★★專業(yè)提供 組態(tài)式4路模糊控制器  模糊控制器 實(shí)時(shí)控制 單獨(dú)操作

★★專業(yè)提供 模糊控制器 解決化工、冶金、機(jī)械、工程等中的實(shí)時(shí)控制——

    模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制，是一種非線性的智能控制，已成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的形式。

    近20多年來(lái)，模糊控制不論從理論上還是技術(shù)上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S而又碩果累累的分支。

    其典型應(yīng)用的例子涉及生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設(shè)備中有模糊洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、照相機(jī)和攝錄機(jī)等；在工業(yè)控制領(lǐng)域中有水凈化處理、發(fā)酵過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等的模糊控制；在專用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動(dòng)扶梯、蒸汽引擎以及機(jī)器人的模糊控制等。

    組態(tài)式4路模糊控制器是基于單片機(jī)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示技術(shù)于一體的智能控制器。它可對(duì)1-4路的控制回路進(jìn)行控制，可用于化工、冶金、機(jī)械、工程等領(lǐng)域。

    我們所研制的WLD-1型模糊控制器由上位PC機(jī)和下位控制器組成。上位PC機(jī)采用離線計(jì)算在線控制的策略完成控制規(guī)則表的生成，并通過(guò)RS-232通信端口把控制規(guī)則表傳給下位控制器實(shí)時(shí)控制，而下位控制器及時(shí)地把控制結(jié)果反饋給上位機(jī)，以便人們進(jìn)行監(jiān)視。下位模糊控制器設(shè)有四個(gè)通道可同時(shí)控制四個(gè)被控對(duì)象。下位機(jī)也可單獨(dú)運(yùn)行。

    我們所研制的模糊控制軟件也可由上位機(jī)PC機(jī)通過(guò)A/D、D/A板卡直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

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一、模糊控制概況

　　模糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國(guó)的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國(guó)的E.H.Mamdani首先用模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。

　　模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點(diǎn)是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實(shí)際應(yīng)用背景。模糊控制的發(fā)展*初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是在日本，卻得到了迅速而廣泛的推廣應(yīng)用。近 20多年來(lái)，模糊控制不論從理論上還是技術(shù)上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S而又碩果累累的分支。其典型應(yīng)用的例子涉及生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設(shè)備中有模糊洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、照相機(jī)和攝錄機(jī)等；在工業(yè)控制領(lǐng)域中有水凈化處理、發(fā)酵過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等的模糊控制；在專用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動(dòng)扶梯、蒸汽引擎以及機(jī)器人的模糊控制等。

　　二、模糊控制基礎(chǔ)

　　模糊控制的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)多是用語(yǔ)言表達(dá)的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)則。模糊控制器 (Fuzzy Controller，即FC)獲得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特點(diǎn)：

　　模糊控制是一種基于規(guī)則的控制。它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)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**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)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。

　　由工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)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)的語(yǔ)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。

　　模糊控制算法是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過(guò)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。

　　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)變及純滯后系統(tǒng)的控制。

　　模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示：

圖 1　模糊控制系統(tǒng)框圖

　　其中 s為系統(tǒng)的設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出，e和c分別是系統(tǒng)偏差和偏差的微分信號(hào)，也就是模糊控制器的輸入，u為控制器輸出的控制信號(hào)，E、C、U為相應(yīng)的模糊量。由圖可知模糊控制器主要包含三個(gè)功能環(huán)節(jié):用于輸入信號(hào)處理的模糊量化和模糊化環(huán)節(jié)，模糊控制算法功能單元，以及用于輸出解模糊化的模糊判決環(huán)節(jié)。

　　模糊控制器設(shè)計(jì)的基本方法和主要步驟大致包括：

　　1、選定模糊控制器的輸入輸出變量，并進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換。選取方法一般如圖1所示，即分別取e、c和u。

　　2、確定各變量的模糊語(yǔ)言取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)，即進(jìn)行模糊化。模糊語(yǔ)言值通常選取3、5或7個(gè)，例如取為{負(fù)，零，正}，{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，或{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}等。然后對(duì)所選取的模糊集定義其隸屬函數(shù)，可取三角形隸屬函數(shù)(如圖2所示)或梯形，并依據(jù)問(wèn)題的不同取為均勻間隔或非均勻的；也可采用單點(diǎn)模糊集方法進(jìn)行模糊化。 

圖 2　隸屬函數(shù)取法示意

　　3、建立模糊控制規(guī)則或控制算法。這是指規(guī)則的歸納和規(guī)則庫(kù)的建立，是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過(guò)渡到模糊控制器的中心環(huán)節(jié)?？刂坡赏ǔＳ梢唤Mif-then結(jié)構(gòu)的模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成，例如:if e=N and c=N，then u=PB……等；或總結(jié)為模糊控制規(guī)則表，如表1中所示，可直接由e和c查詢相應(yīng)的控制量u。

表 1 模糊控制規(guī)則表舉例

u
 c ： N
 c ： Z
 c ： P
 
e ： N
 PB
 PM
 Z
 
e ： Z
 PS
 Z
 NS
 
e ： P
 Z
 NM
 NB
 

　　4、確定模糊推理和解模糊化方法。常見的模糊推理方法有*大*小推理和*大乘積推理兩種，可視具體情況選擇其一：解模糊化方法有*大隸屬度法，中位數(shù)法，加權(quán)平均，重心法，求和法或估值法等等，針對(duì)系統(tǒng)要求或運(yùn)行情況的不同而選取相適應(yīng)的方法，從而將模糊量轉(zhuǎn)化為**量，用以實(shí)施*后的控制策略。

　　三、模糊控制應(yīng)用研究現(xiàn)狀

　　模糊控制具有良好控制效果的關(guān)鍵是要有一個(gè)完善的控制規(guī)則。但由于模糊規(guī)則是人們對(duì)過(guò)程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對(duì)高階、非線性、大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過(guò)程，人們的認(rèn)識(shí)往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗(yàn)，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應(yīng)不同的運(yùn)行狀???，影響了控制效果。

　　常規(guī)模糊控制的兩個(gè)主要問(wèn)題在于：改進(jìn)穩(wěn)態(tài)控制精度和提高智能水平與適應(yīng)能力。在實(shí)際應(yīng)用中，往往是將模糊控制或模糊推理的思想，與其它相對(duì)成熟的控制理論或方法結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，從而獲得理想的控制效果。由于模糊規(guī)則和語(yǔ)言很容易被人們廣泛接受，加上模糊化技術(shù)在微處理器和計(jì)算機(jī)中能很方便的實(shí)現(xiàn)，所以這種結(jié)合展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和良好的效果。對(duì)模糊控制的改進(jìn)方法可大致的分為模糊復(fù)合控制，自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)模糊控制，以及模糊控制與智能化方法的結(jié)合等三個(gè)方面。

　　1、模糊復(fù)合控制：

　　Fuzzy-PID復(fù)合控制:即模糊PID控制，通常是當(dāng)誤差較大時(shí)采用模糊控制，而誤差較小時(shí)采用PID控制，從而既保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果，又能改善穩(wěn)態(tài)控制精度;一種簡(jiǎn)便有效的做法是模糊控制器和I調(diào)節(jié)器共同合成控制作用。

　　模糊 -線性復(fù)合控制:如模糊-前饋補(bǔ)償控制等，實(shí)際利用了模糊控制是變?cè)鲆鍼I控制器的特點(diǎn)，在實(shí)際系統(tǒng)的控制中取得了較好的效果。

　　*** -模糊控制器:針對(duì)系統(tǒng)的純滯后特性設(shè)計(jì)，用模糊控制器替代PID可以解決常規(guī)***-PID控制器對(duì)參數(shù)變化適應(yīng)能力較弱的缺陷;此外模糊推理和模糊規(guī)則的運(yùn)用有利于在一定程度上適應(yīng)時(shí)延的變化，在更復(fù)雜的情況下對(duì)對(duì)象的純滯后進(jìn)行有效的補(bǔ)償。

　　三維模糊控制器 :一種是利用誤差E，誤差變化Ec和誤差變化速率Ecc作為三維變量，可以解決傳統(tǒng)二維模糊控制器的快速響應(yīng)與穩(wěn)定性要求之間的矛盾;另一種方法是利用E，Ec和誤差的累積和ΣE，這相當(dāng)于變?cè)鲆娴腜ID控制器，提高了模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度。

　　多變量模糊控制 :一般采用結(jié)構(gòu)分解和分層分級(jí)結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)簡(jiǎn)單的模糊控制器進(jìn)行組合，并兼顧多規(guī)則集之間的相互關(guān)系。

　　2、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)模糊控制：

　　自校正模糊控制器 :修改控制規(guī)則的自校正模糊控制器，從響應(yīng)性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)出發(fā)，利用模糊集合平移或隸屬函數(shù)參數(shù)的改變，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則的部分或**修正，也可通過(guò)修正規(guī)則表或隸屬函數(shù)本身來(lái)進(jìn)行調(diào)整;基于模糊模型的自校正模糊控制器，包括利用模糊集理論辨識(shí)系統(tǒng)模型的語(yǔ)言化方法，基于參考模糊集的系統(tǒng)模糊關(guān)系模型辨識(shí)方法，以及由I/O數(shù)據(jù)建立模糊規(guī)則模型，并以此作為自校正控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)等。

　　參數(shù)自調(diào)整模糊控制 :自調(diào)整比例因子的模糊控制，引入性能測(cè)量和比例因子調(diào)整的功能，在線改變模糊控制器的參數(shù)，較大的增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力;基于模糊推理的PID自整定控制，如參數(shù)自整定模糊PD控制，以及類似的PI及PID控制等。

　　模型參考自適應(yīng)模糊控制器 :利用參考模型輸出與控制作用下系統(tǒng)輸出間的偏差來(lái)修正模糊控制器的輸出，包括比例因子、解模糊策略、模糊控制規(guī)則等。

　　具有自學(xué)習(xí)功能的模糊控制 :包括多種對(duì)外擾影響或重復(fù)任務(wù)的性能具有自學(xué)習(xí)功能的模糊控制方法，以及自尋優(yōu)模糊控制器等，其關(guān)鍵在于學(xué)習(xí)和尋優(yōu)算法的設(shè)計(jì)，尤其是提高其速度和效率。

　　自組織模糊控制器 :將參考模型和自組織機(jī)制相結(jié)合的模糊模型參考學(xué)習(xí)控制，及自適應(yīng)遞階模糊控制等更**的自組織形式具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?

　　3、模糊控制與其它智能控制方法的結(jié)合：

　　盡管模糊控制在概念和理論上仍然存在著不少爭(zhēng)議，但進(jìn)入 90年代以來(lái)，由于國(guó)際上許多有名學(xué)者的參與，以及大量工程應(yīng)用上取得的成功，尤其是對(duì)無(wú)法用經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論建立**數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)特別顯得成績(jī)非凡，因而導(dǎo)致了更為廣泛深入的研究，事實(shí)上模糊控制已作為智能控制的一個(gè)重要分支確定了下來(lái)。

　　4、專家模糊控制：

　　專家系統(tǒng)能夠表達(dá)和利用控制復(fù)雜過(guò)程和對(duì)象所需的啟發(fā)式知識(shí)，重視知識(shí)的多層次和分類的需要，彌補(bǔ)了模糊控制器結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單、規(guī)則比較單一的缺陷，賦予了模糊控制更高的智能 ;二者的結(jié)合還能夠擁有過(guò)程控制復(fù)雜的知識(shí)，并能夠在更為復(fù)雜的情況下對(duì)這些知識(shí)加以有效利用。

　　5、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制：

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)局部或全部的模糊邏輯控制功能，前者如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則或模糊推理，后者通常要求網(wǎng)絡(luò)層數(shù)多于三層 ;自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能作為模型辨識(shí)或直接用作控制器;基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隸屬函數(shù)及推理規(guī)則的獲取方法，具有模糊連接強(qiáng)度的模糊神經(jīng)網(wǎng)等，均在控制中有所應(yīng)用;模糊系統(tǒng)與遺傳算法相結(jié)合的控制器設(shè)計(jì)方法則提供了更為新穎的思路。

　　此外，模糊預(yù)測(cè)控制，模糊變結(jié)構(gòu)方法，模糊系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識(shí)，模糊模式識(shí)別等的研究，也都屬于較為前沿的研究方向。

　　四、模糊控制研究方向展望

　　模糊控制仍然是一個(gè)充滿爭(zhēng)議的領(lǐng)域。由于它的發(fā)展歷史還不長(zhǎng)，理論上的系統(tǒng)性和完善性，技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性都還是不夠的，有待人們的進(jìn)一步提高。

　　模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題沒有解決。其中兩個(gè)重要的問(wèn)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(lái)進(jìn)行;以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　大體說(shuō)來(lái)，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強(qiáng)研究的主要課題為：

　　適合于解決工程上普遍問(wèn)題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論體系 ;控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性判定方法等。

　　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)的設(shè)定方法，量化水平，采樣周期的*優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，*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(wèn)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。

　　模糊控制器參數(shù)*優(yōu)調(diào)整理論的確定，以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算法等。

　　模糊動(dòng)態(tài)模型的辨識(shí)方法。

　　模糊預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和提高計(jì)算速度的方法。

　　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。

　　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。

　　*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*優(yōu)。

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