chǔ)，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 一種控制。模糊控制具有以下突出特點(diǎn)：(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(diǎn)是現(xiàn)場操作人員的控制經(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)

3、計(jì)簡單，便 于應(yīng)用(2) 由工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì) 那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適 用。基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易 導(dǎo)致較大差異；但一個(gè)系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控 制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。(4) 模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。(5) 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱， 尤其適合于非線性、時(shí)

4、變及純滯后系統(tǒng)的控制。由于有著諸多優(yōu)點(diǎn)，模糊理論在控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 下面我們就以下 示例介紹模糊控制在實(shí)際中的應(yīng)用：電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)見圖1，模糊控制器的輸入變量為實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速給定值 之間的差值e及其變化率ec，輸出變量為電機(jī)的電壓變化量u。圖2為電機(jī)調(diào)試 輸出結(jié)果，其橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為2 OOOr/s時(shí)，電機(jī)能很快穩(wěn)定運(yùn)行于2 OOOr /s；當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速下降到1 OOOr /s時(shí)，轉(zhuǎn)速又很快 下降到1 OOOr / s穩(wěn)定運(yùn)行。穽艸alue 卡 H半呻 卜:FUZZYCftT MOTORjuiulvalu4現(xiàn)以閥控液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨削閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 3為

5、例，此系統(tǒng)是以 給定的磨削工件表面粗糙度 Rao 為輸入，以磨削表面粗糙度的實(shí)測值 Ra為輸 出。圖3以表面粗糙度的給定值Rao為輸入，以磨削后表面粗糙度的實(shí)測值 Ra為輸出的控制系統(tǒng)組成如圖4所示：圖4介紹完模糊控制的基本應(yīng)用，我們就來看看模糊控制具體應(yīng)用在哪些領(lǐng)域：(1) 模糊控制在工業(yè)企業(yè)大型生產(chǎn)過程中的應(yīng)用湖南大學(xué)的劉國才等對(duì)T-S模糊推理方法進(jìn)行了深人研究，并將其成功應(yīng)用 于國家“八五”重點(diǎn)新技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“氧化鋁熟料燒成自動(dòng)控制管理系統(tǒng)中， 實(shí)現(xiàn)了氧化鋁燒成過程的自動(dòng)控制，攻克了幾十年來一直未能得到很好解決的氧 化鋁熟料燒成回轉(zhuǎn)窯的自動(dòng)控制難題， 取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 其

6、他 還有將模糊控制應(yīng)用到聚丙烯匠應(yīng)釜溫度控制、電弧煉鋼的控制、退火爐燃燒過 程的控制等。(2) 模糊控制在典型工業(yè)控制對(duì)象中的應(yīng)用模糊控制還被應(yīng)用到現(xiàn)代控制領(lǐng)域的典型工業(yè)控制對(duì)象，如交流伺服系統(tǒng)模 糊控制、機(jī)器人控制中的模糊控制、車輛自動(dòng)駕駛模糊控制、溫室溫度模糊控制 等等，可以說基本上在各種典型工業(yè)控制對(duì)象中的能見到模糊控制的身影。(3) 模糊控制技術(shù)在智能家用電器中的應(yīng)用模糊控制在智能家電中的應(yīng)用技術(shù)日本走在世界前列。目前已經(jīng)出現(xiàn)了全自動(dòng)洗衣機(jī)的模糊控制、電飯鍋的模糊控制、空調(diào)的變頻模糊控制、電冰箱的模糊 控制、微波爐的模糊控制等。模糊控制技術(shù)大大提高了這些家電的智能化水平和 控制效果，家

7、用電器中使用模糊控制也成為目前的一個(gè)時(shí)尚。(4) 模糊控制在國民經(jīng)濟(jì)等復(fù)雜大對(duì)象的預(yù)測中的應(yīng)用國民經(jīng)濟(jì)等大型對(duì)象非常復(fù)雜，其變化趨勢受很多因素影響，非常難以建立 精確的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行模擬。如人口變化趨勢預(yù)測、黃河流域雨量預(yù)測、物價(jià)上 漲趨勢預(yù)測等。但是可以通過模糊控制理論、專家系統(tǒng)理論等建立模糊預(yù)測模型， 獲得這些對(duì)象的變化趨勢。模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題還沒有解決。其中兩個(gè)重要的問題 是：如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)，這在目前完全憑經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行；以及如何保 證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大體說來，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強(qiáng)研究的主 要方向?yàn)椋?1) 適合于解決工程上普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)

8、定性評(píng)價(jià)理論體系； 控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性分析和可觀性判定方法等。(2) 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)設(shè)定方法，量化 水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實(shí)現(xiàn)以及規(guī)則和隸屬函 數(shù)參數(shù)自動(dòng)生成等問題；進(jìn)一步則要求我們給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè) 計(jì)方法。(3) 模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論的確定，以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和(4) 模糊動(dòng)態(tài)模型的辨識(shí)方法。(5) 預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和提高計(jì)算速度的方法。(6) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合，有望發(fā)展一套新的智能控制理論。(7) 模糊控制算法改進(jìn)的研究：由于模糊邏輯的范疇很廣，包含大量的概念 和原則；然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用的卻 為數(shù)不多。這方面的嘗試有待深入。(8) 最優(yōu)模糊控制器設(shè)計(jì)的研究：依據(jù)恰當(dāng)提出的性能指標(biāo)，規(guī)范控制規(guī)則 的設(shè)計(jì)依據(jù)，并在某種意義上達(dá)到最優(yōu)。(9) 簡單、實(shí)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