智能控制講義第五章高級模糊控制器的設(shè)計方法

1、第5章 高級模糊控制器的設(shè)計方法前一章中主要討論了模糊控制系統(tǒng)的工作原理和基本模糊控制器的設(shè)計步驟。然而基本模糊控制器在實際應(yīng)用中還存在一些不足，如規(guī)則一旦確定，在線就不可修改等問題。為此，在基本模糊控制器基本知識的基礎(chǔ)上，本章進一步討論結(jié)構(gòu)較為復雜但性能較好的模糊控制器原理及其設(shè)計方法。5.1 帶修正因子的自組織模糊控制器的設(shè)計模糊控制系統(tǒng)的核心在于模糊控制器，模糊控制器性能對系統(tǒng)性能的影響很大，而模糊控制器的性能又取決于控制規(guī)則的適合程度。前一章中討論過的量化因子和的作用，實際上可認為它們分別是對控制器輸入量誤差及誤差變化率的加權(quán)，并直接影響系統(tǒng)的性能。和在調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性時是互相制約的，可以

2、把它們看做常規(guī)PID控制器的比例系數(shù)和微分系數(shù)，因為基本模糊控制器實際就是PD控制器。人們也由此想到用一個解析表達式來刻畫一個這樣的基本模糊控制器，并引入修正因子來實現(xiàn)模糊規(guī)則的及其控制查詢表的調(diào)整，達到改善模糊控制系統(tǒng)性能的目的。一、一個修正因子的模糊控制器為了說明問題方便，在此設(shè)有兩輸入/一輸出的帶修正因子的模糊控制器，其輸入誤差E、誤差變化率EC及控制量U各有7個語言值，且量化等級均為-3，-2，-1，0，1，2，3。又設(shè)輸入輸出語言變量各語言值的隸屬函數(shù)（模糊子集）定義如圖5-1所示。-3 -2 -1 0 1 2 3NL NM NS ZE PS PM PLx, y, zµ圖5

3、-1 輸入輸出變量模糊子集定義帶一個修正因子的模糊控制器可用解析表達式表示如下： （5-1）其中a為0到1之間的實數(shù)，稱作修正因子。該修正因子可被用作模糊語言值的加權(quán)系數(shù)或?qū)?yīng)量化等級的加權(quán)系數(shù)。在本節(jié)均看作是模糊語言值的加權(quán)系數(shù)。符號<×>表示按四舍五入取整。由表達式（5-1）可看出，通過改變a值可實現(xiàn)對控制規(guī)則的靈活調(diào)整，從而達到改善系統(tǒng)性能的目的。假設(shè)初始模糊規(guī)則表為表5-1，根據(jù)式（5-1），可求得當a=0.5、a=0.75時，修正后的模糊控制規(guī)則表5-2、表5-3。表 5-1初始模糊控制規(guī)則表 ECUE-3-2-10123NLNMNSZEPSPMPL-3NL33

4、33200-2NM3333200-1NS22220-1-10ZE2210-1-2-21PS110-2-2-2-22PM00-2-3-3-3-33PL00-2-3-3-3-3表 5-2 模糊控制規(guī)則表（a=0.5） ECUE-3-2-10123NLNMNSZEPSPMPL-3NL3322110-2NM322110-1-1NS22110-1-10ZE2110-1-1-21PS110-1-1-2-22PM10-1-1-2-2-33PL0-1-1-2-2-3-3表 5-3 模糊控制規(guī)則表（a=0.75） ECUE-3-2-10123NLNMNSZEPSPMPL-3NL3332222-2NM222211

5、1-1NS21111000ZE11000-1-11PS00-1-1-1-1-22PM-1-1-1-2-2-2-23PL-2-2-2-2-3-3-3通常，當被控對象階次較高時，對誤差的加權(quán)值應(yīng)小于對誤差變化率的加權(quán)值，所以a 應(yīng)取得小些（a<0.5）。反之，當被控對象階次較低時，對誤差的加權(quán)值應(yīng)大于對誤差變化率的加權(quán)值，所以a 應(yīng)取得大些（a>0.5）。用這種方法可以克服僅憑經(jīng)驗確定的控制規(guī)則的缺陷，避免控制規(guī)則定義中的空擋和跳變現(xiàn)象。圖5-2給出了對象傳遞函數(shù)為二階圖5-2 取4個不同值時的響應(yīng)曲線環(huán)節(jié)，當a=0.25、0.35、0.5、0.75時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。從圖中可看出，當

6、a 太小時，由于對誤差變化率加權(quán)大，故時間響應(yīng)速度太慢。隨著a 增大，系統(tǒng)上升時間縮短，但超調(diào)增大，調(diào)整時間延長。二、帶兩個修正因子的模糊控制器由于只采用一個修正因子，有時仍不能滿足控制的要求。通常，對于同一個系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下，對誤差及其變化率其加權(quán)值應(yīng)有所不同。比如，在系統(tǒng)誤差較大期間，控制器的主要任務(wù)是快速消除誤差，此時應(yīng)加強對誤差的加權(quán)，以加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而當誤差較小階段，控制器的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，即應(yīng)加強誤差變化率的權(quán)值。為此，引入2個修正因子的方法被提出，其對應(yīng)的解析表達式為： （5-2）其中、為0到1之間的實數(shù)，且<。一般情況下，選取，。通過式（5-2）可實

7、現(xiàn)在大誤差期間，用來加強對誤差的權(quán)重，實現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；而在小誤差期間用來削弱誤差權(quán)重以增強誤差變化率的權(quán)值，從而達到使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定的目的。與一個修正因子相比，兩個修正因子更能夠靈活地實現(xiàn)模糊規(guī)則的調(diào)整，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。表5-4、表5-5給出了、和、時對應(yīng)的模糊規(guī)則表。表 5-4 模糊控制規(guī)則表（、） ECUE-3-2-10123NLNMNSZEPSPMPL-3NL3322111-2NM2221100-1NS22100-1-10ZE2110-1-1-21PS1100-1-2-22PM00-1-1-2-2-23PL-1-1-1-2-2-3-3表 5-5 模糊控制規(guī)則表（、） ECUE-3

8、-2-10123NLNMNSZEPSPMPL-3NL3322221-2NM2221111-1NS22110-1-10ZE2110-1-1-21PS110-1-1-2-22PM-1-1-1-1-2-2-23PL-1-2-2-2-2-3-3圖5-3給出了當對象為二階環(huán)節(jié)時，用帶2個修正因子的模糊控制器、規(guī)則采用表5-4和用帶1個修正因子的模糊控制器、規(guī)則采用表5-2時的仿真結(jié)果比較。為了清楚地觀察系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)，左圖給出了前五個仿真單位時間期間的響應(yīng)情況。圖5-3 帶兩個修正因子與帶單個修正因子的模糊控制器控制二階環(huán)節(jié)的仿真曲線三、帶多個修正因子的模糊控制器有圖5-2可看出，帶2個修正因子的模糊控

9、制器性能明顯比帶1個修正因子的要好，是因為它調(diào)整規(guī)則比較靈活。用同樣思想，在設(shè)計模糊控制器時可考慮增加更多的修正因子，以滿足性能的要求。式（5-3）是帶4個修正因子的模糊控制器的解析表達式：， （5-3）其中，、為0到1之間的實數(shù)，一般情況下，選取<<<。式（5-3）表明，對于不同的模糊誤差語言值采用不同的修正因子。表5-6給出了=0.45、0.55、0.65、=0.75時對應(yīng)的模糊控制規(guī)則表。圖5-4給出了分別帶1個、2個和3個修正因子且以表5-2、表5-4和表5-6為模糊控制規(guī)則情況下對應(yīng)的輸出響應(yīng)仿真曲線，它們的上升時間分別約為4個、0.8個和0.15個仿真單位時間。表

10、 5-6 模糊控制規(guī)則表（=0.45、0.55、0.65、=0.75） EC UE-3-2-10123NLNMNSZEPSPMPL-3NL3332222-2NM2221110-1NS211100-10ZE2110-1-1-21PS100-1-1-1-22PM0-1-1-1-2-2-23PL-2-2-2-2-3-3-3圖5-4 帶多個修正因子與帶一個和兩個修正因子的模糊控制器控制二階環(huán)節(jié)的仿真曲線比較四、修正因子自尋優(yōu)模糊控制器的設(shè)計由前可知，帶3個或4個等多個修正因子時，其規(guī)則調(diào)整更靈活、方便，但同時在因子取值的選擇與配合方面出現(xiàn)困難。盡管知道大致的選擇原則，但也無法知道如何配合才能取得最佳的

11、性能指標，因子越多，這個問題越突出。為了解決該問題，可以引入?yún)?shù)自尋優(yōu)的方法。這里為了能夠?qū)Χ鄠€加權(quán)因子進行尋優(yōu)，采用ITAE時間乘誤差絕對值積分性能指標，即， （5-4）式中J（×）表示誤差函數(shù)加權(quán)之后的積分面積的大小。括號中I表示積分，T表示時間，A表示絕對值，E表示誤差。由式（5-4）可看出，ITAE積分性能指標能夠綜合評價控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，如響應(yīng)快、調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)小及穩(wěn)態(tài)誤差小等。圖5-5給出了帶修正因子自尋優(yōu)模糊控制器系統(tǒng)的方框圖。圖5-5 自尋優(yōu)模糊控制器系統(tǒng)的方框圖d/dt模糊化處理U=-<e+(1-)EC>逆模糊化被控對象給定值ry被控量e

12、32;è/re/r尋優(yōu)過程u性能測量使用該方法選擇因子時，首先設(shè)定一組修正因子，然后通過尋優(yōu)可找到適于被控對象當前運行狀態(tài)的最佳的一組修正因子，使得系統(tǒng)具有良好的控制性能。但當運行狀態(tài)發(fā)生變化時，必須重新尋優(yōu)，找到一組新的最佳因子。但如果修正因子太多，尋優(yōu)算法將變得復雜，甚至難以實現(xiàn)。五、帶有自修正因子的模糊控制器為了盡量簡化尋優(yōu)過程，并且結(jié)合帶多個修正因子的優(yōu)點，可設(shè)計一種在誤差、誤差變化率、控制量語言變量的全論域范圍內(nèi)帶有自修正因子的模糊控制器。設(shè)誤差、誤差變化率、控制量的論域分別為 E=EC=U= -N，-N+1，-1，0，1，N-1，N 則在全論域范圍內(nèi)，帶自修正因子的模糊控

13、制器可用式（5-5）表示， （5-5）式中，。為修正因子，它在之間隨著誤差量化等級絕對值的變化而變化。共有N個值，這樣充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)在不同狀態(tài)下對的不同要求，這種自動調(diào)整控制規(guī)則的過程更加符合人在控制過程中的思維特點，也體現(xiàn)了優(yōu)化的作用，而且與修正因子自尋優(yōu)模糊控制器相比較，算法更簡單、實用，而且也非常易于計算機實現(xiàn)。當=，則=，此時這個帶自修正因子的模糊控制器即為帶一個修正因子的模糊控制器了。圖5-6給出的是=0.25，=0.75時的仿真曲線和帶3個修正因子、控制模型采用表5-6時的仿真曲線比較。圖5-6 帶自修正因子與帶多個修正因子的模糊控制器二階環(huán)節(jié)的仿真曲線六、修正因子為自調(diào)節(jié)函數(shù)

14、的模糊控制器帶有自修正因子的模糊控制器根據(jù)誤差絕對值的等級來調(diào)整修正因子，從而改變擴展規(guī)則，但這些修正因子只是幾個離散值。若能夠?qū)⑿拚蜃用枋鰹橄到y(tǒng)誤差的函數(shù)，進而能根據(jù)誤差連續(xù)地調(diào)整修正因子，從而改善系統(tǒng)的控制效果。修正因子為自調(diào)整函數(shù)的模糊控制器系統(tǒng)框圖如圖5-7所示。圖5-7 帶修正函數(shù)的模糊控制器的系統(tǒng)的方框圖d/dt修正函數(shù)模糊化處理歸一模糊量化模糊推理逆模糊化被控對象給定值r被控量yeèè/re/ru1 歸一模糊量化歸一模糊量化是指對系統(tǒng)的誤差、誤差變化率相對于系統(tǒng)給定值進行的歸一化處理，得到、值，并將它們在0，1閉區(qū)間內(nèi)分成若干量化等級（實際上各量事先應(yīng)進行尺

15、度變換處理），以完成誤差、誤差變化率精確量的歸一模糊量化。若設(shè)誤差E、誤差變化率EC的論域具有相同等級，如E=EC=-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5時，式（5-6）、式（5-7）為誤差、誤差變化率的歸一模糊量化 ， （5-6） ， （5-7）采用歸一化模糊量化，不需要對量化因子進行調(diào)整，也不需要對采樣值進行量綱變換。2 帶修正函數(shù)的模糊控制規(guī)則設(shè)被控過程的控制規(guī)則為：， （5-8）式中，為修正因子，為積分作用的權(quán)重，、為誤差閾值，且>。式（5-8）所體現(xiàn)的控制思想是：當誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除系統(tǒng)大的誤差，所以要加強誤差的控制作用，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當

16、誤差處于中等時，控制系統(tǒng)的這樣任務(wù)時消除所具有的誤差，同時要避免系統(tǒng)快到穩(wěn)態(tài)時，可能引起系統(tǒng)超調(diào)，所以要同時加強誤差和誤差變化率的控制作用；當誤差較小時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是避免系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以一方面要加強誤差變化的控制作用，另一方面要考慮積分和對系統(tǒng)的控制作用。因此，基于上述思想，建立修正因子與歸一誤差e / r之間的函數(shù)關(guān)系如下： （5-9）式中，k、p為待定參數(shù)，它們對修正因子的影響如圖5-8所示。 圖5-8 修正函數(shù)曲線從圖5-8中可看出，當p>1時，隨誤差e增大遞增較慢，誤差變化的控制作用加強，p越大，其作用越強；當p<1時，隨誤差e增大遞增較快，誤差

17、的控制作用加強，p越小，其作用越強。一般情況下，常取?？紤]到在系統(tǒng)大誤差時，系統(tǒng)響應(yīng)速度應(yīng)該加快，一般 取k>1。但是，k不能無限的大，因為在誤差變小到時，應(yīng)滿足的要求，由式（5-9）解出參數(shù)k的取值范圍為， （5-10）選定k、p值，修正因子則成為誤差的函數(shù)，使得控制規(guī)則的調(diào)整更加靈活。5.2 PID參數(shù)自組織模糊控制器的設(shè)計目前,常規(guī)PID調(diào)節(jié)器因其算法簡單而被廣泛用于工業(yè)過程控制中，通過調(diào)節(jié)PID控制器的、 三個參數(shù),使其應(yīng)用于各種不同的對象，并取得了較好的控制效果.用計算機實現(xiàn)常規(guī)PID的控制算法為： （5-11）其中，、分別為被控對象在采樣時刻k的誤差、誤差和、誤差變

18、化。、分別為PID的比例、積分、微分系數(shù)。數(shù)字PID同樣存在3個參數(shù)的整定問題，雖然目前已有一些整定PID調(diào)節(jié)器3個參數(shù)的方法，但這些方法都是對被控過程在線辨識的基礎(chǔ)上，分別對PID3個參數(shù)進行調(diào)整，若被控對象的數(shù)學模型比較精確，該方法比較實用。但是對于那些難以建立被控對象數(shù)學模型的復雜過程卻難以奏效。況且，假設(shè)PID參數(shù)在初始時已設(shè)定好，但是隨著被控對象系統(tǒng)的狀態(tài)變化，PID參數(shù)應(yīng)做一些調(diào)整，以滿足系統(tǒng)性能的要求。本節(jié)PID參數(shù)自組織模糊控制器的思想就是：將模糊控制中模糊推理的思想和常規(guī)的PID控制結(jié)合起來，將誤差和誤差變化率作為模糊推理機的輸入，然后對PID的3個參數(shù)進行在線自整定。圖5-

19、9為PID參數(shù)自組織模糊控制器系統(tǒng)原理圖。模糊化處理模糊推理反模糊化PID調(diào)節(jié)器被控對象計算誤差變化率被控量y給定值reKpKpKiKiKdKdu圖5-9 PID參數(shù)自組織模糊控制器系統(tǒng)原理圖圖5-9中，首先，對輸入端的清晰量誤差、誤差變化率進行模糊化處理，得到對應(yīng)的模糊值、；然后，根據(jù)得到的誤差、誤差變化率模糊值進行模糊推理得到、或它們對應(yīng)的增量、；最后，經(jīng)反模糊化得到清晰值、或它們對應(yīng)的增量、，實現(xiàn)PID參數(shù)修改，以獲得更好的控制特性。根據(jù)修改參數(shù)的不同方式，PID參數(shù)自組織模糊控制器分為兩種：PID參數(shù)自整定模糊控制器和PID參數(shù)自校正模糊控制器。一、PID參數(shù)自整定模糊控制器的設(shè)計該方

20、法是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立PID參數(shù)、的模糊集合、同誤差絕對值|E|、誤差變化率絕對值|EC|的模糊集合、之間的調(diào)整規(guī)則，并根據(jù)系統(tǒng)的誤差、誤差變化率實時整定PID參數(shù)的一種模糊控制器。具體設(shè)計步驟如下：STEP 1 選取輸入、輸出語言變量選擇誤差絕對值|E|、誤差變化率絕對值|EC|的模糊集合作為輸入語言變量，選擇、的模糊集合作為輸出語言變量。輸入、輸出語言變量的語言值取“大”、“中”、“小”，分別用“L”、“M”、“S”表示。|E|、|EC|、語言變量的隸屬函數(shù)曲線如圖5-10至圖5-14所示。通過調(diào)整各變量基本論域中的關(guān)鍵值，即可改變各變量語言值的隸屬函數(shù)曲線。

21、1|E|SE(|E|)ME(|E|)LE(|E|)0 a1 a2 a3圖5-10 誤差|E|的隸屬函數(shù)曲線圖1|EC|SE(|EC|)ME(|EC|)LE(|EC|)0 b1 b2 b3圖5-11 誤差|EC|的隸屬函數(shù)曲線圖1|Ki|SI(|Ki|)MI(|Ki|)LI(|Ki|)0 d1 d2 d3圖5-13 Ki的隸屬函數(shù)曲線圖1|Kp|SP(|Kp|)MP(|Kp|)LP(|Kp|)0 c1 c2 c3圖5-12 誤差Kp的隸屬函數(shù)曲線圖1|Kd|SD(|Kd|)MD(|Kd|)LD(|Kd|)0 e1 e2 e3圖5-14 Kd的隸屬函數(shù)曲線圖STEP 2 控制規(guī)則的建立首先，對系統(tǒng)

22、在不同的|E|、|EC|時，被控過程對PID參數(shù)的調(diào)整要求做一歸納總結(jié)：（1）當誤差|E|較大時，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的；同時為避免系統(tǒng)在初始時，由于誤差的瞬時增大可能出現(xiàn)的微分飽和而使控制作用超出允許的范圍，此時，應(yīng)取較小的。同時，為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，對積分作用應(yīng)加以限制，所以，此時應(yīng)取=0。（2）當誤差|E|適中時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取稍小的；此時，的取值對系統(tǒng)的影響較大，所以的值要大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時，可增加一些積分對控制的作用，太大，易造成積分飽和，太小不能加快響應(yīng)速度，所以取值要適當。（3）當誤差|E|較小時，為使系統(tǒng)具有良

23、好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的、；同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近產(chǎn)生振蕩，值的選擇非常重要。一般情況下，當|E|較小時，可取大些，當|E|變大時，可取小些。根據(jù)以上分析和語言變量的定義，關(guān)于、，可以給出如下的自調(diào)整規(guī)則，分別如表5-7、表5-8和表5-9所示。表5-7 調(diào)整規(guī)則|E|EC|LMSZLMSMMMLMLLSLMLLZLMLZ表5-8 調(diào)整規(guī)則|E|EC|LMSZLZSMLMZSLLSZZLLZZZLL表5-9 調(diào)整規(guī)則|E|EC|LMSZLSMZZMMMSZSLLSSZLLSZSTEP 3 PID參數(shù)的求出假設(shè)系統(tǒng)某時刻誤差、誤差變化率的絕對值|E|、|EC|已知，現(xiàn)在根據(jù)|E|、|EC|來

24、求PID調(diào)節(jié)器的、。在此以求為例來說明推理方法。根據(jù)表5-6，可將每條調(diào)整規(guī)則寫出，如第一條可寫為：;該規(guī)則隸屬度的計算方法為： =Ù。 （5-12）同理，可求出關(guān)于的其它所有規(guī)則的隸屬度i =1,2,n，n為有關(guān)的所有規(guī)則的條數(shù)。假定系統(tǒng)在某時刻誤差、誤差變化率的絕對值|E|、|EC|已知，則的計算公式為：， （5-13）為第i條規(guī)則中所取模糊集合的中心值。同理，可得到、的計算公式，如式（5-14）、式（5-15）所示。其中，m、l分別為有關(guān)、的所有規(guī)則的條數(shù)。 。 （5-14）。 （5-15）由式（5-13）式（5-15）可以看出，、與誤差、誤差變化率的絕對值|E|、|EC|之間

25、建立了一種函數(shù)關(guān)系，滿足了系統(tǒng)在不同的E、EC狀態(tài)下對PID控制參數(shù)的不同要求，故該控制器能取得優(yōu)于常規(guī)PID控制器的效果。 獲取值的推理過程可用下圖來表示。從圖5-15可看出系統(tǒng)的輸入x0同時隸屬于誤差語言變量及誤差變化率語言變量中的模糊子集（語言值）SE和ME。由此可知，在規(guī)則庫中一定有四條模糊規(guī)則被激活：；。當對規(guī)則中的“and”采用取小算子、反模糊化采用重心法時，控制器中被激活的各條規(guī)則的推理過程及反模糊化過程可以用圖形方式表達，詳細解釋請參見有關(guān)文獻。圖5-16給出了被激活的四條規(guī)則的推理及控制器輸出判決的圖解過程。1|E|SE(|E|)ME(|E|)LE(|E|)0 a1 a2 a

26、31|EC|SE(|EC|)ME(|EC|)LE(|EC|)0 b1 x0 b2 b31|Kp|SP(|Kp|)MP(|Kp|)LP(|Kp|)0 c1 c2 c3圖5-15 輸入量x0與各模糊子集間的關(guān)系1|E|SE(|E|)0 a1 a2 a31|EC|SEC(|EC|)0 b1 b2 b31|Kp|LP(|Kp|)0 c1 c2 c31|E|SE(|E|)0 a1 a2 a31|Kp|LP(|Kp|)0 c1 c2 c31|EC|MEC(|EC|)0 b1 b2 b31|E|ME(|E|)0 a1 a2 a31|EC|SEC(|EC|)0 b1 b2 b31|Kp|KP(|Kp|)0 c

27、1 c2 c31|E|ME(|E|)0 a1 a2 a31|EC|MEC(|EC|)0 b1 b2 b31|Kp|KP(|Kp|)0 c1 c2 c31|Kp|MP(|Kp|)LP(|Kp|)0 c1 c2 c3圖5-16 四條激活規(guī)則模糊推理過程圖解二、PID參數(shù)自校正模糊控制器的設(shè)計設(shè)計思想：一般的二維模糊控制器都是將語言變量誤差E、誤差變化率EC作為輸入，而實際控制系統(tǒng)在過渡過程的不同階段所要求的性能指標的側(cè)重點是不同的。系統(tǒng)在起始階段希望有快速的系統(tǒng)響應(yīng)，而在穩(wěn)態(tài)階段希望有高的穩(wěn)態(tài)精度。此時，實際上是要求在不同的階段要有不同的參數(shù)組合、也就是說，、的校正量、不僅僅與E、åE、

28、EC有關(guān)，而且還與時間t有關(guān)，故應(yīng)將時間因素作為模糊自校正PID參數(shù)控制器的一個輸入變量。（一）建立輸入、輸出語言變量的模糊子集賦值表PID參數(shù)自校正模糊控制器輸入語言變量有4個：誤差絕對值|E|、誤差變化率絕對值|EC|、誤差和絕對值|åE |、時間t的模糊集合T。輸出語言變量有3個：、。誤差語言變量|E|的量化等級分為4個，|E|=1，2，3，4，分別對應(yīng)于誤差變量|e(t)|的實際取值范圍為（0，0.1、（0.1，0.3、（0.3，0.5、（0.5，）。誤差語言變量|E|的語言值為“非常大”、“大”、“中”和“小”，分別用“VL”、“L”、“M”和“S”表示，表5-10是誤差語

29、言變量|E|的賦值表。類似地，我們可以建立誤差和語言變量|åE|、誤差變化率語言變量|EC|以及時間語言變量T的賦值表，如表5-11表5-13所示。表5-10 誤差和語言變量|E|賦值表量化等級 |E |(e)|e(t)|VLLMS12340<|e(t)|0.10.1<|e(t)|0.30.3<|e(t)|0.50.5<|e(t)|000.2100.210.40.710.4010.70.20表5-11 誤差和語言變量|åE|賦值表量化等級 |åE |(åe)|åe(t)|VLLMS12340<|e(t)|0.30.

30、3<|e(t)|0.40.4<|e(t)|0.606<|e(t)|00.20.7100.210.70.410.7010.70.20表5-12 誤差變化率語言變量|EC|賦值表量化等級|EC|()| (t)|LMS1234560<|è(t)|0.100.10<|è(t)|0.150.15<|è(t)|0.200.20<|è(t)|0.300.30<|è(t)|0.400.40<|è(t)|0000.30.7100.30.710.70.30.710.70.300表5-13 時間語言變量

31、t賦值表量化等級 T(t)tPLPMPSONSNMNL-3-2-101230<t<t22<t33<t44<t55<t66<t00000.40.810000.20.810.40000.710.80.400.40.810.70.200.20.810.40000.810.4000010.80.20000 表5-14 語言變量賦值表量化等級 PLPMPSONSNMNL-3-2-10123-2.5<-1.5-1.5<-1.0-1.0<-0.5-0.5<00<-0.50.5<1.51.5<1.500000.40.81000

32、0.20.810.40000.710.80.400.40.810.70.200.20.810.40000.810.4000010.80.20000、的校正量、的模糊子集賦值表分別為表5-14、表5-15和表5-16。其中、的設(shè)定值分別為7.5、1.2、0.4。表5-15 語言變量賦值表量化等級 PLPSONSNL-2-1012-0.3<-0.2-0.2<-0.1-0.1<0.10.1<0.20.2<0.3000.20.7100.20.710.70.20.710.70.20.710.70.2010.70.200表5-16 語言量賦值表量化等級 PLPMPSONSNM

33、NL-3-2-10123-3<-0.2-0.2<-0.1-0.1<D-0.05-0.05< 00< 0.10.1< 0.20.2< 0.300000.20.710000.20.710.7000.20.710.70.200.20.710.70.200.20.710.70.2000.710.70.200010.70.20000（二）、PID參數(shù)自校正模糊控制器的控制規(guī)則1 輸出變量為的控制規(guī)則一個被控對象的特性如穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差都與參數(shù)的取值有關(guān)。在PID控制中，我們知道增大可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是，過

34、大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；過小，可減小系統(tǒng)的超調(diào)量，穩(wěn)定性增加，但帶來的問題是系統(tǒng)的調(diào)整時間過長?；趯Ρ豢貙ο蟾黜椫笜说挠绊?，并根據(jù)系統(tǒng)控制過程中各不同階段對過渡過程的要求以及操作者的經(jīng)驗，一般情況下，在控制過程的初期，應(yīng)將設(shè)定為較小的值，以減少系統(tǒng)各物理量的沖擊；在控制的中期，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)適當增加值；在控制的后期，為避免系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)，需要將適當減小。模糊自校正的原理圖如圖5-17所示。模糊化模糊推理反模糊化常規(guī)PID控制器被控對象被控量y給定值re(t)tKpu圖5-17 Kp模糊自校正原理圖表5-17 控制規(guī)則表 T |E|PLPMPSONSNMNLV

35、LLMSNLNLNMNSNLNLNMNSNLNLNMNSNL0PS0NLPSPS0NLPMPB0NLNM00基于上述分析，可以得到以誤差語言變量|E|和時間語言變量T為輸入變量，為輸出語言變量的控制規(guī)則，如表5-17所示。經(jīng)反模糊化后，得到精確量，則新的值=+。從而實現(xiàn)了參數(shù)的在線自校正，實現(xiàn)提高系統(tǒng)性能的目的。2 輸出變量為的控制規(guī)則在PID控制中，積分作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，增大可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是，過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至導致振蕩；過小，不利于系統(tǒng)靜差的消除?；趯ο到y(tǒng)性能指標的影響，并根據(jù)系統(tǒng)控制過程中不同階段對過渡過程的要求以及操作者的經(jīng)驗，一般情況下，在控制過程的初期，為了防止由于某些因素，如飽和非線性特性使得系統(tǒng)在響應(yīng)過程初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程超調(diào)量較大，所以此時，應(yīng)將設(shè)定為較小的值，以避免其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的