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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 电气工程与自动化 班级学号： 电自0702-17 学生姓名： 指导教师：副教授 二一三年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计模糊控制在大滞后系统中的应用The application of fuzzy control in large time delay system专业班级：电自0902学生姓名： 指导教师 副教授学 院：自动化与电气工程学院2013 年 6 月摘 要在近年来，模糊控制理论和模糊控制系统的应用越来越广泛，说明了模糊控制在控制领域具很大的发
2、展前途。在工业过程控制中，由于PID控制器所应用的设计算法和控制结构简单，很多的过程控制软件都带有PID控制器的算法模块，而被大量应用于工业过程控制中。但是，PID控制器参数的整定却需要人工的操作才能完成，对于存在时滞、非线性等因素的系统更难整定，调试过程中经常出现超调、振荡等影响系统正常运行的现象。模糊控制器具有不依赖控制对象精确的数学模型，减弱超调、防止振荡等优点, 电炉加热的温度控制系统由于存在滞后，所以很适合应用模糊控制。本文根据温度控制信号和其温度检测反馈信号之间存在很大的滞后时间进行数字仿真研究，控制结果表明新型算法具有鲁棒性强、响应速度快、控制精度高的优点。本文运用模糊控制与PI
3、D控制分别对同一受控对象进行控制。通过MATLAB仿真，表明了模糊控制与传统的PID控制相比明显地改善了控制系统的动态性能。由此该文合理运用控制算法提出一种调整系统控制量的模糊PID控制器，将模糊控制器用于电炉加热的温度控制系统，不仅使控制系统更加可靠，而且取得了较好的控制效果。关键词：模糊控制;PID控制;MATLAB仿真ABSTRACTAt present, fuzzy control theory and application of fuzzy control system has developed rapidly, showing fuzzy control has broad p
4、rospects in the field of control. Fuzzy control has become an important part of intelligent control. In industrial process control, because the PID controller design algorithms and control structure is simple, does not require a very precise mathematical model of the controlled object, and a large n
5、umber of process control software with a PID controller algorithm module, widely used in industrial process control. However, the PID controller parameter tuning still need engineering and technical personnel to complete for the time lag, nonlinear and other factors it more difficult for system tuni
6、ng, debugging process often overshoot, oscillation affect the normal operation of the phenomenon. Fuzzy controller has the advantage of not rely on precise mathematical model of the control object, and has reduced overshoot and prevent oscillation, the temperature control system of electric heating
7、due to the lag, so it is suitable for the application of fuzzy control.Digital simulation studies, there is a big lag time between according to the temperature control signal and the feedback signal of the temperature detection control results show that the new algorithm has strong robustness contro
8、l and high accuracy, fast response years and mouth. In this paper, fuzzy control and PID control to control the same controlled object. MATLAB simulation, show that the fuzzy control and traditional PID control compared to significantly improve the dynamic performance of the control system. Whereby
9、the text rational use of the control algorithm fuzzy PID controller to adjust the amount of system control, the fuzzy controller for electric heating temperature control system, not only to make the control system more reliable, and better control effectKeywords：fuzzy control； PID control；MATLAB sim
10、ulation目 录1 绪论11.1大滞后系统21.2模糊控制系统31.3课题研究的内容32 .大滞后系统数学模型的建立42.1、纯延迟环节的传递函数：52.2、忽略纯延迟环节后的数学模型：6 2. 3、大滞后系统总的数学模型：83 模糊控制的理论103.1对模糊的理解113.2模糊控制的基本原理：113.3 模糊控制器的基本结构.123.3.1. 模糊化接口133.3.2模糊推理机143.4模糊控制的结构设计154 模糊PID设计174.1 PID控制器的原理和特点174.2 PID控制器的参数整定184.3 模糊PID控制195 大滞后系统仿真225.1 SIMULINK介绍235.2 模
11、糊控制工具箱245.3 控制策略的实现24 5.3.1 PID控制器参数的整定及仿真25 5.3.2 Fuzzy-PID控制系统的设计及仿真：26结论27参考文献28致谢.291 绪论 1.1 大滞后系统在工业生产过程中，温度，流量，液位，浓度和其他国家的控制参数系统参数称为过程控制系统。许多过程控制对象存在一个非常严重的纯滞后时间，我们把这样的系统称为大滞后系统。这种滞后的时间或由于材料，所造成的能量传递过程，或者是因为更多的量而引起的。在许多工业过程，如转印材料，能量和测量组分的量，皮带输送机，和一个多容量，系列这样的过程中的各种设备中，有一个大的延迟时间。一般认为，该对象是一个大滞后：广
12、义对象的时间常数的延迟大于0.3。工程实践表明，当过程控制系统时，有一个大的滞后，使系统闭环特征方程包含纯滞后的因素，这将不可避免地导致系统稳定性降低。特别是当延迟时间是较长的，它可能会导致系统不稳定。这是一个大滞后过程难以控制自然。因此，大时延控制方法的对象已经研究的科学家的一个重要问题。在目前的生产过程中，除了体积滞后的控制对象，但也存在着不同程度的纯滞后和非线性的时变特性，如石化，冶金，玻璃，造纸工业中的材料的传输在片材的厚度，各种各样的炉内热，化学合成反应器。生产过程中产生的纯滞后的主要原因：（1）、物料及能量在管道或容器中的传输时间；（2）、物质反应及能量交换需要一定的过程；（3）、
13、多个设备的连接使得中间环节增加；（4）、测量装置的响应时间；（5）、执行机构的动作时间；被控对象的纯滞后时间控制系统的性能是极为不利的，因为纯滞后，因此，调控不及时，导致超调量的增加，沉淀时间较长，稳定性降低系统恶化的过渡，直接影响质量和产品质量控制，严重时甚至会威胁到人身及设备安全。当延迟大，一直是传统的PID控制很难取得好成绩，但更大的滞后性，控制系统的设计和参数调整更加困难，严重的超调，甚至可能导致系统不稳定，这么大的滞后过程控制系统的设计在控制工程一直是一个难点。本文主要阐述了PID调节器、模糊控制器以及Fuzzy-PID的基本原理以及将Fuzzy-PID应用于大滞后控制系统后，使得大
14、滞后系统的特性得到了较满意的改善。1.2模糊控制系统常规控制系统控制器的设计要求被控对象拥有精确地模型，随着人们要求的提高，控制系统涉及到非线性，多变量系统，然而这些系统的数学模型是很难建立的，于是传统的控制系统难以满足人们的要求，模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于规则与模糊推理的控制理论，近年来，在工业生产中，模糊控制的发展发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果，是现代工业生产的重要手段之一。模糊控制有以下特点：1,、不需要根据原理与分析建立被控对象的数学模型，对于一些系统，要建立数学模型是很困难的。2、模糊控制系统是根据行为规则库，是用自然语言表达的规则，人的思
15、维方习惯更加容易接受，因此，便于现场操作人员的理解和使用，有很大的效果。目前，模糊控制系统的模糊控制理论及应用发展迅速，显示出模糊控制在控制领域具有广阔的应用前景。智能控制，模糊控制已成为一个重要组成部分。模糊控制理论的发展符合认识论的螺旋图案。列宁指出：“人类的知识是不是线性的，而是一串无限循环，类似于螺旋曲线是相似的。”这里所说的知道螺旋式发展，包含两层含义，一是在它前面，第二，它的曲折，其发展过程中不断重复提前。寻找控制理论的发展，这种认识的螺旋是显而易见的。之前产生传统的控制理论，控制人们的理解是不明确，含糊的，为了实现生产的自动化，它产生一个在认识上的飞跃，控制过程，以寻求一个精确的
16、，定量的计算和控制，古典节育理论，可以说是人类知识的储存库一把金钥匙。随着空间技术，大型信息系统，计算机系统的快速发展，系统的复杂性不确定性压到了穷途末路的传统控制方法，模糊控制系统是另一个变化是重新发现和发展意识。意识经历了一个模糊 - 精确 - 模糊的过程，但这种发展并不意味着意识又回到了原点，但登上一个更高的水平。可以看出，从思维方式，发展思维的人的控制是原来的模糊思维 - 精确思维 - 科学思维模糊螺旋式的发展过程。科学思维是从原来的模糊思维模糊不同，它是不精确，不确定的，模糊的和模糊信息科学回收定量分析，它是从低到一个更高的表单中删除。总之，模糊控制理论和发展，控制理论没有确定从思想
17、倒退，而是螺旋前进，精度没有被完全取代含糊不清，但认识模糊近似精度思维模糊控制理论的境界重现。它是人类沟通的模糊性思维和思维的确切机械科学之间的桥梁，我们可以解决一个庞大的系统，人 - 机系统和人工智能等方面的问题提供有效的工具和手段。经典控制理论和现代控制理论在许多领域已得到了成功的应用。他们的共同点是一个基本的控制器的设计必须基于精确数学模型的控制对象的基础上。至于实际过程中，许多系统具有相当大的复杂性，该系统是难以测量的，由外部因素的影响复杂，使其难以用传统的数学方法建立精确的数学模型，在大多数情况下，是一个近似的数学模型，用于描述系统的实际过程中，当系统偏差超过一定的水平，在此基础上建
18、立的数学模型，数学模型描述了实际的过程控制器将失去作用，有时会给系统带来更严重的骚乱。对于复杂系统的控制，我们经常有这样的体会，有时会超出控制仪表系统的控制有经验的人组成的控制是能够得到很好的控制效果。人们怎样处理这样的复杂系统信息方面的表现能力和经验，我们的控制器的引入旨在形成一种简单而有效的手段控制和处理方法，模糊数学在这方面为我们提供了一个有效的工具。在化学工业中产生的废水，必须中和出院前处理工业废水达标排放的废水pH值出院前。在某些废水处理也必须严格控制pH值，生化处理，以改善效果。在pH的偏差和偏差的值大，常规PID控制不能达到理想的治疗效果，使用时用计算机模糊自适应功能（模糊）控制
19、系统是有效的选择。1.3课题研究的内容本课题研究的是模糊控制策略在大滞后系统中的应用和仿真，大滞后系统选择的是温度控制系统，研究内容主要包括：1介绍温度控制系统，本论文采用的是电炉加热的温度控制系统，只对此系统的温度进行研究 建立数学模型；2根据研究对象，设计模糊控制器；3建立系统的仿真模型；4对系统进行仿真，并分析结果；2 大滞后系统数学模型的建立在绪论中已经提到，对于具有纯滞后特性的系统来说，由于滞后时间的存在，使得系统的稳定性降低。为了研究方便，将大滞后系统的数学模型简化为一个纯延迟环节和一个一阶线性环节。在实际当中，纯延迟环节是系统的一种特性，是无法对其单独建模的。本文所采用的系统为一
20、个电炉加热的温度控制系统。其属于一个具有大滞后特性的控制系统。在实际的温度控制系统当中，具有很多被控量，例如对容器内水量的调节，即水位调节；对电阻丝两断电压的调节，即供热量的调节。这里为了研究方便，只对系统的温度进行研究。在一个温度控制系统中，温度控制信号和其温度检测反馈信号之间存在很大的滞后时间。它的控制系统模型和简化示意图分别如图2-1和图2-2所示。2.1 纯延迟环节的传递函数对于一个有纯迟延的系统来说，输入端无论发生什么变化，输出端都是在 s以后才会有相应的变化，其中就是纯迟延时间。图2-3表示纯延迟环节的输出Y对任意一个输入量X的响应。由图2-3看到，当系统出现外部扰动突加给定时，系
21、统的输出并不立即动作，而是要经过一段延迟后才有相应的输出。这种特性使得系统的品质很难得到保证，严重时甚至会威胁到人身及设备的安全。纯延迟过程的模型如式（2-1）： （2-1）式（2-1）中，即为纯滞后因子。由于该因子的存在，使得系统在外部出现扰动后，不能及时对扰动做出调整，使得系统的各项性能无法满足要求，严重时，还有可能危机设备及人身的安全。2.2 忽略纯延迟环节后的数学模型系统示意图如图2-2所示。容器内盛水，水的温度为。在加热过程中要求保持不变，所以为被控参数，即温度过程的输出量。而温度过程的输入量是电炉给水的供热量。在工作过程中，电炉不断给水供热，而水又不断地通过保温材料向四周空气散发出
22、量。当时，水从电炉得到的热量与水向空气散出的热量相等，水温保持不变。如果在某瞬间突然加大电炉电流而使给水的供热量增大，此时，水从电炉得到的热量增加了，于是水温就慢慢升高。与此同时，水温的升高似的向四周空气散发的热量也随之增大，最后，热量的输入与输出的平衡关系有重新建立了起来，水温也就保持不变了。根据能量的平衡关系，可以建立电加热器的微分方程式，即在单位时间内进入加热器的热量与单位时间内流出加热器的热量之差，应等于加热器热量储存的变化率。于是可得： （2-2）式中：加热器内水的总质量水的比热，在常压下 1热容。它等于每升高1度时所需存储的热量，被加热的水要不断地通过保温材料向四周空气散发热量，这
23、个热量可表示为： （2-3）式中： 传热系数； 表面积； 周围空气的温度。在加热器中，热量要通过保温材料向四周空气散发，保温材料对热量的流出是有阻力的，把这个阻力称之为热阻。保温材料传热系数愈大，则热阻愈小；散热表面积愈大，则热阻愈小，若用表示热阻，则 （2-4）将式（2-3）、（2-4）代入（2-2），并化成增量形式，得到用增量表示的微分方程式为： （2-5）如果周围空气的温度不变，则，于是可得： （2-6）将上式写成一般形式： （2-7）或写成拉氏变换的形式： （2-8）式中：过程的时间常数，；过程的放大系数， 。2.3 大滞后系统总的数学模型以上将大滞后系统的惯性环节和迟滞环节分开讨论并
24、建立了相应的数学模型。这种近似是为了讨论方便才做的。在实际的工业生产中，这两个环节是不可分割的。大滞后系统的数学模型如式（2-9）： （2-9）图2-4图中为一个具有大滞后特性的实际控制系统。为控制器的传递函数，为被控对象的传递函数。系统的闭环传递函数即为： （2-10）显然由于传递函数中含有纯迟延环节，随着的增加，相位滞后增加，系统的稳定性降低，控制品质下降。3 模糊控制的理论3.1对模糊的理解产生模糊“与”精确“的概念，对应于传统的长期思维和人类历史发展中，人们有东西在追求目的的准确描述和研究的基础上，进行了很多研究成果开始建立一个庞大的系统的数学和逻辑，但作为人类科技的进步，在社会生产和
25、生活中存在很多的不确定性，吸引了人们的关注。模糊集理论来描述和处理事物的模糊性和不确定性提供了一个理论基础和模拟人类思维的模糊逻辑功能提供了强大的工具。从那时起，广泛开展。在自动控制领域使用的模糊逻辑理论的模糊不确定性的概念，它产生的模糊控制。既不是所谓的模糊控制，控制的对象是不明确的，也不意味着该控制器是不确定的，它本质上是指代表知识，概念上的歧义。虽然模糊控制算法主要是通过含糊的语言来形容，但它是一个彻底完成这项工作。它只是模糊数学理论应用于上面的控制方法，但它仍然是工作的一个确定性，它是不是只能到成功实现控制，而且还模仿人的思维，一些数学模型可以不被构造控制过程进行有效的控制。因此，模糊
26、控制的诞生以来，其理论和研究方法成为科学家的关注。作为一个分支的发展和应用模糊控制的智能控制是相当迅速。它本质上是非线性的智能控制，模糊集理论的一种基于模糊推理的计算机数字控制，模糊语言变量。不同于传统的控制器模糊控制器，精确的数学模型，它使用自然语言来形容，因此也更符合人们的思维方式。今天，越来越模糊控制发展到几乎所有领域，工业过程控制，机器人技术，交通运输，医疗诊断等方面有成功的应用范例。如PID控制与传统的控制方法相比，采用模糊控制人类专家熟练的控制经验和技能，做一个非线性的，复杂的控制对象获得良好的鲁棒性和控制性能高的优点。在这里，我们看模糊控制的突出特点：（1）使用语言的方法，你不能
27、把握的数学模型。这主要是因为复杂的生产过程中难以得到的数学模型。语言是一种非常接近的类似的方法。（2）有一定的工作经验，而非控制专业工人，模糊控制的方法很容易掌握。（3）操作人员容易通过人与人之间的接触自然语言人机界面，这些模糊条件语句轻松地添加到过程控制环节。（4）采用模糊控制，工艺质量优于常规PID控制的动态响应和工艺参数的变化具有较强的适应性。（5）模糊控制系统具有较强的鲁棒性和干扰和参数变化对控制效果大大降低，特别是非线性，时变时滞系统和控制。3.2 模糊控制的基本原理模糊控制的核心是模糊控制器，其基本的控制原理图如图3-1。模糊控制器的规律由计算机的程序实现，它的基本思想是：微机经中
28、断采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值比较得到偏差信号E。一般选偏差信号E作为模糊控制器 的一个输入量，把偏差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量。偏差E的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到了偏差E的模糊语言的一个子集合（是一个模糊矢量），再由和模糊控制规则（模糊算子）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量，这一步骤被称为非模糊化处理（亦称清晰化）。在得到了精确的数字控制量之后，经过经A/D转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行进一步的控制。然后，中断等待第二次采样，进行第二步控制，这样循环下去，就实现了被控对象
29、的模糊控制。 图3-1模糊控制原理图综上所述，模糊控制的基本原理可概括为以下四个步骤：(1)根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择系统的输入变量；(2)将输入变量的精确值变为模糊量；(3)根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)；(4)由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量 3.3模糊控制器的基本结构模糊逻辑控制人的经验总结起来一套条件语句的一个定性描述，并然后用模糊集理论，进行量化，使控制器到接受人的经验，模仿的操作策略，形成所谓模糊控制器。来自该控制器的操作员的经验的实验，而不是从数学模型的实际结果。可以完全代替人的手工操作，人们可以克服的不确定
30、性，使系统具有更高的可靠性，更重要的是，它可以解决传统系统非线性控制理论的基础上，是难以解决的问题：传统的控制系统设计，总承担该对象是严格线性的，这种简化是只适用在稳定状态下，相差的原来的工作设定点的过程中的工作点的强干扰时，这种假设的线性，因此无法建立。同样地，随着时间的推移，工艺参数的变化后，也是如此。在这种情况下，模糊控制器来扩展或更换PID控制器来实现更好的控制性能，甚至优于传统的熟悉更好的状态控制器或自适应算法。这是因为这些模糊控制的优点，已成功地应用于工业过程控制，机器人，家用电器，等诸多领域。模糊控制的基础是模糊集合理论和模糊逻辑，是用模糊逻辑来模仿人的思维对那些非线性时变的复杂
31、系统以及无法建立数学模型的系统实现控制的。模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊3个部分。E和Ec分别为e和ec模糊化后的模糊量，U为模糊控制量，u为u解模糊化后的精确量。规则库数据库解模糊接口推理机模糊化接口输入 输出图3-2模糊控制器的组成图3.3.1. 模糊化接口所谓模糊化，就是通过传感器把被控对象的相关物理量转换成电量，若传感器的输出量是连续的模拟量，还要事先通过A/D转换器转成数字量作为计算机的输入测量值；接着在将此输入测量值进行标准化处理，即把其变化的范围映射到相应内部论域中，然后将内部论域中的该输入数据转换成相应语言变量的概念，并构成模糊集合，这样就把输入的精确量转换为用模
32、糊集合隶属函数表示的某一模糊变量的值。由此才能用检测的输入量作为模糊控制规划中的条件来运用模糊控制规则进行推理，完成这部分功能的模块就称作模糊化接口。通常模糊化接口接受的输入信号只有误差e和误差变化率e，模糊化接口的主要功能是将输入变量的精确值变换成其对应论域上的自然语言描述的模糊集合，以便进行模糊推理和决策。.它主要的作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量. 考虑到适用的原则，输入变量e、e和控制变量u 各为五个语言值,其模糊子集通常可以作如下方式划分:负大（NB）、负中（NS）、零（ZE）、正中（PS）、正大（PB），输入及输出变量的隶属度函数均采用三角形，则语言变量论域上用以描述模糊
33、子集（NB、NS、ZE、PS、PB）的隶属度函数如图33 所示。 NB NS ZE PS PB 图33 模糊隶属度分布曲线当e 为且当e 为负大时，此时无论的变化如何，为尽快消除偏差，应使控制量增加较快，所以控制量的变化取正大，即：（1）If E=NB And EC=PB Then U=PB（2）If E=NB And EC=PS Then U=PB（3）If E=NB And EC=ZE Then U=PB（4）If E=NB And EC=NS Then U=PB当e 为负小或0 时，主要矛盾转化为稳定性问题。为了防止超调并使系统尽快稳定，根据偏差的变化率来确定控制量的变化。若为正，表明偏
34、差有减小的趋势，所以取较小的控制量，得到如下控制规则：（5）If E=NS And EC=ZE Then U=PS（6）If E=NS And EC=PS Then U=ZE（7）If E=NS And EC=PB Then U=NS（8）If E=ZE And EC=ZE Then U=ZE（9）If E=ZE And EC=PS Then U=NB（10）If E=ZE And EC=PB Then U=NB若为负，表明偏差有增大的趋势，所以要使控制量增加，须用如下控制规则：（11）If E=NS And EC=NS Then U=PS（12）If E=NS And EC=NB Then
35、U=PB（13）If E=ZE And EC=NS Then U=PS（14）If E=ZE And EC=NB Then U=PB3.3.2模糊推理机模糊推理机由知识库（数据库和规律库）与提供模糊推理算法的模糊推理决策逻辑构成，这是最基本的3个部分；有时还要加上控制规则修改，隶属函数修正和控制状态显示等模块；如果要用模糊推理来调整PID控制中的参数，还需要加上PID控制模块；为了便于对设计的模糊控制系统在真正投入运行前了解其控制效果，并据此进行系统优化，系统设计时往往还要加上模拟模块，据此构成了完整的模糊推理机。（1）知识库 知识库中存储着有关模糊控制器的所有相关知识，它们决定着模糊控制器的
36、性能，是模糊控制器的核心。其中知识库包括应用领域的知识和相应控制目标的知识，它是由数据库和语言控制库两部分组成。a. 数据库数据库是用来定义模糊控制器中语言控制规则和模糊数据操作的，它虽然称做数据库但并不是常规计算机软件中数据库的概念，它存储着有关模糊化，模糊推理，解模糊等相关知识。如模糊化中的论域变换方法，输入变量各模糊集合的隶属函数定义，模糊推理算法，解模糊算法，输入变量各模糊集合的隶属函数定义等。b. 规则库规则库包含若干组模糊控制规则，即以“ifthen”形式表示，对专家控制经验集成而形成的模糊条件语句。例如,某模糊控制系统输入变量为e(误差)和ec(误差变化),他们对应的语言变量为E
37、和EC,可给出一组模糊规则:R1：IF E is NB and EC is NB then U is NBR2：IF E is NB and EC is NS then U is NM通常把if部分称为“前提部,而then部分称为结论部”,其基本结构可归纳为 If A and B then c,其中A为论域U上的一个模糊子集,B是论域V上的一个模糊子集。根据人工控制经验,可离线组织控制决策表R，R是卡笛儿乘积集UV上的一个模糊子集,则某一时刻其控制量由下式给出: C=（AB）R式中 模糊直积运算；模糊合成运算。规则库是用来存放全部模糊控制规则的,在推理时为“推理机”提供控制规则。由上述可知,规
38、则条数和模糊变量的模糊子集划分有关,划分越细,规则条数越多,但并不代表规则库的准确度越高,规则库的“准确性”还与专家知识的准确度有关。语言控制规则库通过一系列语言控制规则来表征控制目标和该领域专家的控制策略，它是根据被控系统的行为特征和专家的控制总结编写而成的。（2） 模糊推理机模糊推理机的主要功能是模仿人的思维特征，根据事先制定好的由专家知识或控制经验取得的若干组模糊条件语句的模糊控制规则，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理，实际上是根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行综合评估，以得到一个定性的用语言表示的决策输出量，这个结果给出某一个确定的输出范围，即所谓模糊输出量，完成这部分功
39、能的模块就称做模糊推理机。在模糊推理机中，模糊推理决策逻辑是核心，它能模仿人的模糊概念和运用模糊蕴含运算以及模糊逻辑推理规则对模糊控制作用的推理进行决策。(3)解模糊接口通过模糊推理得出的模糊输出量是不能直接去控制执行机构的，在这确定的输出范围中，还必须要确定一个最具有代表性的值作为真正的输出控制量，这就是所谓解模糊判决。完成这部分功能的模块就称做解模糊接口，它的主要功能包括：比例映射，解模糊，模拟模块。综上所述，模糊控制器实际上就是依靠微机(或是单片机)来构成的。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的，随着专用模糊芯片的研究和开发,也可以有硬件逐步取代各组成单元的软件功能。3.4模糊控制的
40、结构设计模糊控制器的结构设计实质上是模糊控制器输入语言变量及变量的选取和模糊控制器的不同组合与扩展问题。模糊控制器的机构选择是否合理，不仅直接影响模糊控制器的性能，而且对于那些复杂的多输入多数出耦合系统来说，是至关重要的。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细；但是，维数过高时，模糊控制规则就会变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。因此，目前人们广泛的设计和应用的都是二维模糊控制器。这种控制器以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的变化为输出变量。在单变量模糊控制器（Single Variable Fuzzy ControllerSVFC）中，将其输入变量的个数定义为模糊控制器的维数。我
41、们这儿主要介绍二维模糊控制器的结构。 二维模糊控制器 E Ed/dt EC图3-4二维模糊控制器二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化EC，由于他们能够较严格的反映受控过程中输出变量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维模糊控制器好的多，也是目前采用较广泛的一类模糊控制器，在设计模糊控制器中，为了更方便的调整模糊控制器的参数，我们一般采用带调整因子的模糊控制器，输入尺度变换因子（K1,K2）决定了在性能测量以及控制规则库中模糊集合的论域。我们可以根据期望的闭环相应性能来进行选择，这样的选择不是唯一的，可以有很多种组合来达到同样的性能要求。这样对于进行仿真实
42、验是很方便的。由于这种控制器的设计的思路是：输入尺度变换是将实际的输入量变换为模糊集合的论域，因而变换因子直接取决于容许的最大输入量及模糊集合论域量化的分级数。所以可以将它们选择为 其中q表示模糊集合论域的分级数，E和EC表示实际输入量的最大变化范围。类似地。输出尺度变换因子可初选为K1 二维模糊控制器 E K3E Ud/dtK2 EC图3-5 带调整因子二维模糊控制器其中u表示模糊控制器输出的论域大小，U是实际控制量的最大变化范围。以上是根据实际量的变化范围及论域大小所初选的尺度变换因子。这些参数对系统的性能有很大影响，它们可以在仿真实验过程中根据性能的要求作适当的调整。研究表明，这些尺度变
43、换因子对系统的性能具有影响。4 模糊PID设计4.1 PID控制器的原理和特点 在一般的模糊控制系统，同时考虑到模糊控制器来实现的简单性和快速性，通常是二维模糊控制器的结构。这种控制器在输入语句变量EC误差E和误差变化的系统，所以它有一定的作用类似于常规PID控制器，这种模糊控制器系统的使用可能会取得良好的动态特性，而静态表现不尽如人意。现行理论控制，积分控制行动可以消除稳态误差，但动态响应慢，比例控制动作，动态响应快，而比例积分控制动作都获得较高的稳态精度，是一种高动态性能。因此，成模糊PI控制器的控制策略，构成模糊PI（或PID）复合控制是提高模糊控制器稳态，现在单程构成复合控制器具有各种
44、形式，它的工作原理有差异。在这里，我们选择两个混合模糊PID控制结构在工程实践中，最广泛使用的调节器控制规律是比例，积分，微分控制，简称为PID控制，也称为PID调节器。 PID控制器的出现已经近70年的历史，其结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便，并成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或缺乏精确的数学模型，控制理论是很难用其他技术，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，当应用PID控制是最方便的。也就是说，当我们并不完全理解系统和控制对象，或不能取得系统参数，最合适的PID控制的有效手段测量。 PID控制，在实践中也有PI和PD控制。 PID控制器是基于系统的误差，利用比例，积分，微分控制，计算控制量。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制模式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当只有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号成比例的不
