（机械设计及理论专业论文）信息融合与模糊技术用于旋转变量系统的控制.pdf

摘要 摘要 工业过程中普遍存在多变量，j 线性，高阶绝对不稳定系统。这种系统的自动控制 成为一个热门问题。由于其精确模型不易确定，对控制算法提出更高的要求。 本论文运用模糊控制与信息融合技术相结合的算法，以综合误差和综合误差变化率 作为输入变量。采取将复杂控制转化为多级控制嵌套的策略，将多变量转化为少变量系 统。减少控制规则，简化模糊控制器的设计步骤。将该控制算法通过x z ii c 型旋转式 倒立摆实时控制的考核。在这方面前人的工作多限于移动变量或只包含一个旋转变量 。“，本课题考核对象是两个旋转变量相结合。结果表明，上述模糊控制算法可以 满足控制要求。 关键词：模糊控制：信息融合：旋转倒立摆 垒! ! ! 丝 a b s t r a c t m u l t i - v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , a n dh i g h - o r d e ra b s o l u t e l yu n s t a b l es y s t e m sa r eg e n e r a l l ye n c o u n t e r e di n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s a u t o m a t i cc o n t r o lo fs u c hs y s t e m si s at o p i cr e a d e ri n t e n s i v es t u d y o w i n gt o d i f f i c u l t i e si np r e c i s em o d e l i n g , s o p h i s t i c a t e dc o n t r o la l g o r i t h m sa r ci m p e r a t i v e a na l g o r i t h mc o m b i n i n gt h ef u z z yc o n t r o lw i t hi n f o r m a t i o n m e r g i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e di nt h i s w o r k t h es y n t h e s i z e de r r o r sa n dt h e i rv a r i a t i o nr a t e sa r et a k e na si n p u t e m p l o y i n gt h es t r a t e g yo f t r a n s f e r r i n gt h ec o m p l i c a t e dc o n t r o ls y s t e mi n t oam u l t i l e v e le m b e d d e ds y s t e m ，t h en u m b e ro fs y s t e m v a r i a b l e si sd e c r e a s e d t h en u m b e ro f c o n t r o l l i n gr o l e si sr e d u c e da n dd e s i g np r o c e d u r ef o rf u z z yc o n t r o l i s s i m p l i f i e d t h ep r o p o s e da l g o d f l l m i sa s s e s s e di n r e a l t i m ec o n t r o lo ft h ex z i i cr o t a t i o n a l i n v e r t e d p e n d u l u m t h ep r e d e c e s s o r s w o r k si n t h i sf i e l d a r ec o n f i n e dt ov a r i a b l e so ft r a n s l a t i o n so l - t r a n s i t i o na n dr o t a t i o n i nt h i sw o r k , i n t e r c o n n e c t e dt w or o t a t i o n a lv a r i a b l e sa r ec o n s i d e r e d t h e e f f e c t i v e n e s so f t h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e d k e yw o r d s ：f u z z yo o n t r oi ：in f o r m a t io r lm e r g e ：r o t a tio n aiin v e r t e d p e n d uiu m 关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题目：盏直：越金鱼壁生垣垫盛宴i 重量筮盥垒! 垫煎! 室钊 本学位论文作者完全了解大连轻工业学院有关保留、使用学位论 文的规定，大连轻工业学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 是否保密( 名) ，保密期至 年月日为止。 学生签名：盔型鬯导师签名：趁 3 巧年争月日 第一章绪论 1 1 研究课题的背景 1 1 1 模糊控制概况 第一章绪论 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模 糊技术与自动控制技术相结合的产物。虽然关于模糊控制至今还没有统一的定义，但从 广义上讲可给它定义为：“模糊控制指的是应用模糊集合理论，统筹地考虑控制的一种 控制方式”。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来实现系统控制。模糊控制语言是一种表述人类思维活动 以及复杂事物极其有效的手段，因此，对于那些利用传统控制方法难以实现或奏效的控 制问题，采用模糊控制技术往往可使问题迎刃而解。与传统的控制技术相比较，模糊控 制具有如下的特点： ( 1 ) 在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型。模糊控制是利用直接对被控 过程参数现状及其发展趋势观测和判断所产生的定性感觉来构成控制算法。因此，模糊 控制器的基本出发点便是对现场操作人员或有关专家的经验、知识以及操作数据加以总 结和归纳，形成一定的规则参与控制过程。 ( 2 ) 适应性较强。研究结果表明，对于确定的被控对象，模糊控制与传统p i d 控 制的控制效果相当；但对于非线性和时变性等一类不确定系统，模糊控制却有较好的控制 效果，同时对于非线性、噪声和纯滞后均有较强的抑制能力。 ( 3 ) 系统的鲁棒性较强，对参数变化不灵敏。由于模糊控制采用的不是二值逻辑， 而是一种连续多值逻辑，所以当系统参数变化时，能较容易地实现稳定控制。 ( 4 ) 系统的规则和参数整定方便。只要对现场的工业过程进行定性的分析，就能 较好地建立语言变量的控制规则和系统的控制参数，而且参数据的适用范围较广。 ( 5 ) 结构简单，系统的软、硬件实现都比较方便。 山于电子信息技术的快速发展，计算机的更新换代越来越快，推动了模糊控制理论 的快速发展。模糊控制提供了解决复杂问题的有效手段，尤其对实际生产过程中些过 于复杂的控制对象，当传统的控制方案不能满足性能要求的时候，模糊控制往往显现出 第一章绪论 强大的活力，具有非常广泛的应用领域，例如医学“、航空航天。3 、机器人“3 、家电及 f 业产品、机电设备“1 、交通工具“1 、仪器仪表”1 、核反应堆控制”1 等等。模糊控制从理 论到应用都得到了发展9 3 。 采用模糊控制来解决复杂多变量系统的控制问题是囤内外的研究热点，目前卜处于 起步阶段，并且已取得一定的研究成果”1 。 112 倒立摆系统 倒立摆系统是研究现代控制和先进控制的最为合适的控制系统之一。作为被控对 象，是典型的快速响应、多变量、非线性、开环不稳定的系统，必须施加一定的控制手 段才能使之稳定。作为一种实验装置，倒立摆具有直观、形象、简单的特点，而且，其 外观形状和机械参数都易于改变，具有多样性。因此，关于倒立摆的研究已经成为自动 控制领域中的一个经典而具有挑战性的问题，许多新的实时控制理论与技术，都通过倒 立摆控制试验来加以验证。许多的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系 统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观的表现出来。 从工程背景来讲，日常生活中所见到的各种重心在上、支点在f 的物体的稳定问题， 机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均 涉及到倒置问题，与倒立摆的控制有很大的相似性。因此，对倒立摆系统的研究在理论 上和控制方法上均有着深远意义。近年来，国内外不少专家学者对一级、二级及二级倒 立摆进行了大量的研究。人们试图寻找不同的控制方法实现对倒立摆的控制，以便验证 该方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力。从外观结构上看，常见的倒立摆装 置有直线式和旋转式两种。 直线式倒立摆的摆杆安装在与电机传动带相连的小车上，由电机带动小车在一定长 度的轨道上做水平直线运动来控制摆杆的倒立；旋转式倒立摆则将摆杆安装在与电机转 轴相连的旋臂上，通过电机带动旋臂的转动来控制摆杆的倒立。无论直线式还是旋转式 倒立摆，摆杆都是在同一个铅垂平面内转动的。 通常，以摆杆的数目来标定倒立摆的级数，目前已经有人对小车式的三级倒立摆进 行研究，也就是有三根摆杆，在一根摆杆的顶端通过转轴与另一跟摆杆的顶端连接，然 后再往上连接一根，这样的三级倒立摆建立数学模型非常复杂，控制难度很大。 与同级数的直线式倒立摆相比，旋转式倒立摆的结构比较简单，但数学模型更复杂。 在直线式倒立摆中，作为控制执行机构的小车只有水平方向的直线运动，模型的非线性 第一章绪论 因素比较少，有利于倒立摆的控制；而在旋转式倒立摆中，作为控制执行机构的旋臂绕 轴转动，同时具有水平和垂直两个方向的运动，模型中非线性因素比较多，对倒立摆的 控制算法提出了更高的要求。 对于倒立摆的研究已经经历了一个很长的历程，对于小车驱动式倒立摆的研究的比 较深入，提出了多种不同的控制算法，并成功地控制了小车式倒立摆。但是，小车式倒 立摆需要有比较长的导轨提供给小车来回运动，占空间大，并且在实验过程中装置容易 损坏。整个装置有很多传动机构，比如电机转轴上的传送带，实践中常由于传动机构的 一些故障或误差而不是控制方法本身的闯题导致失败，因此不利于实验和研究。而旋转 式倒立摆具有结构简单而模型复杂等特点，是研究控制算法的理想对象之一。 倒立摆难于控制的主要原因如下： 1 系统线性度差，仅能在极小的范围内线性化，具有高度敏感性，线性控制的应用 范围太有限。 2 旋臂的运动范围有限，限制了控制量的大小，从而加大了控制的难度。 3 对实际系统而言，其检测装置的灵敏废，线性度，零点漂移等等诸多额外因素， 使系统性能降低，加大控制难度。 1 2 模糊控制理论的发展前景 模糊控制理论开辟了自动控制领域的新篇章，不论在理论方面，还是在实际的工q k 过程控制中，都逐渐显现出其自身的活力。模糊控制的思想更接近于人的控制思维方式， 由此使得那些传统控制方法无能为力的控制对象，在缺泛精确数学模型的情况r ，反而 能够取得良好的控制效果。鉴于其所具有的独特优点，国外专家预言：模糊控制技术可使 计算机模拟人的直觉，并根据不确定信息作出决定，这将是下一代工业自动化的基础。 模糊控制理论成为模糊控制技术日前所面临的主要任务和研究方向。首先，应加强模糊 控制理论的研究存在以上问题，解决这些闯题就，使其具有坚实的系统理论内容；解决模 糊控制的枫理、模糊控制规则的实现、动态性和稳定性分析以及可遵循的设计准则等一 系列亟待解决的问题，从而促进模糊控制理论的发展。其次，将模糊控制同神经网络、 专家系统等人工智能相互结合、渗透，构造出具有更高智能性的控制系统，使其能在非 线性、复杂和随机性大的系统中得到应用，并获得良好的控制效果。最后，要充分发挥 模糊控制独特的优点，在此基础上把己取得的研究成果尽可能地应用到实际的控制过程 中，同时研制和开发简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置以 第一章绪论 及通用的模糊控制系统，由此加快理论向生产力的转化进程。 综上所述，模糊控制理论是一门发展迅速、应用前景广阔的新技术。随着模糊控制 理论的不断深入以及系统的不断规范化，模糊控制技术必将在广度和深度卜进一步得剑 发展，并对未来的控制策略产生重大影响。同时，模糊控制理论应用的灵活性与简便性 以及其特有的处理模糊信息的功能，将在人工智能和新代计算机的研制中发挥巨大的 作用。 1 3 本文的主要研究内容及方法 本课题以科大创新股份有限公司自动化分公司开发的x z i i c 型旋转式倒立摆系统 作为研究对象详细的分析了该倒立摆系统的模型和现代控制理论的设计方法一闭环极 点配置法，研究了二次型最优控制与模糊控制方法相结合对旋转式倒立摆系统的控制。 首先通过仿真实验，获得控制器的各类参数，取得相对较好值，最后对实际的旋转式倒 立摆系统进行实时控制。 拟采用模糊控制技术与信息融合的方法，综合考虑各种对旋转式倒立摆控制有影响 的信息；采用定性与定量相结合的方法；采用创新与继承相结合的方法；采用计算机仿 真技术与实际系统控制相结合的方法。 第二章旋转式倒立摆系统概述 2 1 总述 第二章旋转式倒立摆系统概述 本文研究的x z i i c 型旋转式倒立摆系统，采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 控制 器为核心器件，d s p 控制器具有强大的数据处理能力和丰富的片内专用模块。系统能够 独立执行实时控制算法，也可通过r s 一2 3 2 c 串行总线与微机通讯，进行在线控制算法的 调试和监控。通过设计的电源与驱动电路模块，以脉冲调宽方式( p w m ) 驱动直流力矩电 机，使倒立摆正常工作。它的d s p 部分、电源以及电机驱动部分全部安装在机箱内，运 动部分安装在机箱上，燕体结构紧凑合理，是具有独立控制能力和标准通讯接口的专用 智能实验设备。 倒立摆的旋臂和摆杆的顶端分别与电位器相连，用来测量旋臂和摆杆的偏转角度的 信号，这些信号经过数据采集卡a d 转换后，被送入微机。微机根据拟定的控制律估计 出必要的状态和计算出所需的数字控制信号u ，经过d a 转换及功率放大器放大后驱动 直流力矩电机，使旋转式倒立摆在不稳定的平衡点处保持平衡。由于旋转式倒立摆足高 度非线性系统，因此对角位移的测量精度以及a d ，d a 精度和转化速度要求比较高。 2 2 旋转式倒立摆系统的总体结构 x z i i c 旋转式倒立摆系统的总体结构如图2 1 所示，其底版示意图如图2 2 所示， 倒立摆主体包括旋臂，摆杆，电位器，直流力矩电机等。机箱内置d s p 控制器，电源与 驱动电路，变压器等。机箱外部有电源开关，电源插口以及通讯接口。支架的内部有电 线，使电位器的信号送到底板的控制器，并将反馈回来的控制信号送给电机。倒立摆系 统可以独立运行，也可以通过d s p 控制板上引出的通讯接口，由r s 一2 3 2 6 串行总线，使 倒立摆与计算机相连，进行联机控制。 第二章旋转式倒立摆系统概述 图2 - 1 系统总体结构 f i g 2 1t h ec o l l e c t i v i t ys t r u c t u r eo ft h es y s t e m 倒立摆装置的旋臂固定在真流力矩电机的转轴上，电机后面是电位器，它们由同一 个转轴相连，旋臂绕轴转动时，电位器输出相应的电压信号，以此可度量旋臂相对于铅 垂线的偏转角度。旋臂和摆杆通过电位器的转轴相连，摆杆绕轴转动时，电位器输出相 应的电压信号，这对应的是摆杆与旋臂之间的夹角，可转化为摆杆相对于铅垂线的偏转 角度。 图2 - 2 系统底板示意图 f i g 2 - 2t h es y s t e ms o l e p t a t es k e t c hm a p 第二章旋转式倒市摆系统概述 2 3 旋转式倒立摆系统的工作原理 旋转式倒立摆系统的工作原理如图2 3 所示，旋臂由转轴处的直流力矩电机驱动， 可绕转轴在垂直于电机转轴的铅直平面内转动。旋臂和摆杆之间由电位器的活动转轴相 连，摆杆可绕转轴在垂直于转轴的铅直平面内转动。由电位器测量得到的2 个角位移信 号( 旋臂与铅直线的夹角，摆杆和旋臂之间的相对角度) ，作为系统的2 个输出量被送入 d s 控制器。由角位移信号的差分可得到角速度信号，然后根据一定的状态反馈控制算 法，计算出控制律，并转化为电压信号提供给驱动电路，以驱动直流力矩电机的运动， 通过电机带动旋臂的转动来控制摆杆的运动。 图2 3 工作原理图 f i g 2 - 3t h ew o r kp r i n c i p l e d s p 控制器是核心控制器件，它完成数据传送、a d ，d a 转换，运算，数据处理等 功能。系统的执行机构是直流力矩电机，由专门的驱动电路驱动，控制倒立摆的运动。 倒立摆的控制目标就是使倒立摆在不稳定的平衡点附近的运动成为一个稳定的运动，控 制旋臂和摆杆的2 个角位移信号在各自的零点位置附近变化。整个过程是一个动态平衡， 在实际控制控中，表现为在平衡位置附近的来回振荡。由于一级旋转式倒立摆系统足一 个速度比较快的系统，且线性度很有限，要求的采样时间比较小( t o m s 左右) ，以削连续 系统的设计方法来设计数字控制器是可行且有效的，丽无需用离散系统的方法束设计控 制器。 由于系统是可控的，设计状态反馈或者模糊控制器，可以使系统达到稳定。而在实 际控制中，需要设置4 个状态变量：悬臂角、摆杆角、悬臂角变化率和摆杆角变化率， 而系统可测的状态只有2 个，即旋臂的角度和摆杆的角度，故按照常规的原则，必须对 未知的状态进行重构，即设计状态观测器。状态观测器的方法往往由于估计误差较大而 难以保证良好的控制效果，因此在对倒立摆系统的控制中采用角度差分的方法构造角速 第一二章旋转式倒立摆系统概述 度，使另外2 个状态变量可求得。 2 4 旋转式倒立摆系统的机械结构 倒立摆的机械结构如图2 - 4 所示系，其中各部分为：1 旋臂，2 摆杆，3 电位 器，4 直流力矩电机，5 支架，6 机箱，7 电源开关，主要包括作为被控对象的摆 杆，作为控制执行机构的直流力矩电机( 包括旋臂) ，以及作为测量反馈元件的角位移 电位器。 旋臂与摆杆采用全新的铝合金材料设计，重量较小，同时采用尽可能规则的形状， 这样有利于选用e b 较精巧的直流力矩电机作为执行机构，模型参数也容易测量。其中， 主要器件的尺寸和型号如下： 机箱尺寸：3 6 0 f i nx2 4 0l l f f nx9 0 r a m ， 旋臂尺寸： om 1 5 m mx2 0 0 m m ， 摆杆尺寸：中1 5 m m x2 5 0 r a m ， 支架高度：4 0 0 m m 旋臂质量( 包括电位器) ：2 0 0 9 ：摆杆质量：5 0 9 测量电位器：w d d 3 5 d 导电塑料电位器， 阻值：1 kq ， 直流力矩电机：7 0 l y 5 3 永磁直流力矩电机， 堵转电压：u f = 2 7 v ， 满额电流：i f = 2 2 6 a ， 堵转力矩：m f o 6 2 7 n m ， 最大空载转速：n o m a x = 9 0 0 r m i n 。 第二章旋转式倒立拦系统概述 2 5 电平转换器 侧面图正面圈 图2 - 4 系统机械结构图 f i g 2 - 4t h ec o l l e c t i v i t ys t r u c t u r eo ft h es y s t e m 该电平转换器是把外界输入的模拟信号和系统能接收的信号进行转换，即把外界的 模拟信号( 当反馈比例为l 时为一5 v 一+ 5 v ，如为其它则相应地增大或缩小) 转换成0 - - + 5 v 的转矩信号和方向信号( d i r ) ；同时把d s p 输出的o 一+ 5 v 的信号转换成一5 v 一+ 5 v 的模 拟信号。也就是说，电机的转动对输入电压的符号无法识别，故需把输入电压的符号转 换成系统能识别的逻辑信号，通过逻辑值来控制电机转动的方向，同时把电位器的反馈 信号转换成有符号的电压值输出。如图2 5 所示。电压 带符号 慎拟电压 一衰示电压符号酌 逻辑信号 0 + 5 v 电压 图2 - 5 电平转换器示意图 f i g 2 - 5v o l t a g es w i t c h o v e rs k e t c hm a p 第二章旋转式倒立摆系统概述 其转换特性如图2 - 6 所示 蛔u t k刁 ， 、 0 b i 垣v ) 0 b 1 、0 毗( 十5刁、 0 钙矗v ， 5 图2 6 电平转换器的特性 f i g 2 - 6t h es p e c i a li t yo fv o l t a g es w i t c h o v e r 电平转换器有两个端口，一端弓f 出三根线头，其中分别是：地线( g n d ) 、控制线、反馈 线，具体见引线上的标识。另一端是一个七芯插头，用于其他。 电源和两个测量信号v i ，v 2 以四针插座形式直接与d s p 电路板相连接，电源从d s p 电路板引向电位器，电位器r i ，r 2 分别与电机( 旋臀) 和摆杆的转轴连接。因此，只要 测出v 1 ，v 2 两端对地电压，就可以转换成两个转轴转动的角度，也就是要控制的两个角位移。 测量电位器是根据d s p 芯片的a d c 精度来选定的。在实际使用过程中，由于测量电 位器的电压上有高频干扰，因此，在电位器两端并联一个0 1 心的电容，对电压上的高 频干扰起到滤波作用。电位器的接线方式如图2 7 所示： 图2 7 测量电位器的接线方式 f i g 2 - 7 c o n n e c t i o nm o d e l o fm e a s u r e i n gt h er h e o s t a t 第二章旋转式倒立摧系统概述 由图2 7 可看出，电位器有3 个接线头，分别接电源v c c ，地g n d ，测量信号vl ( v 2 ) 。 直流力矩电机的特性如图2 - 8 表示。其中图( 】) 是电机的转速与电机电流的关系， 图( 2 ) 是电机转速与电机产生的力矩的关系。 l 电流。 a 重r 力矩 0 ( i ) 电流一转速关系曲线( 2 ) 转速一力矩关系曲缝 n 图2 8 商流力矩电机特性 f i g 2 - 8t h es p e c i a l i t yo fd i r e c tc u r r e n td y n a m o 2 6d s p 控制器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结 构的微处理器。d s p 芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器， 广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算 法。 d s p 芯片具有强大的数据处理能力和丰富的片内专用模块，其主要的性能指标如下： 1 ) 高速静态c m o s 工艺，1 6 位定点数字信号处理器，5 0 n s 指令周期。 2 ) 2 2 4 k 1 6 位字的寻址能力( 程序、局部数据、i o 各6 4 k ，全局数据3 2 k ) ，5 4 4 字1 6 位片内数据程序双口( d u a l a c c e s s ) r a m ，1 6 k 字1 6 位片内闪速存储器 ( f l a s h ) 。 3 ) 双1 0 位a d c 单元，各有8 路输入，能够在l o ps 内同时实现两路转换。 4 ) 1 2 路比较脉冲调宽( p w m ) 输出，直接针对电机控制系统设计。 第二章旋转式倒立摆系统概述 5 ) 串行通讯接口：支持r s 一2 3 2 标准的串行通讯。 6 ) 具有可编程中断系统、事件管理模块、看门狗电路、锁相环时钟及基于扫描的仿 真接口。 f 2 4 0 系列芯片包含有1 6 k 字的闪速存储器( f l a s he e p r o m ) 。它的外围设备包括事件 管理模块和双路l o 位模拟一数字转换器( a d c ) 事件管理模块提供通用寄存器和比较寄 存器以产生高达1 2 路的p w m ( p u s e - w i d t hm o d u l a t i o n ) 输出，a d c 可以在i o p 、之内实 现两路转换。它的运算速度是2 0 m i p $ ( 每秒百万条指令) ，这样允许执行多任务或者复 杂的控制，如无传感器的电机实时( 卡尔曼滤波，观察器等) 驱动。可以将控制环延迟或 者控制周期减少到最小，从而改进系统的动态性能。 将t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制器和晶振、复位电路、片外s r a m ( 静态存储器) 、等基本的 外围电路集成到一块双面电路板上，构成d s p 控制板。它的组成还包括电源控制接线 座，用于d s p 芯片与电源驱动板的连接；以及电位器接线座，用于和测量电位器连接：此 外还有m a x 2 3 2 电平转换芯片和串行通讯接口插座，用于与微机进行通讯。 2 7 通讯接口部分 在通讯接口上，采用了通用而规范的r s 一2 3 2 串行总线，这也是一般的智能仪器中 经常使用的接口方式，通过它可以便捷地与微机进行通讯。选用这种接口的原因除了规 范和方便之外，主要是在实现上比较容易，t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制器自身具备串行通讯接 口模块，只需要增加电平转换电路就可以与p c 进行通讯，而且，r s 一2 3 2 总线只需要三 根线就可以实现全双工串行异步通讯，这是其最大的优点之一。 d s p 芯片虽然自身具有串行通讯接口功能，但是，其电平为c m o s 电平，与r s 一2 3 2 总线电平不匹配，不能真接与p c 串口连接。为了解决这个问题，采用t i 公司生，m 的 m a x 2 3 2 专用电平转换芯片( 图3 7 ) ，该芯片具有双路驱动l 接收器，内部包括电容型的 电压生成器，可以将单5 v 电源转换成符合e i a t i a - 2 3 2 一e 的电压等级，其中，接收器 将e i a t i a 一2 3 2 一e 标准的输入电平转换成5 vt t l c m o s 电平，典型临界值是1 3 v ，典型 磁滞是0 5 v ，可以接收1 3 0 v 的输入信号、驱动器( 发送器) 则将t t l i c m o s 输入电平转换 成e i a t i a 一2 3 2 一e 电平，整个芯片功耗也很低。m a x 2 3 2 的典型应用电路如图2 - 9 所示。 第二章旋转式倒立摆系统概述 一 i 一 _ 稍口 图2 - 9m a x 2 3 2 典型应用电路 f i g 2 - 9m a x 2 3 2t y p i c a lo p e r a t i n gc i r c u i t 直接将该电路做在d s p 控制板上，通过这个电平转换电路，d s p 系统就可直接与p c 串口 进行连接了。 舻 一 蝴 蝴州州 第二章模糊控制的基本原理 第三章模糊控制的基本原理 模糊控制的关键是模糊控制器的设计。所谓模糊控制器就是将人们在控制过程中的 经验总结成控制规划，一般用语言形式来表现，根据蕴涵的逻辑运算可确定输入论域和 输出论域上的模糊关系，再由输入和模糊关系的合成就得到输出，一般来说输出是一个 模糊集，它包含了控制量的各种信息。这就需要模糊判决，以选取一个控制量施加到对 象上，这样就完成了一个控制动作，如此循环往复，使控制达到预期的要求，这就足模 糊控制的基本原理，如图3 - 1 所示。 3 - 1 模糊控制的基本原理图 f i g 3 - l t h e f u z z yp o s t u l a t e 在采样时刻七，误差和误差的变化定义为 3 1 模糊控制器的组成 模糊化部件：这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量。检测输入变量。和 p 的值，进行标尺变换，将输入变量值变换到相应的论域；将输入数据转换成合适的 第三章模糊控制的基本原理 语占值，它可以看成是模糊集合的一种标识。 知识库：包含应用领域的知识和控制目标，它由数据库和模糊控制规则库组成。数 据库辛要包括语占变量的隶属度函数，尺度变换因子以及模糊空削的分级数等。规则库 由模糊语言变量表示的一系列控制规则，它表征了控制专家的经验和知识。 决策逻辑( 模糊推理) ：模糊控制系统的核心。它基于模糊概念，并用模糊逻辑中 模糊隐含和推理规则获得模糊控制作用，模拟人的决策过程。 去模糊化部件：去模糊化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际 用于控制的清晰量。进行标度映射，将输出变量值的范围转换成相应的论域；去模糊化， 并从推理规则获得精确的控制作用。 2 模糊条件句与模糊控制规则 模糊控制中，模糊系统的动态行为是按专家知识，以一组语言规则描述： i f ( 一组条件满足) t h e n ( 一组结果可以成立) 。条模糊控制规则即是一个模糊条件语句。其前件是应用领域的个条件，而后件 是受控系统的一个控制行为。模糊控制规则在前件与结论中可以有几个语言变量。多输 入多输出( m i m o ) 转化为多输入单输出( m i s o ) 。般规则表示如下 r 1 ：i fx 是a la n d y 是b l 则z 是c l 如：i fx 是a 2 a n d y 是b 2 则：是c 2 l r n ：i fz 是a n a n d 2 , , 是b n 则z 是c n 其中工，y 和z 均为语言变量，x 和y 为输入量，z 为控制量。a 。，b 和c ，( i ：1 ，2 ， n ) 分别是语言变量x ，y 和牙在其论域x ，y ，z 上的语言变量值，所有规则组合在一起 构成了规则库。 对于其中的一条规则 r ，：i fx 是a ，a n d y 是b ，则z 是c ， 其模糊蕴含关系定义为 p r = 以 删d 岛- c ) ( x ，弘z ) = 【月( x ) a n d 日( y ) 】+ c 。( z ) 第三章模糊控制的基本原理 其中“a ，a n d b ，”是定义在x y 上的模糊集合a ，b ，r i a ，a n d b ，) 一c 足定义在x y z 上的模糊蕴含关系。 3 3 模糊控制器结构的分类 3 3 1 单变量模糊控制器 ( 1 ) 一维模糊控制器如图3 2 所示，一维f l c 的输入一般为被控变量与设定值之 差e 。因为仅采用误差e 作为输入，因此一维f l c 控制效果不理想，难以得到好的动态 品质，只用于对象简单( 如一阶) 或控制品质要求不高的情况。 ( 2 ) 二维模糊控制器如图3 - 3 所示，二维f l c 的输入一般为误差e 和误差的变化 率e c ，这是最典型最基本模糊控制器，应用也最广泛，因此f l c 一般通常采用这种结 构。 图3 - 2 一维模糊控制器 f i g 3 - 2o n ed i m e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e r 图3 - 3 二二维模糊控制器 f i g 3 - 3t w od i m e n s i o n sf u z z yc o n t r o ll e r ( 3 ) 三维模糊控制器如图3 4 和3 5 所示，三维f l c 的输入可以是e ，e c 和e 的 积分e i ，也可以是e ，c c 和e c , 的变化率e c c 。三维f l c 应陵能获得更好的控制特性，但 其设计却更为复杂，尤其是模糊控制规则的总结就更为困难。因为人对具体被控对象进 行控制的逻辑思维通常不超过三维，三维输入规则的建立是较为复杂和困难的，实用中 包含e i 或e c c 的人工操作经验也比较少。 第三章模糊控制的基本原理 图3 - 4 三维模糊控制器 f i g 3 - 4t h r e ed i m e n s i o n sf u z z yc o n t r o l l e t 3 ，3 2 多变量模糊控制器 图3 - 5 三维模糊控制器 f i g 3 - 5t h r e ed i m e n s i o n sf u z z yc o n t r o l l e r 如图3 6 所示，每个输入变量可以引出各自的误差、误差变化率甚至误差的积分等 等。输出变量可以是一个或多个。模糊控制规则的推理语句维数很高，很难直接建立 这种系统的控制规则。 x l 砭 k “1 2 2 图3 - 6 多变量模糊控制器 f i g 3 - 6f u z z yc o n t r o l l e l - o fv a r i a b l e s 第三章模糊控制的基本原理 3 4 模糊控制系统的设计 在模糊控制系统中，模糊控制器设计的主要参数应包括：模糊策略以及模糊算子 的解释。论域的离散化或( 和) 规范化；输入和输出空间的模糊分割；基本模糊集合 隶属函数的选择；过程状态变量( 输入) 和模糊控制变量( 输出) 的选择；模糊控制 规则的来源及其演绎；模糊控制规则的类型及其一致性、交互性和完整性。模糊隐含 的定义；连接语句符“和( a n d ) ”以及“又( a l s o ) ”的解释；复合算子的定义；推理 机制的确定。去模糊化的策略以及去模糊算子的解释。 3 4 1 模糊化的策略 模糊化在处理不确定信息中起重要作用。在实际的控制过程中，人们利用设备仪器 所采集到的输入、输出以及控制信号都是精确的模拟量：而模糊控制器所要处理的量却 足由隶属函数表示的模糊量。为了实现模糊控制器的模糊推理以及确定模糊控制规则， 就必须把精确量转换为由隶属函数表示的模糊量，使每一个输入值都对应一个模糊集 合。所以在设计开始阶段就需要模糊化。经验表明，在模糊控制系统的设计中，主要采 用以下两种模糊化方法。 3 4 1 1 单点模糊集合 如果输入数据翊是准确的，则通常将其模糊化为单点模糊集合。设该模糊集合用a 表示，则有 俐2 ：二i 其隶属度函数如图3 7 所示。 和z 图3 7 单点模糊集合的隶属度函数 f i g 3 - 7t h es u b j e c tf u n c t i o no fo n ed r o pf u z z yc o n c o u r s e 第三章横糊控制的基本原理 从“概念上”将一个确定值转化成一个模糊单点。即隶属函数为1 的模糊数。从本 质来看，模糊单点仍是一个精确的值。因此在这种情况下模糊化不引入模糊。在控制中， 当测量数据准确时，采用这样的模糊化方法是十分自然和合理的。 3 4 1 2 三角形模糊集合 如果输入量数据存在随机测量噪声，这时模糊化运算相当于将随机量变换为模糊 量。对于这种情况，可以取模糊量的隶属度函数为三角形，如图3 8 所示。三角形的顶 点相应于该随机数的均值，底边的长度等于2 a ，o 表示该随机数的标准差。隶属度函 数取为三角形主要是考虑其表示方便，计算简单。 3 4 2 数据库 0 知一o x o 和+ ox 图3 8 三角形模糊集合的隶属度函数 f i g 3 - 7t h es u b j e c tf u n c t i o no ft r i a n g l ef u z z yc o n c o u r s e 数据库中包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数，其中包括尺度变 换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。 3 4 2 1 输入量变换 对于实际的输入量，第一步先要进行尺度变换，将其变换到要求的论域范围。变换 的方法可以是线性的，也可以是非线性的。例如，若实际的输入量为x 。+ ，其变化范围 为i x m 。+ ，x m 。+ ，若要求的论域为i x m i n ，z m “ ，若采用线性变换，则 矿半小一半 第三章模糊控制的基本原理 其中k 称为比例因子 3 4 2 2 输入和输出空间的模糊分割 t ；每粤 矗一工m 对给定的过程和过程变量，在模糊化过程中必须首先考虑模糊变量的术语集( 域) ， 这就是等效地决定基本模糊集的数目。实际上，这要求设计者在灵活性( 高分辨率) 和 简单性( 低分辨率) 之间进行折衷。基本模糊集( 语苦术语) 通常有一定的意义，如 n s ：负小：n b ：负大；n m ：负中；z e ：零；p s ：讵小；p b ：币大；p m ：i f 中。典型 的例子为如图3 9 。其中图( a ) 表示粗分的模糊集：图( b ) 表示细分的模糊集。一般 模糊术语的数目约为2 l o 个。图中模糊函数是三角形的，也可以是梯形或钟形 一10 ( 6 ) 图3 - 9 模糊集 f 追。3 - 9f u z z yc o n c o u r s e + l 模糊分割的个数也决定了最大可能的模糊规则的个数。如对于两个输入单个输出的 模糊系统，x 和y 的模糊分割数分别为3 和7 。则最大可能的模糊规则数为3 7 = 2 1 。可 见，模糊分割数越多，控制规则数也越多，所以模糊分割不可太细，否则需要确定太多 的控制规则，这也是很困难的一件事。当然，模糊分割数太小将导致控制太粗略，难以 第三章模糊控制的基本原理 对控制性能进行精心的调整。目前尚没有一个确定模糊分割数的指导性的方法和步骤， 它仍主要依靠经验和试凑。 3 4 2 3 模糊集合的隶属度函数 根据论域为离散和连续的不同情况，隶属度函数的描述也有如下两种方法。 数值描述方法 对于论域为离散，且元素个数为有限时，模糊集合的隶属度函数可以用向量或者表 格的形式来表示。 函数描述方法。 对于论域为连续的情况，隶属度常常用函数的形式来描述，最常见的有钟形函数、 ( j 一如) 2 三角形函数、梯形函数等。下砸给出钟形隶属度函数的解析式胁( x ) = p ：一 隶属度函数的形状对模糊控制器的性能有很大影响。当隶属度函数比较窄瘦时，控 制较灵敏，反之，控制较粗略和平稳。通常当误差较小时，隶属度函数可取得较为窄瘦， 误差较大时，隶属度函数可取得宽胖些。 3 4 3 规则库 模糊控制规则库是由一系列“i f - - t h e n ”型的模糊条件旬所构成。条件句的前件 为输入和状态，后件为控制变量。 ( 1 ) 模糊控制规则的前件和后件变量的选择 模糊控制规则的前件和后件变量，即模糊控制器的输入和输出的语言变量。输出量 为控制量，它一般比较容易确定。输入最选什么以及选几个则需要根据要求来确定。常 见的是误差e 和它的导数e 等。输入和输出语言变量的选择以及它们隶属函数的确定对 于模糊控制器的性能有着十分关键的作用。它们的选择和确定主要依靠经验和工程知 识。 ( 2 ) 模糊控制规则的建立模糊控制规则是模糊控制的核心。因此如何建立模糊控 制规则也就成为一个十分关键的问题。下面将讨论4 种建立模糊控制规则的方法。 第三章模糊控制的基本原理 基于专家的经验和控制工程知识 模糊控制规则具有模糊条件句的形式，它建立了前件中的状态变量与后件中的控制 变量之间的联系。我们在日常生活中用于决策的大部分信息主要是基于语义的方式而非 数值的方式。因此，模糊控制规则是对入类行为和进行决策分析过程的最自然的描述方 式。这也就是它为什么采用i f t h e n 形式的模糊条件句的主要原因。 通过总结人类专家的经验，并用适当的语言来加以表述，最终可表示成模糊控制规 则的形式。另一种方式是通过向有经验的专家和操作人员咨询，从而获得特定应用领域 模糊控制规则的原型。在此基础上，再经一定调整，可获得具有更好性能的控制规则。 基于操作人员的实际控制过程 在许多人工控制的工业系统中，很难建立控制对象的模型，因此用常规的控制方法 来对其进行设计和仿真比较困难。而熟练的操作人员却能成功地控制这样的系统。事实 上，操作人员有意或无意地使用了一组i f t h e n 模糊规则来进行控制。但是他们往往 并不能用语言明确地将它们表达出来，因此可以通过记录操作人员实际控制过程时的输 入输出数据，并从中总结出模糊控制规则。 基于过程的模糊模型 控制对象的动态特性通常可用微分方程、传递函数、状态方程等描述，这样的模型 称为定量模型或清晰化模型。控制对象的动态特性也可以用语言的方法来描述，这样的 模型称为定性模型或模糊模型。基于模糊模型，也能建立起相应的模糊控制规律。这样 设计的系统是纯粹的模糊系统，即控制器和控制对象均是用模糊的方法来加以描述的， 因而它比较适合于采用理论的方法来进行分析和控制。 基于学习 许多模糊控制主要是用来模仿人的决策行为，但很少具备有类似予人的学习功能， 即根据经验和知识产生模糊控制规则并对它们进行修改的能力。m a m d a n i 于1 9 7 9 年首先 提出了模糊自组织控制，它便是一种具有学习功能的模糊控制。该自组织控制具有分层 递阶的结构，它包含有两个规则库。第一个规则库是一般的模糊控制的规则库，第二个 规则库由宏规则组成，它能够根据对系统的整体性能要求来产生并修改一般的模糊控制 规则，从而显示了类似人的学习能力。自m a m d a n i 的工作之后，近束又有不少人在这 方面作了大量的研究工作。最典型的例子是s u g e n o 的模糊小车，它是具有学习功能的 模糊控制车，经过训练后它能够自动地停靠在要求的位置。 ( 3 ) 模糊控制规则的其它性能要求 第三章模糊控制的基奉腺理 完备性：前面讨论数据库时已对其进行了讨论。即对于任意的输入应确保它至少 有一个可适用的规则，而且规则的适用程度应大于一定的数，譬如0 5 。 模糊控制规则数：若模糊控制器的输入有m 个，每个输入的模糊分级数分别为 n 。， 2 ，n 。，则最大可能的模糊规则数为n m a x = ”，, 2 n 。，实际的模糊控制数应该取 多少取决于很多因素，目前尚无普遍适用的一般步骤。总的原则是，在满