模糊规则的pid控制器设计

模 糊 自 整 定 PID 控 制 器 设 计 及 仿 真 分 析摘 要针 对 常 规 PID 控 制 不 具 有 自 适 应 能 力 ， 对 于 时 变 、 非 线 性 系 统 控 制 效 果 不 佳 。提 出 了 将 模 糊 技 术 与 PID 控 制 相 结 合 的 控 制 方 式 ， 设 计 出 各 种 模 糊 控 制 器 。 论 文 的主 要 内 容 包 括 ：1.介 绍 模 糊 控 制 技 术 的 背 景 和 重 大 意 义 ， 了 解 常 规 PID 控 制 中 的 优 点 与 缺 点 。2.了 解 模 糊 控 制 的 数 学 基 础 。 例 如 ： 模 糊 集 合 的 定 义 、 模 糊 语 言 、 模 糊 推 理 、模 糊 变 量 的 隶 属 函 数 、 论 域 、 量 化 因 子 、 比 例 因 子 等 。3.掌 握 MATLAB 中 模 糊 工 具 箱 、 SIMULINK 的 使 用 及 模 糊 控 制 器 的 设 计 方 法 ， 对于 不 同 的 控 制 系 统 设 计 出 对 应 的 模 糊 控 制 器 的 规 则 。4.对 混 合 式 模 糊 PID 控 制 器 、 开 关 式 模 糊 PID 控 制 器 、 自 整 定 模 糊 PID 控 制 器进 行 SIMULINK 仿 真 。MATLAB 中 模 糊 逻 辑 控 制 工 具 箱 设 计 模 糊 控 制 器 灵 活 、 方 便 、 可 观 性 强 ， 并 可 在SIMULINK 环 境 中 非 常 直 观 地 构 建 各 种 复 杂 的 模 糊 PID 控 制 系 统 。 仿 真 结 果 表 明 ， 模糊 PID 控 制 具 有 控 制 灵 活 、 超 调 小 、 响 应 快 和 适 应 性 能 强 的 优 点 。关 键 词 ： 模 糊 PID 控 制 ； MATLAB 仿 真 ； SIMULINKIIFuzzy Adaptive PID Controller Design and SimulationAnalysisAbstractTo the conventional PID control dont have self-adaptive ,the control effect of time-varing and nonlinearity, We have already take the control method that combine fuzzy technology with PID control, and design various the fuzzy controller. The main contents of thesis is that: 1. Introduce the fuzzy control technologys background and great significance, understanding the advantages and disadvantages of the conventional PID control.2. Understanding the mathematical basis of the fuzzy control, such as: the definition of fuzzy set, fuzzy language, fuzzy inference, membership function of fuzzy variables, treatise domain, quantifiable factor, scale factor and so on . 3. Master the use of the fuzzy toolbox, SIMULINK at MATLAB and the design of the fuzzy controller for different control system design the rules of the different fuzzy controller correspondingly.4. Carry out SIMULINK simulation for the hybrid fuzzy controller, the switch fuzzy controller, and self-fuzzy controller. When a fuzzy logic control toolbox design fuzzy controller, it is very flexible、 convenient and great observability in MATLAB, and it can construct various complex fuzzy PID control system directly in SIMULINK environment. The simulation IIIresults show that the fuzzy PID control have advantages of flexible control, small overshoot, fast response and strong adaption.Key words： Fuzzy PID control； MATLAB simulation； SIMULINKIV目 录摘 要 IAbstract II第 1 章 绪 论 .11.1 课 题 的 研 究 背 景 及 意 义 .11.2 PID 控 制 的 特 点 .21.3 模 糊 控 制 技 术 概 述 .3第 2 章 模 糊 控 制 理 论 .62.1 模 糊 集 合 定 义 .62.2 模 糊 语 言 .62.3 模 糊 变 量 的 隶 属 函 数 .82.4 模 糊 推 理 系 统 的 数 据 结 构 管 理 函 数 介 绍 .82.5 论 域 、 量 化 因 子 、 比 例 因 子 的 选 择 112.5.1 论 域 及 基 本 论 域 112.5.2 量 化 因 子 及 比 例 因 子 12第 3 章 基 于 MATLAB 的 模 糊 控 制 器 的 设 计 内 容 .143.1 模 糊 控 制 器 概 述 143.2 模 糊 控 制 器 设 计 所 包 括 的 内 容 143.3 模 糊 控 制 器 的 结 构 设 计 153.4 模 糊 控 制 器 规 则 的 设 计 153.5 精 确 量 的 模 糊 化 173.6 模 糊 推 理 及 其 模 糊 量 去 模 糊 化 方 法 183.7 模 糊 控 制 规 则 表 18第 4 章 PID 控 制 器 .20- V -4.1 PID 的 概 述 204.2 PID 控 制 的 基 本 理 论 204.3 模 糊 PID 控 制 .23第 5 章 MATLAB 仿 真 255.1 MATLAB 简 介 .255.2 模 糊 控 制 器 的 设 计 255.2.1 模 糊 控 制 器 原 理 图 255.2.2 控 制 系 统 的 SIMULINK 实 现 .265.2.3 MATLAB 仿 真 .295.3 混 合 式 模 糊 PID 控 制 器 设 计 295.3.1 控 制 系 统 原 理 图 295.3.2 控 制 系 统 的 SIMULINK 实 现 .305.3.3 MATLAB 仿 真 .305.4 开 关 式 模 糊 PID 控 制 器 设 计 315.4.1 控 制 系 统 原 理 图 315.4.2 控 制 系 统 的 SIMULINK 仿 真 .325.4.3 MATLAB 仿 真 .325.5 自 整 定 模 糊 PID 控 制 器 设 计 335.5.1 控 制 系 统 的 原 理 图 335.5.2 控 制 系 统 的 SIMULINK 实 现 .345.5.3 MATLAB 仿 真 .39结 论 .40参 考 文 献 .41- 1 -第 1 章 绪 论1.1 课 题 的 研 究 背 景 及 意 义现 代 控 制 系 统 ， 规 模 越 来 越 大 ， 系 统 越 来 越 复 杂 ， 用 传 统 的 控 制 理 论 方 法 已 不能 满 足 控 制 的 要 求 。 智 能 控 制 是 在 经 典 控 制 理 论 和 现 代 控 制 理 论 的 基 础 上 发 展 起 来的 ， 是 控 制 理 论 、 人 工 智 能 和 计 算 机 科 学 相 结 合 的 产 物 。 智 能 控 制 主 要 分 为 模 糊 逻辑 控 制 、 神 经 网 络 控 制 和 实 时 专 家 系 统 。 研 究 的 主 要 目 标 不 仅 仅 是 被 控 对 象 ， 同 时也 包 含 控 制 器 本 身 。模 糊 理 论 是 在 美 国 柏 克 莱 加 州 大 学 电 气 工 程 系 L.A.Zadeh 教 授 于 1965 年 创 立 的模 糊 集 合 理 论 的 数 学 基 础 上 发 展 起 来 的 ， 主 要 包 括 模 糊 集 合 理 论 、 模 糊 逻 辑 、 模 糊推 理 和 模 糊 控 制 等 方 面 内 容 。L.A.Zadeh 教 授 在 1965 年 发 表 的 Fuzzy Set 论 文 中 首 次 提 出 表 达 事 物 模 糊 性 的重 要 概 念 隶 属 函 数 。 模 糊 控 制 理 论 的 核 心 是 利 用 模 糊 集 合 论 ， 把 人 的 控 制 策 略的 自 然 语 言 转 化 为 计 算 机 能 够 接 受 的 算 法 语 言 所 描 述 的 算 法 。 但 它 的 控 制 输 出 却 是确 定 的 ， 它 不 仅 能 成 功 的 实 现 控 制 ， 而 且 能 模 拟 人 的 思 维 方 式 ， 对 一 些 无 法 构 成 数学 模 型 的 对 象 进 行 控 制 。 “模 糊 概 念 ”更 适 合 于 人 们 的 观 察 、 思 维 、 理 解 、 与 决 策 ，这 也 更 适 合 于 客 观 现 象 和 事 物 的 模 糊 性 。 “模 糊 控 制 ”的 特 色 就 是 一 种 “语 言 型 ”的 决 策 控 制 。模 糊 控 制 技 术 ， 已 经 成 为 智 能 控 制 技 术 的 一 个 重 要 分 支 ， 它 是 一 种 高 级 算 法 策略 和 新 颖 的 技 术 。 自 从 1974 年 英 国 的 马 丹 尼 (E.H.Mandani)工 程 师 首 先 根 据 模 糊 集合 理 论 组 成 的 模 糊 控 制 器 用 于 蒸 汽 发 动 机 的 控 制 以 后 ， 在 其 发 展 历 程 的 30 多 年 中 ，2模 糊 控 制 技 术 得 到 了 广 泛 而 快 速 的 发 展 。 现 在 ， 模 糊 控 制 已 广 泛 地 应 用 于 冶 金 与 化工 过 程 控 制 、 工 业 自 动 化 、 家 用 电 器 智 能 化 、 仪 器 仪 表 自 动 化 、 计 算 机 及 电 子 技 术应 用 等 领 域 。 尤 其 在 交 通 路 口 控 制 、 机 器 人 、 机 械 手 控 制 、 航 天 飞 行 控 制 、 汽 车 控制 、 电 梯 控 制 、 核 反 应 堆 及 家 用 电 器 控 制 等 方 面 ， 表 现 其 很 强 的 应 用 价 值 。 并 且 目前 已 有 了 专 用 的 模 糊 芯 片 和 模 糊 计 算 机 的 产 品 ， 可 供 选 用 。 我 国 对 模 糊 控 制 器 开 始研 究 是 在 1979 年 ， 并 且 已 经 在 模 糊 控 制 器 的 定 义 、 性 能 、 算 法 、 鲁 棒 性 、 电 路 实现 方 法 、 稳 定 性 、 规 则 自 调 整 等 方 面 取 得 了 大 量 的 成 果 。 著 名 科 学 家 钱 学 森 指 出 ，模 糊 数 学 理 论 及 其 应 用 ， 关 系 到 我 国 二 十 一 世 纪 的 国 力 和 命 运 。1.2 PID 控 制 的 特 点PID 控 制 的 优 点 与 缺 点 ： 1(1)PID 控 制 具 有 适 应 性 强 的 特 点 ， 适 应 各 种 控 制 对 象 ， 参 数 的 整 定 是 PID 控 制的 一 个 关 键 问 题 ；(2)只 要 参 数 整 定 合 适 ， 对 大 多 数 被 控 对 象 可 以 实 现 无 差 控 制 ， 稳 态 性 能 好 ，但 动 态 特 性 不 太 理 想 ；(3)PID 控 制 不 具 有 自 适 应 控 制 能 力 ， 对 于 时 变 、 非 线 性 系 统 控 制 效 果 不 佳 。当 系 统 参 数 发 生 变 化 时 ， 控 制 性 能 会 产 生 较 大 的 变 化 ， 控 制 特 性 可 能 变 坏 ， 严 重 时可 能 导 致 系 统 的 不 稳 定 。虽 然 PID 控 制 具 有 一 些 不 理 想 的 方 面 ， 但 由 于 其 具 有 十 分 明 显 的 优 点 ， 在 工 业过 程 控 制 领 域 一 直 占 据 了 主 导 地 位 ， 而 且 全 世 界 的 控 制 技 术 研 究 和 应 用 人 员 对 PID控 制 进 行 了 大 量 的 研 究 ， 努 力 改 善 PID 控 制 的 性 能 。 围 绕 PID 控 制 ， 并 与 多 种 其 它- 3 -控 制 技 术 结 合 ， 形 成 了 多 种 PID 控 制 技 术 ， 以 下 是 一 些 PID 控 制 技 术 的 发 展 和 研 究方 向 ：（ 1） 专 家 PID 控 制 ： 专 家 控 制 (Expert Control )的 实 质 是 基 于 受 控 对 象 和 控制 规 律 的 各 种 知 识 ， 并 以 智 能 的 方 式 利 用 这 些 知 识 来 设 计 控 制 器 。 利 用 专 家 经 验 来设 计 PID 参 数 便 构 成 专 家 PID 控 制 ；（ 2） 模 糊 PID 控 制 ： 模 糊 控 制 技 术 与 PID 控 制 结 合 构 成 模 糊 PID 控 制 ；（ 3） 神 经 PID 控 制 ： 运 用 神 经 网 络 技 术 对 PID 控 制 参 数 进 行 整 定 ， 构 成 神 经PID 控 制 ；（ 4） 遗 传 PID 控 制 ： 用 遗 传 算 法 对 PID 控 制 参 数 进 行 整 定 和 优 化 ， 构 成 遗 传PID 控 制 ；（ 5） 灰 色 PID 控 制 ： 灰 色 系 统 理 论 与 PID 控 制 结 合 进 行 系 统 控 制 构 成 PID 控 制 。以 上 多 种 PID 控 制 方 法 ， 是 PID 控 制 与 现 代 控 制 技 术 的 结 合 ， 主 要 是 在 PID 参数 动 态 整 定 上 进 行 了 大 量 研 究 ， 在 保 持 PID 控 制 基 本 原 理 的 基 础 上 ， 改 善 了 PID 控制 的 性 能 ， 在 工 业 过 程 控 制 领 域 继 续 占 据 着 主 导 地 位 。1.3 模 糊 控 制 技 术 概 述模 糊 控 制 主 要 还 是 建 立 在 人 的 直 觉 和 经 验 的 基 础 上 ， 这 就 是 说 ， 操 作 人 员 对 被控 系 统 的 了 解 不 是 通 过 精 确 的 数 学 表 达 式 ， 而 是 通 过 操 作 人 员 丰 富 的 实 践 经 验 和 直观 感 觉 。 这 种 方 法 可 以 看 成 是 一 组 探 索 式 决 策 规 则 。4模 糊 控 制 是 以 模 糊 集 合 论 、 模 糊 语 言 变 量 和 模 糊 逻 辑 推 理 为 基 础 的 一 种 计 算 机控 制 方 法 ， 作 为 智 能 控 制 的 一 个 重 要 分 支 ， 在 控 制 领 域 获 得 了 广 泛 应 用 。 模 糊 控 制的 核 心 是 模 糊 控 制 器 ， 而 模 糊 控 制 器 的 关 键 是 模 糊 控 制 规 则 的 确 定 ， 即 模 糊 控 制 规则 表 ， 模 糊 控 制 规 则 表 是 根 据 专 家 或 者 操 作 者 的 手 动 控 制 经 验 总 结 出 来 的 一 系 列 控制 规 则 。一 般 最 易 为 人 所 观 察 到 的 就 是 被 控 过 程 的 输 出 变 量 及 其 变 化 率 ， 因 此 通 常 把 误差 及 其 变 化 率 ec 作 为 模 糊 控 制 器 的 输 入 语 言 变 量 ， 把 控 制 量 作 为 模 糊 控 制 器 的e U输 出 语 言 变 量 ， 从 关 系 上 看 为 ， 实 质 上 体 现 为 模 糊 控 制 器 是 一 种 非),(ECFU线 性 的 比 例 微 分 (PD)控 制 关 系 。模 糊 控 制 系 统 框 图 如 图 1.1 所 示 。图 1.1 模糊控制系统框图误 差 e、 误 差 变 化 率 ec 和 输 出 y 的 实 际 变 化 范 围 ， 称 为 模 糊 控 制 的 基 本 论 域 。在 模 糊 控 制 中 ， 用 模 糊 概 念 来 表 述 输 入 和 输 出 变 量 ， e 和 ec 称 为 输 入 语 言 变 量 ， y称 为 输 出 语 言 变 量 。 语 言 变 量 是 一 个 模 糊 集 合 ， 语 言 变 量 的 取 值 称 为 语 言 变 量 值 。- 5 -语 言 变 量 值 根 据 问 题 需 要 确 定 ， 是 语 言 变 量 的 模 糊 子 集 。 语 言 变 量 值 是 构 成 语 言 变量 的 词 集 。 对 于 输 入 变 量 e、 ec 在 基 本 论 域 内 的 一 个 实 际 值 ， 为 实 施 模 糊 控 制 ， 需要 将 其 转 化 为 语 言 变 量 值 ， 这 个 转 化 依 赖 于 语 言 变 量 值 的 隶 属 度 函 数 ， 这 种 转 化 的过 程 叫 模 糊 化 。经 过 模 糊 化 处 理 后 ， 得 到 输 入 变 量 e、 ec 在 输 入 基 本 论 域 内 的 一 个 实 际 值 隶 属于 各 语 言 变 量 值 的 程 度 。 一 般 在 一 个 模 糊 规 则 的 前 件 中 往 往 不 只 有 一 个 命 题 ， 需 要用 模 糊 算 子 获 得 该 规 则 前 件 被 满 足 的 程 度 。 模 糊 算 子 的 输 入 是 两 个 或 者 多 个 输 入 的经 过 模 糊 化 后 得 到 的 语 言 变 量 值 (隶 属 度 值 )， 其 输 出 是 一 条 规 则 的 整 个 前 件 被 满 足的 隶 属 度 。 将 一 条 规 则 的 整 个 前 件 被 满 足 的 隶 属 度 作 为 输 入 ， 根 据 规 则 “如 果 x 是A， 则 y 是 B”， 表 示 的 A 与 B 之 间 的 模 糊 蕴 涵 关 系 (A B)进 行 模 糊 推 理 ， 可 以 得 到一 个 输 出 模 糊 集 ， 即 输 出 语 言 变 量 值 ， 这 种 过 程 称 为 模 糊 推 理 。 模 糊 推 理 又 称 模 糊逻 辑 推 理 ， 它 是 一 种 以 模 糊 推 断 为 前 提 ， 运 用 模 糊 语 言 规 则 ， 推 出 一 个 新 的 近 似 的模 糊 推 断 结 论 的 方 法 。模 糊 推 理 的 关 键 是 模 糊 控 制 规 则 的 确 定 ， 即 模 糊 控 制 规 则 表 ， 模 糊 控 制 规 则 表是 根 据 专 家 或 者 操 作 者 的 手 动 控 制 经 验 总 结 出 来 的 一 系 列 控 制 规 则 。 由 于 一 般 情 况下 ， 模 糊 规 则 库 由 多 条 规 则 组 成 ， 经 过 模 糊 推 理 得 到 的 是 一 个 由 每 一 条 规 则 推 理 得出 的 输 出 语 言 变 量 值 的 集 合 ， 因 此 需 要 将 这 些 输 出 语 言 变 量 值 进 行 某 种 合 成 运 算 ，得 到 一 个 综 合 的 输 出 模 糊 集 ， 这 种 过 程 称 为 模 糊 合 成 。 将 经 过 模 糊 合 成 得 到 的 综 合输 出 模 糊 集 进 行 转 化 ， 即 将 语 言 变 量 值 转 化 为 输 入 变 量 基 本 论 域 内 的 一 个 实 值 ， 对被 控 过 程 进 行 控 制 ， 这 种 过 程 叫 模 糊 判 决 或 者 叫 去 模 糊 化 。6第 2 章 模 糊 控 制 理 论2.1 模 糊 集 合 定 义模 糊 集 合 ： 论 域 U 到 0， 1区 间 的 任 一 映 射 ， 即A： U 0， 1 （ 2.1）A确 定 U 的 一 个 模 糊 子 集 A， 简 称 模 糊 集 。 称 为 A 的 隶 属 度 函 数 ， 称 为xAx 对 A 的 隶 属 度 。表 示 论 域 U 中 的 元 素 x 属 于 模 糊 子 集 A 的 程 度 或 等 级 。 它 在 0， 1闭 区间 内 可 连 续 取 值 。 的 值 越 接 近 1， 则 x 隶 属 于 A 的 程 度 越 高 ； 越 接 近 于A xA0， 表 示 属 于 A 的 程 度 低 。2.2 模 糊 语 言语 言 是 一 种 符 号 系 统 ， 它 包 括 自 然 语 言 ， 机 器 语 言 等 等 。 其 中 自 然 语 言 是 以 字或 词 为 符 号 的 一 种 符 号 系 统 ， 人 们 用 它 表 示 主 客 观 世 界 的 各 种 事 物 、 观 念 、 行 为 和情 感 的 意 义 ， 是 人 们 在 日 常 工 作 和 生 活 中 所 使 用 的 语 言 。 自 然 语 言 中 常 含 有 模 糊 概念 。 在 实 际 生 产 过 程 中 ， 人 们 发 现 ， 有 经 验 的 操 作 人 员 ， 虽 然 不 懂 被 控 对 象 或 被 控过 程 的 数 学 模 型 ， 却 能 凭 借 经 验 采 取 相 应 的 决 策 ， 很 好 的 完 成 控 制 工 作 。2例 如 ， 控 制 加 热 炉 的 温 度 时 ， 就 可 以 根 据 操 作 工 人 的 经 验 调 节 电 加 热 炉 供 电 电压 ， 达 到 升 温 和 降 温 的 目 的 ， 人 工 操 作 控 制 温 度 时 ， 操 作 工 人 的 经 验 ， 可 以 用 下 述语 言 来 描 述 ：若 炉 温 低 于 给 定 温 度 则 升 压 ， 低 的 越 多 ， 升 压 越 高 。若 炉 温 高 于 给 定 温 度 则 降 压 ， 高 的 越 多 ， 降 压 越 低 。- 7 -若 炉 温 等 于 给 定 温 度 ， 则 保 持 电 压 不 变 。上 述 这 些 用 以 描 述 操 作 经 验 的 一 系 列 模 糊 性 语 言 ， 就 是 模 糊 条 件 语 句 。 再 用 模糊 逻 辑 推 理 对 系 统 的 实 时 输 入 状 态 观 测 量 进 行 处 理 。 则 可 产 生 相 应 的 控 制 决 策 ， 这就 是 模 糊 控 制 。图 2.1 是 一 个 人 工 操 作 的 控 制 系 统 示 意 图 。 操 作 者 首 先 通 过 传 感 器 和 仪 表 显 示设 备 ， 知 道 系 统 的 输 出 量 及 其 变 化 的 模 糊 信 息 。 然 后 ， 操 作 者 就 用 这 些 信 息 ， 根 据已 有 的 经 验 来 分 析 判 断 ， 得 出 相 应 的 控 制 决 策 ， 实 现 对 工 业 对 象 的 控 制 。图 2.1 工业操作的控制系统一 般 来 说 ， 当 人 进 行 控 制 时 ， 必 须 根 据 输 入 的 偏 差 及 偏 差 变 化 率 综 合 地 进 行 权衡 和 判 决 。 操 作 者 在 对 受 控 过 程 进 行 控 制 时 ， 测 量 或 观 测 到 的 偏 差 值 和 偏 差 的 变 化速 率 是 一 些 清 晰 量 ， 经 过 模 糊 化 得 到 偏 差 、 偏 差 变 化 率 大 、 中 、 小 的 某 个 模 糊 量 的概 念 。 经 过 人 的 模 糊 决 策 后 ， 得 到 决 策 的 控 制 输 出 模 糊 量 。 当 按 照 已 定 的 模 糊 决 策去 执 行 具 体 的 动 作 时 ， 所 执 行 的 动 作 又 必 须 以 清 晰 的 量 表 现 出 来 。 因 此 ， 图 2.1 的人 -机 过 程 可 归 结 为 ： 将 偏 差 e、 偏 差 变 化 率 ec 的 清 晰 量 经 模 糊 化 得 到 模 糊 量 E 和EC， 将 模 糊 近 似 推 理 分 析 得 到 模 糊 控 制 输 出 U， 然 后 经 模 糊 决 策 判 断 ， 得 到 清 晰 值的 控 制 量 u 去 执 行 控 制 动 作 。382.3 模 糊 变 量 的 隶 属 函 数MATLAB 模 糊 工 具 箱 提 供 了 许 多 函 数 ， 如 表 2.1 所 示 的 模 糊 隶 属 度 函 数 ， 用 以 生成 特 殊 情 况 的 隶 属 函 数 ， 包 括 常 用 的 三 角 型 、 高 斯 型 、 型 、 钟 型 等 隶 属 函 数 。表 2.1 模 糊 隶 属 度 函 数函 数 名 函 数 功 能 描 述pimf 建 立 型 隶 属 度 函 数gauss2mf 建 立 双 边 高 斯 型 隶 属 度 函 数gaussmf 建 立 高 斯 型 隶 属 度 函 数gbellmf 生 成 一 般 的 钟 型 隶 属 度 函 数smf 建 立 S 型 隶 属 度 函 数trapmf 生 成 梯 形 型 隶 属 度 函 数trimf 生 成 三 角 型 隶 属 度 函 数zmf 建 立 Z 型 隶 属 度 函 数32.4 模 糊 推 理 系 统 的 数 据 结 构 管 理 函 数 介 绍在 MATLAB 工 具 箱 中 ， 把 模 糊 推 理 系 统 的 各 部 分 作 为 一 个 整 体 ， 提 供 了 模 糊 推理 系 统 数 据 结 构 管 理 函 数 ， 用 以 完 成 模 糊 规 则 的 建 立 、 解 析 与 修 改 ， 模 糊 推 理 系 统的 建 立 、 修 改 和 存 储 管 理 以 及 模 糊 推 理 的 计 算 及 去 模 糊 化 等 操 作 。4（ 1） readfis功 能 ： 从 磁 盘 载 入 模 糊 推 理 系 统 。（ 2） addrule功 能 ： 向 模 糊 推 理 系 统 添 加 模 糊 规 则 。- 9 -（ 3） addvar功 能 ： 向 模 糊 推 理 系 统 添 加 变 量 。（ 4） convertfis功 能 ： 将 模 糊 逻 辑 工 具 箱 1.0 版 FIS 转 换 为 2.0 版 FIS 结 构 。（ 5） evalfis功 能 ： 执 行 模 糊 推 理 计 算 。（ 6） gensurf功 能 ： 生 成 模 糊 推 理 系 统 的 曲 面 并 显 示 。（ 7） getfis功 能 ： 获 得 模 糊 推 理 系 统 特 性 曲 线 。（ 8） mam2sug功 能 ： 将 Mamdani FIS 变 换 为 Sugeno FIS。（ 9） parsrule功 能 ： 解 析 模 糊 规 则 。（ 10） plotfis功 能 ： 作 图 显 示 模 糊 推 理 系 统 输 入 /输 出 结 构 。（ 11） plotmf功 能 ： 绘 制 隶 属 度 函 数 曲 线 。（ 12） rmmf功 能 ： 从 模 糊 推 理 系 统 中 删 除 隶 属 度 函 数 。10（ 13） rmvar功 能 ： 从 模 糊 系 统 中 删 除 对 象 。（ 14） setfis功 能 ： 设 置 模 糊 推 理 特 性 。（ 15） showfis功 能 ： 显 示 添 加 了 注 释 的 模 糊 推 理 系 统 。（ 16） showrule功 能 ： 显 示 模 糊 规 则 。（ 17） writefis功 能 ： 将 模 糊 规 则 保 存 到 磁 盘 中 。（ 18） addmf功 能 ： 向 模 糊 推 理 系 统 添 加 隶 属 度 函 数 。（ 19） defuzz功 能 ： 隶 属 度 函 数 的 去 模 糊 化 。去 模 糊 化 方 法 的 5 个 可 取 的 值 如 下 ： Centroid： 面 积 重 心 法 。 Bisector： 面 积 平 分 法 。 Mom： 平 均 最 大 隶 属 度 法 。 Som： 最 大 隶 属 度 取 最 小 法 。 Lom： 最 大 隶 属 度 取 最 大 法 。- 11 -（ 20） evalmf功 能 ： 通 用 隶 属 度 函 数 估 计 。（ 21） mf2mf功 能 ： 隶 属 度 函 数 间 的 参 数 转 换 。（ 22） newfis功 能 ： 建 立 新 的 模 糊 推 理 系 统 。2.5 论 域 、 量 化 因 子 、 比 例 因 子 的 选 择2.5.1 论 域 及 基 本 论 域模 糊 控 制 器 把 输 入 变 量 误 差 、 误 差 变 化 的 实 际 范 围 称 为 这 些 变 量 的 基 本 论 域 。显 然 基 本 论 域 内 的 量 为 精 确 量 。被 控 对 象 实 际 要 求 的 控 制 量 的 变 化 范 围 ， 称 为 模 糊 控 制 器 输 出 变 量 (控 制 量 )的基 本 论 域 ， 控 制 量 的 基 本 论 域 内 的 量 也 是 精 确 量 。若 设 误 差 变 量 所 取 的 模 糊 子 集 的 论 域 为 ：-n， -n+1， ， 0， ， n-1， n误 差 变 化 变 量 所 取 的 模 糊 子 集 的 论 域 为 ：-m， -m+1， ， 0， ， m-1， m控 制 量 所 取 的 模 糊 子 集 的 论 域 为 ：-x， -x+1， ， 0， ， x-1,x有 关 论 域 的 选 择 问 题 ， 一 般 选 误 差 的 论 域 ， 选 误 差 变 化 的 论 域 ， 选6n6m控 制 量 的 论 域 。612值 得 指 出 的 是 ， 从 道 理 上 讲 ， 增 加 论 域 中 的 元 素 个 数 ， 即 把 等 级 细 分 ， 可 提 高控 制 精 度 ， 但 这 受 到 计 算 机 字 长 的 限 制 ， 另 外 也 要 增 大 计 算 量 。 因 此 ， 把 等 级 分 得过 细 ， 对 模 糊 控 制 显 得 必 要 性 不 大 。 关 于 基 本 论 域 的 选 择 ， 由 于 事 先 对 被 控 对 象 缺乏 经 验 知 识 ， 所 以 误 差 及 误 差 变 化 的 基 本 论 域 只 能 做 初 步 的 选 择 ， 待 系 统 调 整 时 再进 一 步 确 定 。 控 制 量 的 基 本 论 域 根 据 被 控 对 象 提 供 的 数 据 选 定 。 52.5.2 量 化 因 子 及 比 例 因 子 当 由 计 算 机 实 现 模 糊 控 制 算 法 进 行 模 糊 控 制 时 ， 每 次 采 样 得 到 的 被 控 制 量 需 经计 算 机 计 算 ， 才 能 得 到 模 糊 控 制 器 的 输 入 变 量 误 差 及 误 差 变 化 。 为 了 进 行 模 糊 化 处理 ， 必 须 将 输 入 变 量 从 基 本 论 域 转 换 到 相 应 的 模 糊 集 的 论 域 ， 这 中 间 需 将 输 入 变 量乘 以 相 应 的 因 子 ， 这 就 是 量 化 因 子 。 量 化 因 子 和 比 例 因 子 均 是 考 虑 两 个 论 域 变 换 而 引 出 的 ， 但 对 输 入 变 量 而 言 的 量化 因 子 确 实 具 有 量 化 效 应 ， 而 对 输 出 而 言 的 比 例 因 子 只 起 比 例 作 用 。设 计 一 个 模 糊 控 制 器 除 了 要 有 一 个 好 的 模 糊 控 制 规 则 外 ， 合 理 地 选 择 模 糊 控 制器 输 入 变 量 的 量 化 因 子 和 输 出 控 制 量 的 比 例 因 子 也 是 非 常 重 要 的 。 量 化 因 子 和 比 例因 子 的 大 小 及 其 不 同 量 化 因 子 之 间 大 小 的 相 对 关 系 ， 对 模 糊 控 制 器 的 控 制 性 能 影 响极 大 。合 理 地 确 定 量 化 因 子 和 比 例 因 子 要 考 虑 所 采 用 的 计 算 机 的 字 长 ， 还 要 考 虑 到 计算 机 的 输 入 输 出 接 口 中 D/A 和 A/D 转 换 的 精 度 及 其 变 化 的 范 围 。 因 此 ， 选 择 量 化 因子 和 比 例 因 子 要 充 分 考 虑 与 D/A 和 A/D 转 换 精 度 相 协 调 ， 使 得 接 口 板 的 转 换 精 度 充分 发 挥 ， 并 使 其 变 换 范 围 充 分 被 利 用 。- 13 -量 化 因 子 Ke 及 Kec 的 大 小 对 控 制 系 统 的 动 态 性 能 影 响 很 大 。 Ke 选 的 较 大 时 ， 系统 的 超 调 也 较 大 ， 过 渡 过 程 较 长 。 因 为 从 理 论 上 讲 Ke 增 大 ， 相 当 于 缩 小 了 误 差 的 基本 论 域 ， 增 大 了 误 差 变 量 的 控 制 作 用 ， 因 此 导 致 上 升 时 间 变 短 ， 但 由 于 出 现 超 调 ，使 得 系 统 的 过 渡 过 程 变 长 。 Kec 选 择 较 大 时 ， 超 调 量 减 小 ， 但 系 统 的 响 应 速 度 变 慢 。Kec 才 对 超 调 的 遏 制 作 用 十 分 明 显 。 量 化 因 子 Ke 和 Kec 的 大 小 意 味 着 对 输 入 变 量 误差 和 误 差 变 化 的 不 同 加 权 程 度 ， 二 者 之 间 相 互 影 响 。67此 外 ， 输 出 比 例 因 子 Ku 的 大 小 也 影 响 着 模 糊 控 制 系 统 的 特 点 。 Ku 选 择 过 小 会 使系 统 动 态 响 应 过 程 变 长 ， 而 Ku 选 择 过 大 会 导 致 系 统 振 荡 。输 出 比 例 因 子 Ku 作 为 模 糊 控 制 器 的 总 的 增 益 ， 它 的 大 小 影 响 着 控 制 器 的 输 出 ，通 过 调 整 Ku 可 以 改 变 对 被 控 对 象 (过 程 )输 入 的 大 小 。8第 3 章 基 于 MATLAB 的 模 糊 控 制 器 的 设 计 内 容3.1 模 糊 控 制 器 概 述模 糊 逻 辑 控 制 器 (Fuzzy Logic Controller)， 简 称 为 模 糊 控 制 器 (Fuzzy Controller)。 因 为 模 糊 控 制 器 的 控 制 规 则 是 基 于 模 糊 条 件 语 句 描 述 的 语 言 控 制 规 则 ，所 以 模 糊 控 制 器 又 称 为 模 糊 语 言 控 制 器 。14模 糊 控 制 器 包 含 模 糊 接 口 、 规 则 库 、 模 糊 推 理 、 清 晰 化 接 口 等 部 分 。 输 入 变 量是 过 程 实 测 变 量 与 系 统 设 定 值 之 差 值 。 输 出 变 量 是 系 统 的 实 时 控 制 修 正 变 量 。 一 维模 糊 控 制 器 的 输 入 量 是 系 统 的 偏 差 量 e， 它 是 确 定 数 值 的 清 晰 量 。 通 过 模 糊 化 处 理 ，用 模 糊 语 言 E 来 描 述 偏 差 。 模 糊 推 理 输 出 U 是 模 糊 量 ， 在 系 统 中 要 实 施 控 制 时 ， 模糊 量 U 还 要 转 化 为 清 晰 值 ， 因 此 要 进 行 清 晰 化 处 理 ， 得 到 可 操 作 的 确 定 值 u， 这 就 是模 糊 控 制 器 的 输 出 值 ， 通 过 u 的 调 整 控 制 作 用 ， 使 偏 差 e 尽 量 小 。9二 维 模 糊 控 制 器 是 目 前 广 为 采 用 的 一 类 模 糊 控 制 器 。 它 的 输 入 量 是 偏 差 e 和 偏差 变 化 率 ec， 以 控 制 量 的 变 化 值 u 作 为 输 出 量 ， 它 比 一 维 控 制 器 有 较 好 的 控 制 效 果 ，且 易 于 计 算 机 的 实 现 。103.2 模 糊 控 制 器 设 计 所 包 括 的 内 容(1) 确 定 模 糊 控 制 器 的 输 人 变 量 和 输 出 变 量 (即 控 制 量 )；(2) 设 计 模 糊 控 制 器 的 控 制 规 则 ；(3) 确 立 模 糊 化 和 非 模 糊 化 (又 称 清 晰 化 )的 方 法 ；(4) 选 择 模 糊 控 制 器 的 输 入 变 量 及 输 出 变 量 的 论 域 并 确 定 模 糊 控 制 器 的 参 数 (如量 化 因 子 、 比 例 因 子 )；(5) 模 糊 控 制 器 的 软 硬 件 实 现 ；(6) 合 理 选 择 模 糊 控 制 算 法 的 采 样 时 间 。3.3 模 糊 控 制 器 的 结 构 设 计模 糊 控 制 器 的 结 构 设 计 是 指 确 定 模 糊 控 制 器 的 输 入 变 量 和 输 出 变 量 ， 究 竟 选 择哪 些 变 量 作 为 模 糊 控 制 器 的 信 息 量 ， 还 必 须 深 入 研 究 在 手 动 控 制 过 程 中 ， 人 如 何 获- 15 -取 、 输 出 信 息 ， 因 为 模 糊 控 制 器 的 控 制 规 则 归 根 到 底 还 是 要 模 拟 人 脑 的 思 维 决 策 方式 。在 手 动 过 程 中 ， 人 所 能 获 得 的 信 息 量 基 本 上 为 三 个 ： 误 差 、 误 差 的 变 化 、 误 差变 化 的 变 化 ， 即 误 差 变 化 的 速 率 。 一 般 来 说 ， 人 对 误 差 最 敏 感 ， 其 次 是 误 差 的 变 化 ，再 次 是 误 差 变 化 的 速 率 。 从 理 论 上 讲 ， 模 糊 控 制 器 的 维 数 越 高 ， 控 制 越 精 细 。 但 维数 过 高 ， 模 糊 控 制 规 则 变 得 过 于 复 杂 ， 控 制 算 法 的 实 现 相 当 困 难 。 这 或 许 是 目 前 人们 广 泛 设 计 和 应 用 二 维 模 糊 控 制 器 的 原 因 所 在 ， 因 此 ， 本 论 文 也 采 用 二 维 模 糊 控 制器 ， 即 以 误 差 、 误 差 的 变 化 率 作 为 输 入 。13.4 模 糊 控 制 器 规 则 的 设 计控 制 规 则 的 设 计 是 设 计 模 糊 控 制 器 的 关 键 ， 一 般 包 括 三 部 分 设 计 内 容 ： 选 择 描述 输 入 、 输 出 变 量 的 词 集 ， 定 义 各 模 糊 变 量 的 模 糊 子 集 及 建 立 模 糊 控 制 器 的 控 制 规则 。（ 1） 选 择 描 述 输 入 和 输 出 变 量 的 词 集 。 模 糊 控 制 器 的 控 制 规 则 表 现 为 一 组 模 糊条 件 语 句 ， 在 条 件 语 句 中 描 述 输 入 输 出 变 量 状 态 的 一 些 词 汇 (如 “正 大 ”、 “负 小 ”等 )的 集 合 ， 称 为 这 些 变 量 的 词 集 (亦 可 以 称 为 变 量 的 模 糊 状 态 )。选 择 较 多 的 词 汇 描 述 输 入 、 输 出 变 量 ， 可 以 使 制 定 控 制 规 则 方 便 ， 但 是 控 制 规则 相 应 变 得 复 杂 ； 选 择 词 汇 过 少 ， 使 得 描 述 变 量 变 得 粗 糙 ， 导 致 控 制 器 的 性 能 变 坏 。一 般 情 况 下 都 选 择 七 个 词 汇 ， 但 也 可 以 根 据 实 际 系 统 需 要 选 择 三 个 或 五 个 语 言 变 量 。16针 对 被 控 对 象 ， 改 善 模 糊 控 制 结 果 的 目 的 之 一 是 尽 量 减 小 稳 态 误 差 。 因 此 ， 对应 于 控 制 器 输 入 (误 差 、 误 差 的 变 化 率 )之 一 的 误 差 采 用 ：(负 大 ， 负 中 ， 负 小 ， 零 ， 正 小 ， 正 中 ， 正 大 )用 英 文 字 头 缩 写 为 ：NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB另 一 个 输 入 误 差 的 变 化 率 及 控 制 器 的 输 出 采 用 ：(负 大 ， 负 中 ， 负 小 ， 零 ， 正 小 ， 正 中 ， 正 大 )用 英 文 字 头 缩 写 为 ：NB， NM， NS， Z0， PS， PM， PB12（ 2） 定 义 各 模 糊 变 量 的 模 糊 子 集 。 定 义 一 个 模 糊 子 集 ， 实 际 上 就 是 要 确 定 模 糊子 集 隶 属 函 数 曲 线 的 形 状 。 将 确 定 的 隶 属 函 数 曲 线 离 散 化 ， 就 得 到 了 有 限 个 点 上 的隶 属 度 ， 便 构 成 了 一 个 相 应 的 模 糊 变 量 的 模 糊 子 集 。理 论 研 究 显 示 ， 在 众 多 隶 属 函 数 曲 线 中 ， 用 正 态 型 模 糊 变 量 来 描 述 人 进 行 控 制活 动 时 的 模 糊 概 念 是 适 宜 的 。 但 在 实 际 的 工 程 中 ， 机 器 对 于 正 态 型 分 布 的 模 糊 变 量的 运 算 是 相 当 复 杂 和 缓 慢 的 ， 而 三 角 型 分 布 的 模 糊 变 量 的 运 算 简 单 、 迅 速 。 因 此 ，控 制