淺析模糊控制及其一種模糊控制器的設計

1、第16卷第1期2006年6月陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院學報Shaanxi Institute of TechnologyVol 116No 11J un . 2006收稿日期:2006-05-06作者簡介:劉龍江(1970- , 男, 陜西戶縣人, 碩士、副教授, 主要從事鑄造、機電方面的教學研究工作。(710302摘要:, 并結(jié)合工程實際, 對一種Fuzzy/PID 。關鍵詞:模糊控制; PID ; 控制器中圖分類號:TP -273+. 4文獻標識碼:B文章編號:9490-(2006 01-0014-031. 引言線性系統(tǒng)控制理論的發(fā)展已臻完善, 而對非線性時變系統(tǒng)的研究正方興未艾。非線性模糊

2、自適應控制近年來雖然發(fā)展很快, 但鑒于其自身的復雜性, 建立類似線性控制理論一樣完善的模糊控制理論幾乎是不可能的。模糊控制的發(fā)展基本上可分為兩個階段:初期的模糊控制器是按一定的語言控制規(guī)則進行工作的, 而這些控制規(guī)則是建立在總結(jié)操作者對過程進行控制的經(jīng)驗基礎上, 或設計者對某個過程認識的模糊信息的歸納基礎上, 因而它適用于控制不易獲得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或多變的對象。后期的模糊控制器則是基于控制規(guī)則難以描述, 即過程控制還總結(jié)不出什么成熟的經(jīng)驗, 或者過程有較大的非線性以及時滯等特征, 試圖吸取人腦對復雜對象進行隨機識別和判決的特點, 用模糊集理論設計自適應、自組織、自學習的模糊控制器

3、。模糊控制現(xiàn)正從以下幾個方面加緊研究:(1 研究模糊控制器非線性本質(zhì)的框架結(jié)構(gòu)及其同常規(guī)控制策略的聯(lián)系, 揭示模糊控制器工作的實質(zhì)和機理。它可提供系統(tǒng)的分析和設計方法, 解決一些先前被認為是困難但卻是非常重要的問題, 如穩(wěn)定性、魯棒性等。(2 在模糊控制已取得良好實踐效果的同時, 從理論分析和數(shù)學推導角度揭示和證明模糊控制系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)于常規(guī)控制策略。(3 研究模糊控制器的優(yōu)化設計問題, 尤其是在線優(yōu)化問題。模糊控制器源于采用啟發(fā)式直覺推理, 其本身的推理方式難于保證控制效果的最優(yōu)。解決模糊控制器的優(yōu)化問題也是進一步將其推向工業(yè)應用的有效手段。(4 在理論研究中規(guī)則本身非線性問題及實際應用中模

4、糊控制器的規(guī)則自學習和自動獲取問題。前者之所以成為難點, 是因為具有線性規(guī)則的模糊控制器本身已屬非線性控制, 非線性規(guī)則則更使問題的系統(tǒng)化研究方法困難; 后者則構(gòu)成智能控制中專家系統(tǒng)的核心問題。(5 將模糊控制同其它領域的理論研究方法相結(jié)合, 利用模糊控制的優(yōu)勢解決該領域中過去用常規(guī)方法難以解決的問題。2. 模糊PID 控制器的設計模糊控制系統(tǒng)動態(tài)性能好, 但穩(wěn)態(tài)性能較差, 且很難使兩種性能指標都達到理想要求。目前普遍采用的模糊線性復合控制器有四種型式:引入線性前饋的復合控制; 模糊-線性雙?？刂? 在線性控制的誤差通道開聯(lián)模糊控制器; 模糊控制器與線性控制器并聯(lián)。41我們設計了一種Fuzzy

5、/PID 雙模控制器, 對電機的轉(zhuǎn)速和加速度采用模糊PID 控制這一智能控制算法進行控制, 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 Fuzzy圖1控制器與PID 。系統(tǒng)根據(jù)偏差的當前值由程序選擇其中一個控制器工作。任一工作狀態(tài)僅由一個控制器控制對象。 其基本控制思想是:在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制, 而在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換PID 控制, 兩者的轉(zhuǎn)換由計算機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。模糊控制器的設計主要是設定各輸入、輸出變量模糊子集的隸屬函數(shù), 模糊變量的量化論域, 模糊控制規(guī)則, 輸入輸出變量的比例變換因子等參數(shù)。下面以加速度控制為例對其設計參數(shù)做詳細論述。a. 模糊集及論域定義通過對電機加速度構(gòu)成閉環(huán)

6、反饋, 取其偏差E 及其偏差變化率EC 為模糊變量?？刂破鞯妮敵鲞x取為電機電樞電壓控制增量U 。E 的模糊集為NL,NM ,NS ,N0, P0, PS , PM , PL;EC 的模糊集為NL , NM , NS , Z0, PS , PM , PL;U 的模糊集為NL , NM , NS , Z0, PS , PM , PL;E 的實際變化范圍為-1,1, 隸屬函數(shù)為高斯隸屬函數(shù);EC 的實際變化范圍為 -10,10, 隸屬函數(shù)為高斯隸屬函數(shù);U 的實際變化范圍為-0. 1,0. 1, 隸屬函數(shù)為三角形隸屬函數(shù)。模糊輸入變量E , EC 以及輸出變量U 的隸屬度函數(shù)如圖2所示。通過確定模糊

7、子集的隸屬度函數(shù), 可建立語言變量E ,EC 和U 的賦值表。b. 模糊規(guī)則制定圖2E ,EC ,U 的隸屬度函數(shù)控制規(guī)則是根據(jù)在控制過程中的實踐經(jīng)驗總結(jié)得到的一條條模糊條件語句的集合。該模糊控制器共歸納了26條規(guī)則, 其模糊控制規(guī)則采用以下形式:IFE =Ai and EC =Bithen U =Ci , i =1, 2,. . . ,n其中Ai , Bi 以及Ci 都是各自論域上的模糊語言值(如NL ,NM 等 。c. 模糊邏輯推理與模糊判決方法模糊推理是從一些模糊前提條件推導出某一結(jié)論, 這種結(jié)論可能存在模糊和確定兩種情況。采用Mamdani s (min -max 決策方法來進行模糊邏

8、輯推理。先在推理前件中選取各個條件中的隸屬度最小值(即“最不適配”的隸屬度 作為這規(guī)則的適配程度以得到這條規(guī)則的結(jié)論, 這稱為取小(M IN 操作; 再對各個規(guī)則的結(jié)論綜合選取最大適配程度的部分即取大(MAX 操作。3. 結(jié)論模糊控制從誕生到現(xiàn)在僅僅經(jīng)歷了二、三十年的時間, 就已在經(jīng)濟、醫(yī)學、軍事尤其是工業(yè)應用方51劉龍江:淺析模糊控制及其一種模糊控制器的設計面取得了巨大的發(fā)展。模糊控制發(fā)展的前景是樂觀的, 隨著相關學科的日新月異的發(fā)展, 其自身也在不斷完善, 潛在的能力也不斷發(fā)揮出來, 尤其在工業(yè)中的應用將會日益廣泛和成熟。模糊-線性復合控制發(fā)揮了模糊控制和線性控制的優(yōu)點, 使設計的系統(tǒng)取得

9、了較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標。但是, 模糊-線性復合控制同時也存在一些問題:線性前饋復合控制的系統(tǒng)性能對參數(shù)變化比較敏感; 模糊-果, 但并不能從根本上解決模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能之間的矛盾問題。參考文獻1姜幼卿, 黃永俊. TIG 逆變電源外特性的模糊自適應PID 控制系統(tǒng)研究J.電焊機,2000,30(6 :6-9. 2程啟明. Fuzzy 控制和器研究.,17(4 :7-9., . M .重慶大學,131-132.張國良, 曾靜, 柯熙政. 鄧方林. 模糊控制及其MA T 2LAB 應用M .西安交通大學出版社,2002.A Design of Fuzzy/PID controller B

10、 ased on Fuzzy -controlL i u L ongjiang(Mechanotronic Engineering Department Shaanxi Institute of Technology , Xi an Shaanxi 710302Abstract :This these introduces the virtue and defect and the development of Fuzzy Control beginning from 1970, and discusses a kind of Fuzzy/Pad Controller according to

11、 the reality in working. K ey Words :Fuzzy control ; PID controller (上接第8頁Enhancing the Core -competition Ability by H uman -based ManagementX u Ji ng(Organization and Personnel Section Shaanxi Institute of Technology , Xi an Shaanxi 710302Abstract :Whilestrengthening the scientific , systemized , and regularized administration , the college is paying more attention to the human -based management. What is human -based administration ? It is to understand , respect , and con