畢 業 設 計（論 文）說 明 書題 目：基于模糊PID控制的直流雙閉環調速系統系 別：系專業班級：電氣工程及自動化學生姓名：指導教師：教 研 室：電氣工程及其自動化教研室提交時間：- II -基于模糊PID控制的直流雙閉環調速系統摘 要一個多世紀以來，電動機作為最主要的機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域和人們的日常生活。在電動機的數字控制系統中，一般采用的是PID控制，但由于PID控制有其一定的局限性，在有些場合中難以獲得滿意的控制效果。本文在分析智能控制技術的基礎上，闡述了PID控制技術和模糊控制技術的發展現狀和模糊控制技術的原理，以模糊PID控制作為研究對象，對雙閉環直流調速系統設計了模糊PID控制器,分析了系統的動靜態特性及魯棒性,并與PID控制進行了比較,MATLAB仿真表明:模糊控制具有更好的動態特性與魯棒性。關鍵詞：直流電機；調速系統；PID控制；模糊PID控制；MATLAB仿真ABSTRACTThe application of motor has spread all kinds of fields of national economy and peoples daily life as the main mechanic-electronic energy conversion device for a century or more. PID control is often adopted in the digital control system of motor. But PID control has some scarcity, good control effects have been obtained difficultly in some instances.The paper is based on the analysis of the intelligent control, elaborating the present development condition of the PID control and the fuzzy control and the principle of the fuzzy control. Taking the fuzzy PID control as the research object, this paper presents a fuzzy PID controller for binary closed loop DC speed regulating system，and transient and steady-state performance and robustness of the system are analyzed. MATLAB numerical simulation shows that it provides higher transient performance and robustness than that of the PID controller.KEY WORDS: DC motor；speed regulating system；PID control；fuzzy PID control；MATLAB simulation- 47 -目錄摘 要IABSTRACTII第1章 引 言- 1 -1.1 前言- 1 -1.2 直流調速系統發展史- 1 -1.3 直流電動機的調速方法- 2 -1.4 本論文研究的目的與內容- 5 -第2章 雙閉環直流調速系統- 7 -2.1 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成及工作原理- 7 -2.1.1 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成- 7 -2.1.2 轉速、電流雙閉環直流調速系統的工作原理- 8 -2.2 雙閉環調速系統的靜特性及穩態參數- 9 -2.2.1 雙閉環調速系統的靜特性- 9 -2.2.2 雙閉環調速系統各變量的穩態工作點和穩態參數計算- 10 -2.3 雙閉環調速系統的動態特性- 11 -2.3.1 雙閉環調速系統的動態數學模型- 11 -2.3.2 雙閉環調速系統的動態性能- 11 -2.3.3 雙閉環調速系統中兩個調節器的作用- 12 -第3章 系統控制方案- 13 -3.1 經典控制(PID)- 13 -3.2 模糊控制- 18 -3.2.1 模糊控制的基本理論- 19 -3.2.2 模糊控制器的數據庫- 20 -3.2.3 模糊控制規則庫- 21 -3.2.4 推理決策邏輯- 22 -3.3 模糊控制與PID結合- 24 -3.3.1 模糊PID控制器的基本形式- 25 -3.4 雙閉環調速模糊PID控制器的設計- 27 -3.4.1 確定輸入與輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度- 28 -3.4.2 確定模糊控制規則(若干條經驗規則)R- 28 -3.4.3 設計模糊推理關系- 29 -3.4.4 模糊決策- 29 -3.4.5 模糊判決(將控制量去模糊化)- 30 -第4章 系統仿真- 32 -4.1 Matlab/Simulink簡介- 32 -4.2 Simulink的啟動與界面說明- 33 -4.2.1 啟動Simulink- 33 -4.2.2 Simulink的菜單- 33 -4.2.3 Simulink的功能模塊組- 33 -4.3 Simulink的仿真過程- 33 -4.3.1 創建結構圖文件- 33 -4.3.2 結構圖程序設計- 34 -4.3.3 Simulink仿真的啟動與停止- 34 -4.4 建立仿真模型- 34 -4.4.1 傳統PID控制的直流雙調速系統仿真- 34 -4.4.2 模糊PID控制的直流雙調速系統仿真- 35 -第5章 分析及結論- 39 -5.1 超調量，穩態靜差分析- 39 -5.2 快速性分析- 40 -5.3 抗負載擾動分析- 41 -5.4 魯棒性分析- 42 -5.5 結論- 43 -第6章 結束語- 44 -致 謝- 45 -參考文獻- 46 -第1章 引 言1.1 前言在現代化的工業生產過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，生產工藝、產品質量的要求不斷提高和產量的增長，使得越來越多的生產機械要求能實現自動調速。對可調速的傳動系統，可分為直流調速和交流調速。直流電動機具有優良的調速特性，調速平滑、方便，易于在大范圍內平滑調速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁地無級快速起制動和反轉，能滿足生產過程自動化系統中各種不同的特殊運行要求，至今在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領域仍有廣泛的應用，所以直流調速系統至今仍然被廣泛地應用于自動控制要求較高的各種生產部門，是截止到目前為止調速系統的主要形式之一。1.2 直流調速系統發展史第一，最初的直流調速系統是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行，設備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內平滑調速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現了發電機電動機(也稱為旋轉變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優良的調速性能，如有較寬的調速范圍(十比一至數十比一)、較小的轉速變化率和調速平滑等。特別是當電動機減速時，可以通過發電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網。這樣，一方面可得到平滑的制動特性;另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發電機電動機調速系統的主要缺點是需要增加兩臺與調速電動機相當的旋轉電機和一些輔助勵磁設備，因而設備較多、體積大、費用高、效率低、安裝需有地基、運行有噪聲、維修困難等。第三，自出現汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發電機電動機系統，使調速性能指標又進一步提高。特別是它的系統快速響應性是發電機電動機系統不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優越性，因而晶閘管直流調速系統立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優點，采用晶閘管供電，不僅使直流調速系統經濟指標上和可靠性有所提高，而且在技術性能上也顯示出很大的優越性。晶閘管變流裝置的放大倍數在10000以上，比機組(放大倍數10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高10倍;在快速響應性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。因此，目前在直流調速系統中，除某些特大容量的設備而且供電電路容量較小的情況下，仍采用機組供電、晶閘管勵磁系統以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控整流供電了。目前，我國直流調速控制的發展趨勢主要有以下幾個方面：(1)提高調速系統的單機容量。(2)提高電力電子器件的生產水平，使變流器結構變得簡單、緊湊。(3)提高控制單元水平，使其具有控制、監視、保護、診斷及其自動復原等多種功能。1.3 直流電動機的調速方法直流電機轉速n的表達式為:n= (1-1)式(1-1)中: Ua-電樞端電壓(V)； Ia-電樞電流(A)； Ra-電樞電路總電阻(W)； F-每極磁通量(wb)；Ce-與電機結構有關的常數;由(1-1)式可知，直流電機轉速n的控制方法有三種:(1)調節電樞電壓Ua，改變電樞電壓從而改變轉速，屬恒轉矩調速方法，動態響應快，適用于要求大范圍無級平滑調速的系統;(2)改變電機主磁通F，只能減弱磁通，使電動機從額定轉速向上變速，屬恒功率調速方法，動態響應較慢，雖能無級平滑調速，但調速范圍小;(3)改變電樞電路電阻Ra，在電動機電樞外串聯電阻進行調速，只能有級調速，平滑性差、機械特性軟、效率低。在一般意義上，對調速系統轉速控制要求大致有三方面：(1)調速在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地(有級)或平滑地(無級)調節轉速。(2)穩速以一定的精度在所需轉速上穩定運行，在各種可能的干擾下不允許有較大的轉速波動。(3)加、減速頻繁起制動的設備要求盡快的加減速以提高生產率。一般情況下，調速和穩速在各種場合下都能碰到，我們給出調速系統的穩態性能指標。 (一)調速范圍D生產機械要求電動機提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比叫做調速范圍，用字母D表示: D = (1-2)其中nmax和nmin一般都指電機額定負載時的轉速。(二)靜差率S當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落Dnnom，與理想空載轉速n0之比，稱作靜差率s用百分函數表示為:s =100% (1-3)顯然，靜差率是用來衡量調速系統在負載變化下轉速的穩定度的。并且，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調壓調速系統中調速范圍、靜差率與額定速降之間有一定的關系。在直流電動機調壓調速中，常以電動機額定轉速nnom為最高轉速，若帶額定負載時轉速降為Dnnom，則該系統的靜差率應該是最低速時的靜差率，即s = (1-4)于是，nmin = n0min-Dnnom=-Dnnom= （1-5）而調速范圍為：D= (1-6)將上式（1-5）中nmin代入式(1-6)，得D= (1-7)對于同一個調速系統，它的特性硬度或Dnnom值是一定的。因此，由式(1-7)可見，如果對靜差率的要求越嚴，也就是說要求越小時，系統能夠允許的調速范圍也越小。控制系統的動態性能指標分為跟隨性能指標和抗擾性能指標兩類。(一)跟隨性能指標a)上升時間tr在典型階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩態值所經過的時間。b)超調量s輸出量超出穩態值的最大偏差與穩態值之比s=100% (1-8)c)調節時間ts從開始到輸出穩定下來的一段時間，一般我們用誤差帶2%5%的t來表示輸出穩定。(二)抗擾性能指標是指控制系統在穩定運行中受到干擾，經歷一段動態過程后，總能達到新的穩態。a)動態降落Cmax%系統穩定運行時，突加一個約定的標準負擾動量，在過度中引起的輸出量最大降落值Cmax做動態降落，用輸出量原穩態值C1的百分數表示，系統動態降落后又重新恢復，達到新的穩態值C2,用(C1C2)表示靜差。b)恢復時間tv從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩態，距新穩態值C2之差進入某基準量Cb的5%(或2%)范圍內所需要的時間（Cb稱為抗擾指標中輸出量的基準值）。對調速系統來說，動態指標以抗擾性能為主，而隨動系統的動態指標則以跟隨性為主。121.4 本論文研究的目的與內容直流電動機具有良好的起、制動性能,在電力拖動自動控制系統,如軋鋼機及其輔助機械、礦井卷揚機等領域中得到了廣泛應用。在工業現場的實際直流調速系統中,應用最為廣泛、技術較為成熟的是采用轉速、電流雙閉環的直流調速系統。調速系統的內環是電流環,用以保證啟動過程中只有電流反饋起作用保證最大允許恒定電流,使電力拖動系統盡可能以最大的加速度啟動達到穩定轉速后使電流轉矩同負載轉矩平衡,穩定轉速,達到“時間最優控制”,到達穩定轉速后通過外環轉速環控制使得轉速恒定。傳統的直流電動機雙閉環調速系統多采用結構簡單、性能穩定的帶限幅的PID調節控制器,在實際生產現場,由于各種因素,如控制系統的傳遞函數與實際有偏差,又由于電機本身的參數和拖動負載的參數(如轉動慣量) 并不如模型那樣一成不變,在某些應用場合會隨工況而變化;同時,電機本身是一個非線性的被控對象,許多拖動負載含有彈性或間隙等非線性因素。因此被控制對象的參數變化與非線性特性,使得PID控制器的參數往往難以達到最優狀態,而且參數的一成不變也難以跟隨現場的動態變化。由于模糊控制不需要精確的數學模型,能夠根據日常生產中的經驗規則動態地輸出,能利用其非線性特性，突破PID方法的局限，使調速系統既有快速的動態響應，又有較高的穩定程度。除此之外，模糊控制又進一步提高了調速系統的魯棒性，對于我們解決直流電動機雙閉環調速系統（甚至是交流調速系統）的控制策略有重要的借鑒意義。利用模糊PID控制的動態調節作用,對傳統的雙閉環直流電動機調速系統進行改造,并通過仿真演示來說明其優良特性是本文的主要內容。第2章 雙閉環直流調速系統2.1 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成及工作原理直流調速系統，傳統上采用速度和電流的雙閉環調速，這是從單閉環自動調速系統發展起來的。采用PI控制器的單閉環系統，雖然實現了轉速的無靜差調速，但因其結構中含有電流截止負反饋環節，限制了起制動的最大電流。加上電機反電勢隨著轉速的上升而增加，使電流達到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機的轉矩也減少下來，使起動過程變慢，起動時間增長。為了提高生產率和加工質量，要求盡量縮短過渡過程時間。我們希望使電流在起動時始終保持在最大允許值上，電動機輸出最大轉矩，從而可使轉速直線上升，過渡過程時間大大縮短。另一方而，在一個調節器的情況下，輸入端綜合幾個信號，各參數互相影響，調整也比較困難。為獲得近似理想的起動過程，并克服幾個信號在一處的綜合的缺點，經研究與實踐，出現了轉速、電流雙閉環調速系統。2.1.1 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成雙閉環系統組成的思想是，在系統設立兩個調節器，分別調節轉速和電流，兩者之間實行串級連接，電流環在里面，為內環；轉速環在外面，為外環。其調速系統原理如圖2-1所示：圖2-1 轉速、電流雙閉環調速系統圖中ASR和ACR分別代表轉速、電流調節器，TG為測速計，可看作純比例環節。GT和V是晶閘管觸發器和整流裝置，控制晶閘管整流裝置總離不開觸發電路，因此在分析系統時，把它們當作一個環節來看。該環節的輸入量是觸發電路的控制電壓Uct，輸出量是理想空載整流電壓Udo。圖中，ASR和ACR均為比例積分調節器，其輸出均設有限幅電路。ACR輸出限幅值為Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值Udm。ASR輸出限幅值為Uim*，它決定了主環中的最大允許電流Idm。2.1.2 轉速、電流雙閉環直流調速系統的工作原理為了更清楚地了解轉速、電流雙閉環直流調速系統的特性，必須對雙閉環調速系統的穩態結構圖進行分析。圖2-2為雙閉環調速系統的穩態結構圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號的極性，主要視觸發電路對控制電壓的要求而定。若觸發器要求ACR的輸出Uct為正極性，由于調節器一般為反向輸入，則要求ACR的輸入Ui*為負極性，所以，要求ASR輸入的給定電壓Un*為正極性。圖2-2 雙閉環調速系統穩態結構圖2.1.2.1 以電流調節器ACR為核心的電流環電流環是由電流調節器ACR和電流負反饋環節組成的閉合回路，其主要作用是通過電流檢測元件的反饋作用穩定電流。由于ACR為PI調節器，穩態時，其輸入偏差電壓DUi= -Ui*+Ui= -Ui*+bId=0，即Id=Ui*/b。其中b為電流反饋系數。當Ui*一定時，由于電流負反饋的調節作用，使整流裝置的輸出電流保持在Ui*/b數值上。當IdUi*/b時，自動調節過程為：IdDUi=|-Ui*+bId|UctUdId最終保持電流穩定。當電流下降時，也有類似的調節過程。2.1.2.2 以轉速調節器ASR為核心的轉速環轉速環是由轉速調節器ASR和轉速負反饋環節組成的閉合回路，其主要作用是通過轉速檢測元件的反饋作用保持轉速穩定，最終消除轉速偏差。由于ASR采用PI調節器，所以在系統達到穩態時應滿足DUn=Un*-an=0，即n=Un*/a。當Un*一定時，轉速n將穩定在Un*/a數值上。當nUn*/a時，其自動調節過程為：負載nDUn=(Un*-an)|Ui*| 0Wci，滿足近似條件。2)忽略反電動勢對電流環影響的條件：Wci 33=31/s=51.75 1/sWci，滿足近似條件。轉速環的設計：(1)確定時間常數1)電流環等效時間常數為2Ti=0.01334s。2)轉速濾波時間常數Ton=0.005s。3)轉速環小時間常數Tn按小時間常數近似處理，取Tn=Ton+2Ti=0.01834s。(2)選擇轉速環調節器結構由于要求設計無靜差，轉速調節器必須含有積分環節；又根據動態要求，應按典型型系統設計轉速環。ASR調節器選用PI型，其傳遞函數為WASR= Kn(3)選擇轉速環調節器參數按跟隨與抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為：tn= hTn=50.01834= 0.0917s轉速環開環增益KN= = = 400Kn= = = 23 1/s所以WASR= Kn= (4)校驗近似條件轉速環截止頻率Wcn= = KNtn =2.109 1/s1)電流環的等效條件Wcn = =29.99 1/sWci，滿足等效條件。2)小時間常數合并條件Wcn = 1/s= 40.81 1/sWcn，滿足等效條件。3.2 模糊控制美國加州大學的L.A.Zadeh教授在1965年在信息與控制雜志上發表了著名的模糊集合論文，文中首次提出表達事物模糊性的重要概念：隸屬函數，從而模糊理論突破了19世紀末笛卡爾的經典集合理論，從此奠定了模糊理論的基礎。模糊理論因為其適合于人類的自然思維方式，成為了人工智能的重要研究方向，世界各國的科學家們圍繞模糊理論開展了廣泛的研究，從而推動了模糊理論的迅速發展。模糊理論主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理、模糊決策和模糊控制等方面的內容，模糊理論最成功的應用領域是模糊控制。模糊理論在解決不能精確建立數學模型的系統方面，取得了許多成功，解決了許多精確控制無法解決的控制問題。模糊控制是目前在控制領域所采用的三種智能控制方法中最具實際意義的方法。模糊控制的采用解決了大量過去人們無法解決的問題，并且在工業控制、家用電器和各個領域已取得了令人觸目的成效。模糊邏輯應用最有效并最廣泛的領域就是模糊控制。模糊控制在各種領域出人意料地解決了傳統控制方法無法或難以解決的問題，并取得了很好的效果。現在，人們已經明確地知道：模糊控制是目前在控制領域中所采用的三種智能控制方法中最具實際意義的方法。模糊控制就是建立在人類思維模糊性的基礎上的。模糊控制與傳統控制有著本質的區別，它不像經典控制那樣需要用精確數字所描述的傳遞函數，也不像現代控制理論那樣需要用矩陣表示的狀態方程。模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的語言條件語句，作為控制規則去執行控制。控制規則往往是由對被控過程十分熟悉的專門人員給出的，所以模糊控制在本質上來說是一種專家控制。這種控制的控制規則充分反映了人的智能活動。傳統控制方法以數學公式描述控制過程，往往可以給出十分嚴密和明確的數學表述。模糊控制以語句規則描述控制過程，使習慣了用精確數學刻畫控制過程的人們感到不易適應和迷惑。實際上，模糊控制是以一種與傳統精確數學完全不同的數學模糊數學為基礎理論建立起來的。它有一整套和傳統控制方法完全不同的理論和方法。何況，一種技術是否先進，是以其在實際應用中是否取得良好效果而體現的，絕不僅是因對其冗長的論證或美妙的描述就會優秀起來。模糊控制這種技術，盡管其理論系統尚未完善，但其大量應用的超常成效足以表明它是一種前途無量的技術。模糊控制以模糊數學理論、模糊語言形式為理論基礎，是一種基于模糊規則的控制系統，這些模糊控制規則是直接從專家經驗或現場操作者的經驗中進行歸納、優化得出來的，是一種蘊涵著人類智能、推理和決策的控制方式。經典數學以特征函數討論問題，而模糊數學以隸屬函數討論問題。系統精確數學模型的建立，其實質是應用一定的數學處理手段，基于待辨識系統的大量測量數據，找出體現系統輸入與輸出之間的內在聯系，并通過一定的數學表達式加以描述。建立系統模糊模型的基本思想也是這樣，只是將采集到的精確量量測數據進行模糊化處理，轉化成通過隸屬度和模糊子集表達的模糊量，也就是說，將原來通過精確量數據描述系統輸入輸出之間的內在聯系(精確數學模型)，轉化成一種相應的由條件語句IF(輸入語言變量模糊子集)、THEN(輸出語言變量模糊子集)表達的模糊關系，這便是系統的模糊模型。模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是將專家的經驗和知識表示為語言控制規則，并應用這些語言控制規則去控制系統，這樣它可不依賴于被控對象的精確數學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被控對象的參數變化具有較強的魯棒性。它不用建立數學模型，根據實際系統的輸入輸出結果數據，參考現場操作人員的操作運行經驗，就可對系統進行實時控制。模糊控制器特點中闡述了模糊控制對干擾和參數變化不敏感和模糊控制不用建立數學模型的特點，使得模糊控制對在不同環境下的同一直流電機對象(在不同環境下，同一對象的參數或許已經發生了不小的變化)進行控制，或是已經調好的模糊控制系統應用于參數稍有變化的控制對象時，系統性能沒有多大變化，使得現場調試人員不必為同一控制對象設置不同的調試參數。10133.2.1 模糊控制的基本理論模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，經過20多年的發展，在模糊控制理論和應用研究方面均取得重大成功。模糊控制的基本原理框圖如圖3-2所示。它的核心部分為模糊控制器，如圖3-2中點劃線框中部分所示，模糊控制器的控制規律由計算機的程序實現。圖3-2模糊控制原理框圖實現一步模糊控制算法的過程描述如下：首先獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E，一般選誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號E的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可用相應的模糊語言表示，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集e(e是一個模糊矢量)，再由e和模糊控制規則R(模糊算子)根據推理的合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量u。應著重指出，所謂模糊控制，既不是指被控對象是模糊的，也不是指控制器是不確定的，它是指在表示知識、概念上的模糊。只是在所采用的控制方法上應用了模糊數學理論，雖然模糊控制算法是通過模糊語言描述的，但它所完成的卻是一項完全確定的工作。它不僅能成功地實現控制，而且還能模仿人的思維方法，對一些無法構造數學模型的被控過程進行有效控制。3.2.2 模糊控制器的數據庫數據庫提供必要的定義，包含了語言控制規則論域的離散化、量化和正規化以及輸入輸出空間的劃分、隸屬度函數的定義等。3.2.2.1 描述輸入和輸出變量的詞集在模糊控制中，輸入輸出變量大小是以語言的形式描述的。一般選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態，在加上正、負方向和零狀態，共有7個詞匯：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大其縮寫為：NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB3.2.2.2 輸入變量的模糊化某個變量的實際變化范圍稱為該變量的基本論域。記誤差E的基本論域為-xe,xe，誤差變化EC的基本論域為-xec,xec，模糊控制器的輸出變量(系統的控制量)的基本論域為-ye,ye，模糊控制器中的輸入和輸出都是精確量，但控制算法需要模糊量。因此輸入的精確量(數字量)需轉化為模糊量，另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉化為精確的控制量輸出。比較常使用的模糊化方法是將基本論域分為n檔，即取變量的模糊子集論域為：-n，-n+1，0，n-1，n從基本論域a,b到模糊子集論域-n,+n轉換公式為:y=2n/(b-a)x-(a+b) /2 （3-1）一般選擇模糊論域中所含元素為模糊詞集總數的二倍以上，確保模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現失控現象?？蛇x擇E和EC的論域為:-6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6選擇模糊控制器的輸出變量即系統的控制量U的論域為:-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 73.2.2.3 隸屬度函數為了實現模糊化，要在上述離散化的精確量與表示模糊語言的模糊量之間建立關系，即確定論域中的每個元素對各個模糊語言變量的隸屬度函數。隸屬度是描述某個確定量隸屬于某個模糊語言變量的程度，隸屬度函數的確定方法有模糊統計法、相對比較法和專家經驗法等。常見的隸屬度函數有三角形隸屬度函數、高斯形隸屬度函數等。3.2.3 模糊控制規則庫模糊控制系統是用一系列基于專家知識的語言來描述的，用一系列模糊條件描述的模糊控制規則就構成了模糊控制規則庫。與模糊控制規則相關的主要有：過程狀態輸入變量和控制輸出變量的選擇、模糊控制規則的建立和模糊控制規則的完整性、兼容性、抗干擾性。3.2.3.1 模糊控制器的輸入、輸出變量模糊控制器是模仿人的一種控制。在人為控制的過程中，一般根據被控量的誤差E、誤差的變化EC和誤差變化的速率ER進行決策。人對誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。因此，模糊控制的輸入變量通常取E或E和EC或E、EC和ER，分別構成一維、二維、三維模糊控制器。一維模糊控制器的動態性能不佳，二維模糊控制器的控制性能比較好，是目前廣泛采用的一種形式。一般選擇控制量的增量作為模糊控制器的輸出變量。3.2.3.2 模糊控制規則的建立目前模糊控制規則的建立大致有四種方法:專家經驗法:通過對專家控制經驗的咨詢形成控制規則庫。觀察法:通過觀察人類控制行為并將其控制的思想提煉出一套基于模糊條件語言類型的控制規則從而建立模糊規則庫。基于模糊模型的控制:通過建立被控對象的模糊模型來實現。建立模糊控制規則一樣的“IF-THEN”形式來描述被控對象的動態特性。在模糊控制中，被控對象的模型是運用多個控制規則來描述的。自組織法:它能在沒有和有很少經驗知識的情況下通過觀察系統的輸入輸出關系建立控制規則庫。3.2.4 推理決策邏輯推理決策是模糊控制的核心，它利用知識庫的信息模擬人類的推理決策過程，給出合適的控制量。它的實質是模糊邏輯推理。3.2.4.1 模糊命題模糊命題是清晰命題的推廣，它的真值在0,1閉區間中取值，相當于隸屬度函數值。它的一般形式為:A：e is F式中，e是模糊變量，F是一模糊概念所對應的模糊集合。3.2.4.2 模糊語句含有模糊概念的，按給定的語法規則所構成的語句稱為模糊語句。有模糊陳述句、模糊判斷句、模糊推理句等幾種類型。模糊陳述句是相對于具有清晰概念的一般陳述句而言。模糊判斷句的形式為:x是a，它的真值由x對模糊集合A的隸屬度給出。模糊推理句的形式為:“IF a THEN b”。3.2.4.3 模糊推理推理就是根據已知的一些命題，按照一定的法則，去推斷一個新的命題的思維過程和思維方式。在客觀現實中，很多問題是具有模糊性的，傳統的形式邏輯和近代的數理邏輯都無法解決這類問題。解決模糊性問題需要用模糊推理。模糊推理是一種近似的推理，應用模糊集合理論，可以對近似推理進行定量的討論，這樣可以得到較精確的結論和明確的結果。模糊推理有下列幾種常見的形式：CRI法、Mamdani推理法、模糊推理的TVR法等。Mamdani推理法是一種在模糊控制中普遍使用的方法，它實質上是一種CRI法。Mamdani推理法常用的推理形式有如下3中：1、“if A then B”的推理。對于這樣一個系統，當有輸入A時，則輸出B，它的蘊涵關系為AB。2、“if A then B else C”的推理。對于這樣一個系統，當有輸入A時，則輸出B，如果輸入為Ac時，則有輸出為C，蘊涵關系為(AB)(ACC)。3、“if A and B then C”的推理。對于這樣一個系統，當輸入A和B同時滿足時，則輸出C，這種蘊涵關系為(AB)C。在模糊控制系統中，用的最多的語句就是“if A and B then C”語句。這是因為在大量的模糊控制中，不但要考慮給定值和實際值所形成的誤差，同時還要考慮誤差的變化率。10123.3 模糊控制與PID結合傳統PID參數的設定一般采用Niegler-Nichols階躍響應方法，根據純滯后時間和時間常數來整定控制器參數，這種方法一般適用于純滯后時間和時間常數之比在0.11之間，借助作圖法進行，參數整定后保持不變，有時不能滿足要求?，F代PID參數的整定朝自整定方向發展，常見的方法有:(1)專家PID控制；(2)模糊PID控制；(3)神經PID控制；在實際工業過程控制中，被控對象會受到來自各種渠道的干擾和影響，這些干擾和影響可能導致過程特性的變化，甚至結構的變化，這往往要求系統能根據運行狀態自動進行調整，使系統始終運行在一個較好的工作狀態。自適應控制就是通過在線辨識對象特性參數，實時改變控制策略，使系統始終運行在一個較好的工作狀態，但其控制效果取決于模型辨識的準確度，這在復雜系統的情況下是非常困難的，有時幾乎是不可能的。因此，在實際工業過程控制中，大量采用的仍然是PID控制，為了提高PID控制的性能，采用了大量現代控制技術，模糊PID控制就是其中卓有成效的一種方法。所謂模糊PID控制是指運用模糊數學的基本理論和方法，把規則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則和有關信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，實現對PID參數的調整。綜合PID控制和模糊控制可以知道：(1)PID控制和模糊控制都是適應性強的控制方法，可以適應大多數被控對象的控制；(2)PID控制穩態性能好，但動態特性不太理想;而模糊控制動態響應品質優良，但存在穩態性能差的問題；(3)在不知道精確的被控對象的數學模型時，PID控制參數整定困難;而模糊控制使用自然語言方法，控制方法易于掌握，不需要精確的被控對象的數學模型；(4)PID控制不具有自適應控制能力，對于時變、非線性系統控制效果不佳，當系統參數發生變化時，控制性能會產生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴重時可能導致系統的不穩定;而模糊控制魯棒性好，能夠較大范圍的適應參數變化。模糊模型使用模糊語言和規則描述一個系統的動態特性及性能指標。其特點是不須知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數變化有強魯棒性，對控制系統干擾有較強抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于模糊規則庫的建立缺乏完整性，沒有明確的控制結構，存在較大穩態誤差等。PID控制器結構簡單、明確，能滿足大量工業過程的控制要求。但PID本質是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領域，因此，將模糊控制與PID結合將具備兩者的優點。即用過程的運行狀態(電壓偏差及電壓變化率)確定PID控制器參數，用PID控制算法確定控制作用。主要的問題是合理地獲得PID參數的模糊校正規則，其實質是一種以模糊規則調節PID參數的自適應控制，即在一般PID控制系統基礎上，加上一個模糊控制規則環節。當電壓較大時采用Fuzzy控制，響應速度快，動態性能好;當電壓較小時采用PID控制，使其靜態性能好，滿足系統精度要求。