（检测技术与自动化装置专业论文）沸腾氯化炉模糊控制系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽自电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：曩超一， 签字日期：矿g 年钿r 泪 学位论文作者签名：彳承、也 签字日期：矿g 年钥r 泪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆自e 电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权重麽邮电太堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： r 弓寸 签字日期：沙寸留年易月7 阳签字日期：办川年6 月f 加 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 钛是重要的金属材料，钛冶金工艺流程复杂。作为钛冶金重要流程的沸腾氯 化工艺，由于其主体设备沸腾氯化炉是非线性、多变量、强耦合、大滞后的复杂 控制对象，国内对该炉的控制尚处于仪表监控、人工手动操作阶段。这成为我国 钛冶金工业发展的瓶颈，也影响到其他行业的健康、快速发展。因此，实现沸腾 氯化炉的自动化控制意义重大。 由于被控对象沸腾氯化炉的复杂性而无法建立精确的数学模型，基于数学模 型的传统控制方法无法适用，因此采用模糊控制。 在分析沸腾氯化工艺流程和控制要求的基础上确定了控制策略，设计出模糊 控制系统总体结构，采用分布式控制方式，由下位机控制站和上位机工程师站、 操作员站组成。随后确定控制系统的具体检测量和控制量，并结合实际生产环境 进行系统硬件选型。控制系统下位机由p l c 构成，采用结构化编程方式，对p l c 各程序模块进行功能分析、方法选取、算法实现的研究。控制系统上位机由工控 机构成，设计了上位机的实时监控画面。 模糊控制器作为模糊控制系统的核心，是模糊控制算法的载体，采用离线计 算、在线查询的方式实现。详细给出炉顶温度模糊控制器的设计方法和步骤。 模糊控制系统投入运行后，应用分析表明，炉内温度波动范围小、炉气中氯 气浓度低、炉渣中二氧化钛含量少。该控制系统达到了设计要求，运行稳定可靠。 与过去的人工操作方式相比，提高了产量和成品率、节约了原料、降低了成本和 工人劳动强度、增加了经济效益和生产安全保障。沸腾氯化炉模糊控制系统的设 计和应用，结束了我国钛冶金沸腾氯化工艺人工手动控制的历史，提高了钛冶金 工艺的自动化水平，也为沸腾氯化工艺自动控制技术的进一步研究积累了经验。 关键词：沸腾氯化炉，模糊控制，p l c 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t i t a i l i 啪i s 锄i m p o r t a u l tm e t a lm a t e r i a l t i t a n i 啪m e t a l l u 玛yi sac o m p l e xp r o c e s s b o i l i n gc l l l o r i n a t o ri st h em a i ne q u i p m e n to fb o i l i n gc h l o r i n a t i o n ，w h i c hi sak e y p r o c e s so ft i t a l l i 啪m e t a l l u r g y a sb o i l i n gc h l o r i n a t o ri san o n 1 i n e 戤m u l t i 惯r i a b l e ， s 们n gc o u p l i n ga i l dl a r g el a go b j e c t ，a l ec o n t r o lo fi ti s s t i l lb yt l l em e t h o do f i n s t n m l e n t - m o m t o r i n ga n dm a m l a lo p e r a t i o ni i lo u rc o u i l n y n l i sh 弱b e c o m et h e b o t t l e n e c ko ft i 洲u mm e t a l l u 唱yo fc h i n 毛a z l dh 嬲i m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to f o t h e r i n d u s t 阱t h e r e f o r e ，t 1 1 ea u t o m a t i cc o r l t r o lo fb o i l i n gc l l l o r i n a t o ri ss i g i l i f i c a n t a sb o i l i n gc m o r i n a t o ri ss u c hac o m p l e xo b j e c tm a tp r c c i s em a t h e m a t i c a lm o d e i c 锄tb ee s 谢) l i s h e d ，m z 巧c o n n 0 li sa d o p t e d o n 圮b 嬲i so f 孤l a l y s i so fb o i l i n g c l l l o r i n a t i n g 砒l dc o n t r o lr e q u i r c m e n t s ，t l l e c o n n 0 ls 仃a t e g ) ，i se s 讪l i s h e d ，锄dt l l ec o n _ n 0 ls y s t e ms t m c t u r ei sb u i l t 1 ks y s t e mi s f 0 m e d b yc o n t r o ls 眦i o n 嬲m es l a v ec o 瑚l p u t e ra l l de n g i n e e rs t a t i o n ，o p e r a t o rs t a t i o n 鹳 t l l em 嬲t e rc o m p u t e r t h ed e t e c t i o nv a r i a b l e 赳l dc o n t r o lv a r i a b l ei ss e l e c t e dm e n 觚d h a r 凼忸r ec o i l f i 删i o ni sf i i l i s h e da c c o r d i n gt 0t h ea c t u a le n v i r o r m l e n to fp r o d u c t i o n r j t h es l a v ec o m p u t e ro fm ec o n 仃0 ls y s t e mi sf o m e db yp l c s t m c t u r e dp r 0 伊a mi s a d o p t e di np l cp r o g r 乏u n m i n g s t u d ym o d u l e so fp l cb y 胁c t i o na n a l y s i s ，m e t h o d$ s e l e c t i o na n da 1 9 0 r i m mr e s e a r c h t h em 嬲t e rc o m p u t e ro ft l l ec o i l 仃o ls y s t e mi sf 0 肌e d - ： b yi n d u s t r i a lc o m p u t e r ，o nw m c hm o m t o rp i c t u r e sa r ed e s i g i l e d a sn 坨c o r eo ff u z z yc o n t r o l s y s t e m ，f b z z yc o i i n d l l e ri s t l l ec a r r i e ro f 如z z y a l g o r i t l l m s m e t l l o do fo m i n ec a l c u l a t i o na n do n l i n ee n q u i 珂i sa d o p t e d m e m o d 龇d s t e p so fd e s i g no ft c m p e r i l t u i ef u z z yc o n t r o u e ri si i i n 0 d u c e d a r e rt l l em z z yc o n t r o ls y s t e mp u ti n t o o p e r a t i o n ，a n a l y s i so fa p p l i c a t i o ns h o w s t l l a t ，t l l et e m p e r a _ c u r en u c t u a t si nas m a l lm g e ，c h l o r i n ei si nal o wc o n c e n t r a t i o no ft h e e x h a u s t ，锄dt i t a n i 啪d i o x i d ei sl i t t l ei ns l a g 1 k 矗亿万c o n t r o ls y s t e m 如l l ym e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s 锄di ss t a b l e c o m p a r e d 、i mm em 锄u a lo p e r a t o r 矗您巧c o n t r o l s y s t e ms a v e sr a wm a t e r i a l s ，r e d u c e sc o s t s ，l o w e 璐m el a b o ri n t e n s i t y i m p r o v e st 1 1 e e c o n o m i ce 硒c i e n c y 肌di m p r o v e ss e c 谢t ) ，q u o t i e t yd u r i n gp r o d u c t i o n t h e 印p l i c a t i o n o ff u z z yc o n t r o ls y s t e me n d st i l eh i s t 0 巧o fm a n u a lc o n t r o li nb o i l i n gc h l o r i n a t i o n0 f t i t a n i u m m e t a l l u i g yi nc h i n a i t sn o to m yi n c r e a s e sa u t o m a t i o nm t ei nt i t a n i u m m e t a l l g y b u ta l s o c 啪u l a t e se x p e r i e n c e sf o r 觚t h e rs t u d y k e yw o r d s ：b o i l i n gc h l o r i n a t o r f u z 巧c o n t i 0 l ，p l c i i 重庆邮电人学硕士论文 3 3 沸腾氯化工艺的控制策略x ， 第四章模糊控制系统设计、 4 1 控制系统总体设计方案、 4 2 控制系统检测量与控制量的选取、 4 3 控制系统硬件选型及配置a 4 3 1 现场检测设备与调节设备选型2 a 4 3 2 系统上位机配置31 1 4 3 3 系统下位机配置3l 4 4 下位机软件设计3 2 4 4 1 编程工具s t e p 7 3 2 4 4 2s t e p 7 中的硬件组态3 3 4 4 3 程序模块构成3 4 4 4 4 程序模块设计3 5 4 5 上位机软件设计4 4 4 5 1 组态软件w i n c c 4 4 4 5 2 上位机监控软件设计4 4 4 6 控制系统的通信4 8 第五章控制系统模糊控制器设计4 9 5 1 炉顶温度模糊控制器的设计4 9 5 2 给料量模糊控制器的设计5 6 5 3 氯气流量模糊控制器的设计5 7 5 4 电解氯气浓度模糊控制器的设计5 8 第六章控制系统应用分析5 9 6 1 测量曲线分析5 9 6 2 应用结果分析6 0 第七章结论及未来的工作6 l 7 1 结论。6 1 7 2 未来的工作6 2 j $ 【谢6 3 参考文献“ 附录：攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果6 6 i v 承擗观蕊怫爵噼辫辜= 髻 e ”斛彰苗爵明茸砚s i e 勘工益干明茸拱钞i 乙餮华延搬e 。i 矿k 晕哇酱鼎延披露龈乙。i i 旱i 台i 。i l 歌韶辜一髻 i i ”l 加田s q v i ”螽孵 咨目 警目茸砚千照杀y 印洲筝蘑 翠臀甲嘶犁张翠舀掣嘶矾鹫剿懈斟哿普勃学蚤重朝采雨粜卫霁工种鹫翱锻 。碉辑劲回辆蟊辅马留y 瓤b 冒。鸨矶鹫 同劲回掣新矾鹫回娶爨联罂、爨捌琢2 醯骑劲回身幂嘶昏琢鞲回娶爨嘶朝f f j 擗掣 嘶w 。鸨吼骘励环工瞳勘联取别琢取觐益髫工桑一生y 幂辫覃菊业霉弛鳓猷 瞽明繇鞲融骘同腓耵繇鞲种鹫同辟腰勘豫姒、币翱r 觐马嘶朝印瓣皿嘶矶膂铡 懈徘。矾鹭如琅马骘朝菩犁一y 觐副嘶w 期刨耐孙鹫剿懈y 睥衅林钙取觐僻号 猷琳g 鞴僻号戳崾台； 号戳爨鞲掣与羽滟理朝犁一凿辫# 翠聪明犁一0 歪聚翅 融裂觋兽哦旦：瞽融骤髯工采千并嘶矾鹫剿懈瞽毋臻螽千朝霁工科骘剿懈 。餮宰朝( 1 3 i 工) 骆种骘向迪呜犁智孙骘身释 期刨孥淋种牮骤百生目勘骤马骘哥掣翠哗蓟皿骝獠辑回与僻鳓骆罩璐璐畴茸 滥瞢融鹫剿椴牲毋半辑种鹫w 翠骤明茸酱婆目鼻虹少一朝适重椠獐审醇轻 辫戥鞲瞽罪工种鹫中茸。【们鞲龋截l 昔i d 骤母、( 霁工渤鼙留娶) 黔肾颤搿雨珂誓 勘鼙蓟娶治廿华、( 罪工陴戥) 鞲种鹫励融陴戥、( 霁工种鹫) 黔孙鹫向磷掣雨犁 智马鹫与弱骆、( 客工辫歇雾鹎) 霹鞲印辫碳丑鞲：辨日璐霁工朝雌酉、嚣华 山一瞽罩。( 餮a w ) 赣渤娑函蕈一蓟娶治吾翼肇环工鸨0 事朝岜滥銎j 蟛掣国婴目 。半辑辫战辞骤弓朝鹎群橐髦国少r l r 璩币阜丁哲再雌酉融骤霁工等瞅鸨 。【g 】6 。争鬃索自唑鞲舆目可卿刁9 9 6 阜以输珊鹎峙 霉型摹碰坦雨湃朝以潞靴鞲碍询鲫刁z 8 椠骄菩辫鳓计骘鹎明雄辩彝。因骈 驰辑霖l i f 向翠丁询9 0 6 百覃罩0 矽朝菩目凿再宁再冥哲幂髫菩鄹鸨国箍 。m 髫弓m 磁紧暴骥串禾雨环工岛 曾嚣县鬲粜目哇鲫耐、矶璇牢截、毒臻、华单、工璐、孑战、眺壁、工矾、￥珥 、忑珥壬茸硒蚕j 辊鞲鹌飘膂m 朝陋当一阜曾士甲。、f 璩当矶藁翼骸狲掣络甭 业y 堆秘野捌。【c 】吲x 0 0 9 娶掣路羽m o o 三娶掣弓巢羽m z 争6i 单斟髁掣例鸨 。杲群瞄与衅鸳氍弛衅秒致盼羽e m 蜩哥兮哥k 翠罪曰马酯百赣藿! f 等。牲z “刨孑瓤颦，哇“智弓刨函 晕x “智等三髻，朝詈z 寄、输彩椠蜞疆鞲 孤疡辜一喾 呈i 量1 l 恸澎寡一甏茸砚丰避杂￥印溯翠夏 f 骸瞽翠群 。 俜审当 一 掷骖鹫朝b 骥明群狙兽 华。 、 鞴琳业 翠。 。 绪性蛐箪嘶膂掣 。 马骸 d 9 d 斟朝翠丑朝华囝 。 攀撩砒嚣彭 岛。 。 羽懈晦瓢戳鹫号rrybr计林新明盍叮释 一 士橼 一 谛喜 一 难瞠 一 一，j。， 一 厂 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的多变量、强耦合、大滞后的复杂对象，对其实施自动控制较困难。 1 2 课题研究背景和意义 目前，全世界共有海绵钛大型生产厂家9 家，分布在美国、日本、俄罗斯、 哈萨克斯坦、乌克兰和中国。我国的生产厂家与国外厂家相比，生产规模较小、 产量较低、生产自动化水平较低。尤其在沸腾氯化工艺的自动控制水平上，日本、 美国、俄罗斯实现了计算机控制、机械化操作，自动化程度较高h 1 ：而国内厂家仍 采用人工操作的方式，即根据仪表的检测值，人工调节阀位的开度、进料的速度 和各设定值。 然而，人工控制难以在沸腾氯化生产过程中及时设定混合物料进料速度和氯 气流量；也难以在混合物料温度变化时，电解氯气和补充氯气温度、压力变化时， 尾气含氯量变化时，及时调整加料量和通氯量。因此，人工操作方式不利于原料 的充分利用和生产效率的提高，难以满足大规模连续生产的需要，也不利于降低 “三废 排放、保护环境。 近年来，随着“钛冲击波 的到来，全球钛的需求量急剧增加隅1 。作为钛冶金 重要流程的沸腾氯化工艺若不能实现自动控制，则势必成为我国钛冶金工业发展 的瓶颈，同时将影响到很多其他行业的健康、快速发展。因此。，实现沸腾氯化工 艺的自动控制是亟待解决的问题。 1 3 研究方法 沸腾氯化工艺过程是一个多变量交叉影响的过程，其中有许多调节参数和被 调节参数，还存在着错综复杂的扰动参数，这些参数之间存在着相互交叉的影响， 形成了若干个相互交叉的调节回路。另一方面许多物理量是非线性的，他们的参 数不是常数，从而构成了一个多输入、多回路、非线性且相互耦合的过程。 对于这样一个复杂的工艺过程，很难建立精确的数学模型，应用常规的自动 控制方法，很难得出准确的控制器参数哺1 。然而在现有的人工手动控制方式下，操 作人员运用丰富的操作经验实施操作，却能够满足基本的控制要求。对于这样无 法建立精确数学模型、但具备了丰富的操作经验和运行数据的被控对象，正适合 模糊控制的应用阳】【1 0 3 。 模糊控制系统与其他常规控制系统一样，由控制器、执行机构、被控对象、 传感变送单元和输入输出接口等环节组成：设计过程包括系统分析、综合设计、 控制器设计等过程。对于沸腾氯化炉模糊控制系统的设计，先要分析沸腾氯化工 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 艺的具体过程，制定出控制策略，根据控制策略设计控制系统总体方案。然后对 控制系统总体方案中的各个子系统分别设计。最后进行应用分析。 模糊控制系统与其他常规控制系统的区别在于模糊控制器的设计。模糊控制 器的核心在于它用具有模糊性的语言条件语句作为控制规则去执行控制，而控制 规则是由对被控过程十分熟悉的专门人员给出的。设计本控制系统的模糊控制规 则的关键在于，总结沸腾氯化工艺工程师的知识、操作人员的经验，设计出相应 控制规则。 由于可供参考的沸腾氯化炉控制系统设计资料微乎其微，设计时适当参考、 借鉴其他工业炉窑的控制方法。 1 4 论文的主要工作 论文基于四川攀枝花某新建制钛公司的横向课题“沸腾氯化炉自动控制系统 研制”，目标是研究设计一套钛冶金沸腾氯化炉自动控制系统，结束我国钛冶金沸 腾氯化工艺人工操作的历史，提高钛冶金自动化水平。论文的主要工作有： 在充分调研的基础上，分析了沸腾氯化工艺流程，确定了控制策略。 根据提出的沸腾氯化炉控制系统总体方案，设计了下位机p l c 各个模块 的功能并进行编程实现；设计了上位机监控画面。 对模糊控制理论进行研究，设计了控制系统模糊控制器。 系统现场调试和应用结果分析。 1 5 论文的组织结构 论文共分七章，各章的内容安排如下： 第一章绪论，介绍了钛冶金中沸腾氯化工艺的地位、沸腾氯化流程和沸腾氯 化自动控制国内外的现状。针对沸腾氯化工艺的特点，提出了研究方法。并介绍 了论文的主要工作和组织结构。 第二章介绍了模糊控制的基本理论。从模糊控制的产生、发展开始，介绍了 模糊数学的基础理论。随后介绍模糊控制系统，包括系统组成和工作原理。接着 介绍模糊控制器，包括其结构和组成。最后介绍模糊控制器的设计方法。 第三章详细分析沸腾氯化工艺过程和沸腾氯化炉。给出沸腾氯化工艺的控制 要求，并针对控制要求，提出相应的控制策略。 第四章首先设计沸腾氯化炉模糊控制系统的总体方案。随后结合沸腾氯化工 艺和控制策略选取控制系统的检测量和控制量，并结合生产实际，进行了系统硬 重庆邮电大学硕士论文 做的工作，并探讨了进一步的工作。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章模糊控制理论概述 第二章模糊控制理论概述 2 1 模糊控制理论及其发展 模糊控制，就是利用模糊数学这一工具，借助于计算机或相应芯片模拟人的 思维方法，实现对被控对象的语言控制n 1 】。控制工程中，有一些复杂的被控对象( 或 过程) 的特性难以用数学表达式来描述，对于这类不易建立其数学模型的被控对 象，应用传统的控制理论，很难取得令人满意的控制效果。针对如何解决这些问 题，模糊控制应运而生。模糊控制技术不依赖于被控对象的数学模型，而只要求 掌握现场操作人员和有关专家的经验、知识或者操作数据。 2 1 1 模糊控制理论的产生和发展 1 9 6 5 年，美国著名控制论学者l a z a d e h 发表开创性的论文，首次提出了一 种完全不同于传统数学与控制理论的模糊集合的概念n 别，由此开创了模糊数学及 其应用的新纪元。 1 9 7 4 年，英国学者e h m 锄d a i l i 首次利用模糊理论进行了锅炉和蒸汽机控制 方面的研究，他利用模糊控制语句组成了模糊控制器，取得了比传统控制更好的 效果，这标志着模糊控制的诞生。 此后，英国的f i n g 及m 锄d a i l i ，荷兰硒c h e n 等分别将模糊控制器成功应用于 反应炉搅拌池温度控制，热水站等复杂工业系统。 二十世纪八十年代以后，模糊控制的应用日益广泛，尤其是在模糊推理芯片 和模糊计算机的开发方面发展迅速n 3 】【1 钔。 最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自 适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，受到各国学者的重视。 我国在模糊控制方面也取得了比较丰硕的成果n 钉。李友善、高玉琦等学者通 过微型计算机实现了干法水泥回转窑的模糊控制。田成方、王学慧学者在钨冶炼 装置上采用模糊控制器实现了自动控温，取得了满意的控制效果。 2 1 2 模糊控制理论的特点 模糊控制语言是一种表示人类思维活动以及复杂事物极其有效的手段，因此， 重庆邮电大学硕士论文第二章模糊控制理论概述 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 能迎刃而解n 引。与传统的控制技术相比较，模糊控制具有如下的特点： 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者有关专家的经验、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。 适应性强。经研究结果表明，对于确定的过程对象，用模糊控制与用p i d 控 制的效果相当，但是对于非线性和时变等一类不确定系统，模糊控制却有比较好 的控制作用，同时对于非线性、噪声和纯滞后有较强的抑制能力，在这方面传统 控制往往显得无能为力。 系统的鲁棒性较强。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，能比较容易实现稳定的控制，尤其是适合于非 线性、时变、滞后系统的控制。 系统的规则和参数整定方便。只要通过对现场的工业过程进行定性的分析， ，。，? 就能比较好的建立语言变量的控制规则和系统的控制参数，而且参数的适用范围 ”也 较广。 结构简单。系统的软硬件实现都比较方便。硬件结构一般无特殊要求，在 j 参 软件方面其算法也比较简捷。对于基本模糊控制器在实际运行时只需进行简单的 。， 查表运算，其它的过程可以离线进行。 ! 模糊控制技术具有上述的特点n 刀，因而越来越吸引广大研究者的注意，同时 ，+j 模糊控制在实际的工业以及其它领域的控制过程中也越来越发挥重要的作用。 。： 2 1 3 模糊控制理论的发展方向 由于现实世界中模糊现象的大量存在，模糊控制的应用范围会越来越广。国 内外在模糊控制研究开发领域将有更大发展，例如在模糊控制理论的研究和模糊 逻辑控制产品的开发上。然而，模糊控制不可能忽略与其它领域的联系而独立存 在，它与经典控制的技术和方法有许多联系，可以将经典控制方法作为分析工具。 模糊控制同时也是一种智能控制技术，因而与其它智能控制方法有一定的联系。 虽然模糊控制的研究已取得许多可喜的成果，但与经典控制理论相比，仍显得很 不成熟。尤其是以下几个方面需要进一步研究n 射： 模糊控制器的解析结构分析、模糊控制系统的稳定性、鲁棒性，能观性和 能控性等也有待发展，非线性复杂系统的模糊建模和控制理论有待深入研究； 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章模糊控制理论概述 与其它软计算技术进一步集成，使模糊控制器具有更强的学习能力和智能 功能，以便更适合于复杂对象的模糊控制和建模； 在硬件方面，进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片，并且开发通 用模糊控制器和模糊控制产品； 模糊知识的获得； 语言变量基本论域的划分、模糊化方法、模糊合成和推理的算法选取以及 去模糊化问题的计算方法等至今在理论界还存在争议，有待确认： 模糊控制目前的动态分析还没有系统的理论。由于模糊控制器的设计是在 近似基础上进行的，不能完全反应出模糊控制器的自身特性，因而势必产生分析 的不精确性，同时也阻碍了对于模糊控制器真实特性的认识； 以上存在的问题为模糊控制的发展提出了要求，解决这些问题就成为模糊控 制理论目前所面临的主要任务和发展方向。 2 2 模糊数学基础 2 2 1 模糊集合 模糊数学是描述模糊现象的数学，模糊集合是模糊数学的理论基础。普通集 合只能表达“非此即彼的现象，模糊集合则能表达存于现实生活中的“亦此亦 彼 的现象。 模糊集合的概念 所谓给定论域x 上的一个模糊集合彳，是指对于任意的x x ，都确定了一个 数胁( 习，o 纵( x ) 1 ，它表示x 对彳的隶属程度n 们。即映射： 以：x 专【o ，l 】 鸬( 习称为x 对彳的隶属度，而心称为隶属函数。 上述定义表明，论域x 上的模糊集合彳由隶属函数以来表征，能( 习的取值 范围为闭区间 o ，1 ，以( 习的大小反映了x 对于模糊集合的从属程度。鸬( 习的值 越接近于l ，表示x 从属于彳的程度越高；鸬( 对的值越接近于o ，表示x 从属于彳的 程度就越低。可见，模糊子集完全由隶属函数所描述。 模糊集合常用z a d e h 表示法来表示。给定有限论域x = h 。屯，吒 ，彳为x 上 的模糊集合，则 彳= 丛+ 丝+ + 型卫 式( 2 1 ) 7 重庆邮电大学硕士论文第二章模糊控制理论概述 其中丝并不表示“分数 ，而是元素五与其隶属度“之间的对应关系。 而 模糊集合运算 设彳、b 为x 中的两个模糊集，隶属函数分别为心和鳓，则模糊集彳和b 的 并集、交集、补集的运算可通过它们的隶属函数来定义。 并集：心( x ) = 儿( 石) v 鳓( x ) 式( 2 2 ) 其中“v 表示二者比较后取大值。 交集：一仙( 石) = 以( x ) 鳓( x ) 式( 2 3 ) 其中“ ”表示二者比较后取小值。 补集：一。( x ) = l 一以( x ) 式( 2 4 ) 2 2 2 模糊关系与模糊关系合成 模糊关系概念 模糊关系是普通关系的推广。普通关系是描述元素之间是否有关联，而模糊 关系则是描述元素之间关联程度的多少。 所谓x 、】，两集合的笛卡尔积 y 】，= ( x ，y ) ix x ，y 】， 式( 2 5 ) 中的一个模糊关系r ，是指以x 】，为论域的一个模糊子集，序偶( x ，y ) 的隶属度 为胁( x ，y ) 。鲰( x ，y ) 在实轴 o ，1 取值，它的大小反映了( x ，y ) 具有关系r 的程度 【i l 】 设x 是m 个元素构成的有限论域，】，是n 个元素构成的有限论域。对于x 到y 的一个模糊关系r ，可以用一个m n 阶矩阵足表示。 尺2 【勺j ，勺= 胁【五，乃) 模糊关系运算 模糊关系是定义在直积空间上的模糊集合，而模糊关系又可用模糊矩阵来表 示，所以它们都遵循一般模糊集合的运算规则。 设模糊矩阵尺和q 是x 】，上的模糊关系，尺= ( 勺) 朋。，q = ( 劬) ， ( f = l ，2 ，所；j f = l ，2 ，n ) 。模糊矩阵的并、交、补运算为 模糊矩阵并 r u q = ( ，；，v 劬) 式( 2 6 ) 模糊矩阵交r n q = ( 劬) 式( 2 7 ) 模糊矩阵补尺。= ( 1 一，) 式( 2 8 ) 模糊关系合成 重庆邮电大学硕士论文第二章模糊控制理论概述 模糊关系的合成是指，由第一个集合和第二个集合之间的模糊关系及第二个 集合和第三个集合之间的模糊关系得到第一个集合和第三个集合之间的模糊关系 的一种运算。 设尺是x 】，中的模糊关系，s 是l ，z 中的模糊关系，所谓尺和s 的合成是指 下列定义在x z 上的模糊关系q ，记做q = 尺o s 胁。s ( 五z ) = v 鳓( x ，少) 凰( j ，z ) 式( 2 9 ) 其中 代表取小( m i n ) ，v 代表取大( m a x ) ，故上式定义的合成也称m a x m i n 合成。 2 2 3 模糊推理 模糊语言变量 带模糊性的语言称为模糊语言，如长、短、大、小、高、矮、年轻、年老等。 在模糊控制中，关于误差的模糊语言常见的有：正大、正中、正小、正零、负零、 负小、负中、负大等。语言变量的取值不是通常的数，而是用模糊语言表示的模 糊集合。 z e d e h 为语言变量给出了如下的定义。 语言变量由一个5 元组( x ，丁( x ) ，u ，g ，m ) 来表征，其中： 1 ) x 是变量的名称，如年龄、数的大小等； 2 ) u 是x 的论域； t 譬+ 3 ) 丁( x ) 是语言变量值的集合，其中每个语言变量值都是论域u 上的模糊集 合，如丁( x ) = 丁( 年龄) = “年幼 + “年轻 + “年老 ； 4 ) g 是语法规则，用以产生语言变量x 的值的名称； 5 ) m 是语义规则，用以产生模糊集合的隶属度函数。 模糊条件语句 1 ) 简单模糊条件语句 句型为“若x 是a ，则y 是b 的一种条件语句。其中x 、y 均为语言变量，a 、 b 分别为语言变量的值。用模糊命题a 表示“x 是a ，b 表示“y 是b ，a 和b 为不同论域上的模糊集合，则简单模糊条件语句可表示为： “若a 则b 或“i fat h e nb “i f t h e n ”的条件命题在集合论中用符号“j ”表示。a b 称为a 蕴 涵b 。 彳一召= 彳u 占。= 彳。u ( 彳n 曰) 若有命题彳( x ) ，x e x ，b ( j ，) ，y y ，则有 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章模糊控制理论概述 ( 彳寸b ) ( x ，y ) = ( 1 一彳( x ) ) v ( 彳( x ) b ( j ，) ) 式( 2 1 1 ) 若a b 是x 】，上的一个二元模糊关系，其隶属函数为 r ( x ，y ) = 心_ 占( x ，j ，) = ( 1 一一( x ) ) v ( 鳓( x ) 占( y ) ) 式( 2 1 2 ) 2 ) 多重简单模糊条件语句 句型为“i fat h e nb ，e l s ec 。例如“若4 则蜀，否则若4 则最，否则 若4 l 则e 定义如下m 锄d 孤i 模糊蕴涵关系： 灭= ( 4 蜀) u ( 4 岛) u u ( 4 鼠) = u ( 4 忍) = ur 式( 2 1 3 ) ，- l，l i 其隶属函数为 鲰( x ，y ) = ：( 纸( x ) 人拖( y ) ) 式( 2 1 4 ) 3 ) 多维模糊条件语句 句型为“若a 且b 则c 或“i faa n dbt h e nc 。采用m 锄d 锄i 定义， 则有三元模糊关系尺： 足= ( 彳b ) 专c ，即r = 彳曰c 式( 2 1 5 ) 其隶属函数为 熊( x ，y ，z ) = 心( x ) 儿( y ) 人心( z ) 式( 2 1 6 ) 模糊推理 模糊推理是根据一定的原则，从一个或几个已知判断引伸出一个新判断的思 维过程。推理一般包含两个部分的判断，一部分是已知的判断，即前提( 或前件) ； 由前提所推出的新判断，即结论( 或后件) 。推理的方式一般分为两种：一种演绎 推理，一种是归纳推理。演绎推理是前提与结论之间有蕴涵关系的推理。其肯定 式为n 们： 大前提( 规则)若x 是a则y 是b 小前提( 已知证据)x 是a 结论y 是b 关系合成推理法 关系合成推理法简称c 法，是实际控制中应用较广的一种模糊推理算法。 其原理为：用一个模糊集合表述大前提中全部模糊条件语句前件的基础变量和后 件的基础变量间的关系，用一个模糊集合表述小前提，进而用基于模糊关系的模 糊变换运算给出推理结果。 1 ) z a d e h 的推理方法 已知模糊蕴涵关系彳召的模糊关系尺，对于给定的彳，彳x ，则可推得 结论曰，b 】，曰由下式给出： b = 彳o 足 式( 2 1 7 ) l o 重庆邮电大学硕士论文第二章模糊控制理论概述 其中“o 表示合成运算。 矿( y ) = 彳( x ) 。尺( w ) = 磐( x ) 彳( x ) b ( j ，) v ( 1 一彳( x ) ) ) 式( 2 1 8 ) 其中“跏”表示对后面算式结果，当x 在x 中变化时，取其上界。若j ，为有限论 域时，鲫就是取大运算v 。 2 ) m 锄d a n i 的推理方法 m 锄d a i l i 把模糊蕴涵关系彳专b 用彳和b 的笛卡尔积表示位，即 尺= 彳专b = 彳b r ( x ，y ) = 4 ( x ) b ( j ，) 由 召= 彳or ， 得 曰( y ) = 磐p ( x ) ( 彳( x ) 丑( y ) ) ) j 毫 。 或 纷( y ) = 善 一( x ) ( 约( x ) 鳓( y ) ) ) 2 3 模糊控制系统 2 3 1 模糊控制系统组成 式( 2 1 9 ) 式( 2 2 0 ) 式( 2 2 1 ) 式( 2 2 2 ) 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑规则的推 理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字 控制系统n 酊，它的组成核心是智能型的模糊控制器。模糊控制系统的基本结构与 原理如图2 1 所示。模糊控制系统一般由以下五部分组成n 训。 模糊控制器 i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一。i 图2 1 模糊控制系统 模糊控制器 模糊控制器是模糊控制系统的核心部分，也是模糊控制系统与其它自动控制 系统的不同之处。模糊控制器由四个基本部分组成：模糊化接口、规则库、模糊 推理、清晰化接口。模糊控制器一般由计算机实现，用计算机程序和硬件实现模 重庆邮电大学硕士论文第二章模糊控制理论概述 糊控制算法，计算机可以是单片机、工控机、p l c 等各种类型的微型机计算机， 程序设计语言可以是汇编语言、c 语言及其它各种语言。 输入输出接口装置 在实际应用中，多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量，因此模糊 控制器需要通过模数( a d ) 转换从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器输出 控制量经数模( d a ) 转换为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。 被控对象 可以是线性的或是非线性的，定常的或是时变的，也可是单变量或是多变量 以及具有强藕合和干扰等多种情况。一般而言，对于那些难以建立精确数学模型 的复杂对象，适宜选择模糊控制。 执行机构 可以是电气的，如交、直流电动机、伺服电动机、步进电机等，也可以是气动 和液压的，如各类气动调节阀、液压马达、液压阀等。 传感器 由于被控对象往往是温度、压力、流量、速度等非电量，需要通过传感器将其 转化为数字或模拟的电信号。传感器的精度直接影响控制系统的控制效果，因此 要求其精度高、稳定性好。 2 3 2 模糊控制系统工作原理 模糊控制系统工作原理结合图2 1 中的模糊控制系统说明。图2 1 中，”为系 统设定值，y 为系统输出值，它们都是清晰量。只与y 的差值即系统偏差量p 作为 模糊控制器的输入量，在计算机控制系统中e 是数字量，是有确定数值的清晰量。 经过模糊化处理，用模糊语言变量e 来描述偏差，若以丁( e ) 记e 的语言值集合， 则有 r ( e ) = 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大) 语言规则模块是一个规则库，设e 是输入，控制量u 为输出，规则形式为 规则1 ：i f 巨t h e nu ，e l s e 规贝u2 ：i f 易t h e n ，e l s e 规则刀：i f 毛t h e n 虬，e l s e 每一条规则可以建立一个模糊关系r ，所以系统总的模糊关系尺为 r = 蜀u 是u ur 若已知系统的输入e 对应模糊关系变量e ，应用关系合成推理法( c r j 推理法) ， 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章模糊控制理论概述 可以得到模糊输出变量u ， u = eo 尺 模糊推理输出u 是一个模糊变量，在系统中要实施控制时，模糊量u 还要转 化为清晰量，因此要进行清晰化处理，得到可操作的确定值“，这就是模糊控制器 的输出值，通过“的调整控制作用，使偏差p 尽量减小。 2 4 模糊控制器结构与组成 2 4 1 模糊控制器的结构 单变量模糊控制器 在模糊控制系统中，具有一个输入变量和一个输出变量的系统称为单变量模 糊控制系统，一个单变量模糊控制系统所采用的模糊控制器称之为单变量模糊控 制器n 刀。通常把单变量模糊控制器的输入量个数称为模糊控制器的维数乜别。 一维模糊控制器如图2 2 所示，它的输入变量是系统的偏差量e ，输出变量是 系统的控制量的变化值u 。由于仅采用偏差控制，所以系统的动态控制性能不佳， 一般用于一阶被控对象。 二维模糊控制器如图2 3 所示，它的输入变量是偏差量e 和偏差变化率e ， 以控制量的变化值u 作为输出量，它比一维控制器有更好的控制效果，且易于计 算机的实现，是目前广为采用的一类模糊控制器。 三维模糊控制器如图2 4 所示，它的三个输入变量分别为系统偏差量e ，偏差 变化率e 和偏差变化的变化率e 一，以控制量的变化值u 作为输出量。由于这类 模糊控制器结构较复杂推理运算时间长，所以一般较少采用。 图2 2 一维模糊控制器 坼 模糊控制器 图2 3 二维模糊控制器 b k 隶 模糊控制嚣 图2 4 三维模糊控制器 重庆邮电大学硕士论文第二章模糊控制理论概述 多变量模糊控制器 在模糊控制系统中，多于一个输入和输出变量的系统称为多变量模糊控制系 统。多变量模糊控制系统所采用的模糊控制器往往具有多变量结构，称为多变量 模糊控制器，如图2 5 所示。它有朋个输入k ( 七= 1 ，2 ，m ) 和，1 个输出 “，( ，= 1 ，2 ，甩) 。要直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，通常将一个多 输入多输出( m i m o ) 的模糊控制器在结构上实现解偶，即分解成若干个多输入单输 出( m i s o ) 的模糊控制器。 巧 巧模糊 控制器 2 4 2 模糊控制器的组成 图2 5 多变量模糊控制器 甜2 模糊控制器的基本组成参见图2 1 。它包含有模糊化接口、规则库、模糊推理、 清晰化接口等部分。 模糊化接口。把输入信号映射到相应域上的一个点后，将其转化为该论域 上的一个模糊子集，即把输入的精确量转化为模糊量。 规则库。规则库包含与过程操作有关的经验型知识，控制规则就是这些知 识的描述。规则库存放的知识可以是以一簇规则的形式给出或用矩阵的形式给出。 模糊推理。模糊推理是模糊控制的核心，它具有模拟人的模糊推理的