（模式识别与智能系统专业论文）基于专家系统的铁水脱硫设计.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 铁水脱硫在钢铁生产中是一个十分重要的生产环节，而在实际的生产中，它又是一个 十分复杂的化学物理变化过程。由于被控对象具有大时滞、非线性等特性，运用传统的脱 硫控制方法不能很好的控制生产过程。改进后的系统，将专家系统和模糊控制的优点很好 的与实际生产相结合，可以很好地克服大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等困难。 该系统不仅具有专家系统的高水平问题求解能力，而且具备模糊理论解决不确定问题的能 力。 本文介绍了在铁水脱硫过程中加入专家系统的控制方法，并将来源于专家的经验，所 形成的专家知识抽象为规则与现场的参数相结合起来。系统通过模糊逻辑推理得出控制规 则，从而控制整个系统。该系统的通信方式又分为两种。脱硫现场设备采用p r o f i b u s 通信 协议与p l c 相连，p l c 通过以太网t c p i p 协议与上位机c r t 通信。现场设备的控制采用西门 子公司的s 7 4 0 0 p l c 来实现。 关键词：模糊控制；专家系统；现场控制总线；可编程逻辑控制器；铁水脱硫 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s u l p h u r i z a t i o no fm o l t e ni r o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fs t e e l ，i t i sa l s oac o m p l i c a t e dc h e m i s t r ya n dp h y s i c sc h a n g ep r o c e s si nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n a st h e c o n t r o l l e do b j e c th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r e a td e l a ya n dn o n l i n e a r i t y ，w ec a n tc o n t r o lt h e p r o d u c t i o np r o c e s sv e r yw e l lb yt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d t h es y s t e mw h i c hh a sb e e n i m p r o v e dp r i m l yc o m b i n et h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o na n dt h ea d v a n t a g eo fe x p e r ts y s t e ma n d f u z z yc o n t r o l ，i tc a l lc o m m e n d a b l yo v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e ss u c ha sg r e a td e l a y ，n o n l i n e a r i t y a n dt h ef o u n d a t i o no fe x a c tm a t h sm o d e l i tn o to n l yh a v et h ee x p e r ts y s t e m sa b i l i t yo f s o l v i n g h i 曲一l e v e lp r o b l e m ，b u ta l s oh a v et h ef u z z yt h e o r y sa b i l i t yo fs o l v i n gu n c e r t a i np r o b l e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n t r o lm e t h o dw h i c hc o n n e c t st h ee x p e r ts y s t e mw i t ht h e d e s u l p h u r j z a t i o np r o c e s so fm o l t e ni r o n ，a n da b s t r a c tt h ee x p e r tk n o w l e d g ew h i c hw a sd e r i v e d f r o mt h ee x p e r te x p e r i e n c ea st h er u l e ，a n dt h e nc o m b i n ei tw i t ht h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e ro f s c c n e ，g e t t i n gt h ec o n t r o lr u l eb yf u z z yl o g i ci l l a t i o na c c o r d i n g l yc o n t r o lt h ew h o l es y s t e m t h e c o m m u n i c a t i o n sm e t h o do ft h i ss y s t e mc a l lb ed i v i d e di n t ot w ok i n d s t h ed e s u l p h u r i z a t i o n s c e n ee q u i p m e n t su s et h ep r o f i b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n di sc o n n e c t e dw i t hp l c ，p l c c o m m u n i c a t ew i t hc r tb ye t h e m e tt c p i pp r o t o c 0 1 t h es c e n ee q u i p m e n t s 。c o n t r o li s a c h i e v e db yu s i n gs i e m e n ss 7 4 0 0p l c k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ；e x p e r ts y s t e m ；p r o f i b u s ；p l c ：h o tm e t a ld e s u l p h u r i z a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章前言 传统的控制方法发展到今天已经非常成熟了。然而，随着控制要求的不断提高，在一 些复杂的控制过程中，如在石化、冶金等领域，却遇到了越来越多传统控制理论难以解决 的问题。这些复杂的系统往往具有如下特点：缺乏精确的数学模型，严重的非线性，复杂 的任务要求。为此人们提出了多种新型的智能控制方法。其中模糊控制便是智能控制方法 中典型的一种控制方法。从1 9 6 5 年美国著名控制论学者l a z a d e h 发表开创性论文，首次 提出一种完全不同于传统数学与控制理论的模糊集合理论，到1 9 8 6 年世界上第一块基于模 糊逻辑的人工智能芯片在贝尔实验室研制出来，其间只经历了短短的二十年。模糊理论之 所以能在信息时代获得如此迅速的发展，是因为它为信息技术的发展提供了一种新的数学 工具，而且它可以很好的解决控制过程中遇到的不确定问题。 1 1 课题的背景和意义 随着工业生产和科学技术的迅速发展，在制造业领域中对钢的含硫量提出了更高的要 求。铁水脱硫也正是在这些需求下而提出的工艺要求。降低铁水中的含硫量其目的就是减 小脆性，提高钢的产品质量，增加钢材的附加值。但由于铁水在转炉内脱硫具有它的局限 性，且难以操作和实现。这就促成了将高炉送来的铁水进行脱硫预处理，从而降低铁水中 的含硫量，再送往转炉中冶炼，以达到铁水脱硫的目的。n 1 在铁水脱硫预处理过程中，会发生很复杂的化学物理变化，其控制系统是非线性的， 且存在很多不确定性和模糊性。在很多情况下还需要依靠具有经验的操作人员来控制脱硫 过程，通过他们来保证脱硫的质量。传统的控制方法不能很好地适应复杂的铁水预处理过 程，而针对其控制特点我们采用了专家系统控制技术，并结合现场总线、p l c 等控制方法， 改进原有的脱硫控制方法。该控制方法很好的实现了对脱硫这一非线性过程的控制，并且 可以提高响应速度。 专家系统将人类专家的知识和经验以知识库的形式存入计算机，并模仿人类专家解决 问题的推理方式和思维过程，运用这些知识和经验对现实中的问题做出判断和决策。许多 专家系统己经汇聚了当代人类一些特定领域中最先进的科技成果和专门知识，其应用范围 己经包括了从医院罩为病人诊治疾病到对核电站中发生的故障进行自动判别。专家系统的 成功应用不仅减轻了人类专家的重复性脑力劳动，使专家的知识及经验得到了推广和保 存，而且其潜在的功能和巨大的经济效益，使人们开始意识到它的广阔前景。但在专家系 统中知识的不确定性也客观存在，如何处理知识中存在的不确定性，是需要解决的一系列 棘手技术问题中的难题之一。因为专家系统的核心是“知识”，从一定意义上说，知识的 获取、知识的表示和知识的运用构成了专家系统丌发的整个核心。模糊控制系统是在系统 中使用模糊集和模糊逻辑，来表示和处理知识的不确定性和不精确性的系统。基于模糊集 和模糊逻辑理论的不确定性处理模型，是从处理因模糊性引起的不确定性的角度而发展起 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 来的一类数值计算模型。它将不确定性看作是一种隶属度或可能性，定义了多种模糊算子， 以反映各类不确定性规律。它以模糊数学为理论基础，理论严谨，运算灵活性强，富于针 对性，而且信息和时间复杂度也较低。因而，从多方面考虑，这种基于模糊逻辑及可能性 理论的模型是适合于专家系统选用，而且是有很强发展前景的一种模型。z a d e h 提出了 f u z z y 集理论，由于它较好地表达和处理了客观世界中事物的模糊信息，无论在理论上还 是在应用当中都取得了丰富的成果。 在以往的专家系统中，对于知识库管理方面的研究较少，丌发方案也比较简单，很难 满足现场的实际需要。早期的知 ： 库研究也主要是以文件的方式存储规则知识和事实知 识，并没有考虑到对知识库容易出现的不一致现象和冗余现象进行必要的检测和校对。在 过去几十年中，国内外的专家和学者们针对规则库中冗余规则和不一致规则的检查提出了 一些消除方案和工具。 1 2 铁水脱硫工艺简介。1 铁水脱硫在钢铁生产中是一个十分重要的环节，但在实际生产当中，脱硫过程是一个 复杂的化学物理变化。铁在加工时是否产生热脆缺陷的主要原因在于含硫量的多少，这就 提出了对铁水进行脱硫预处理的要求。但脱硫过程又具有大时滞、非线性、难以建立精确 数学模型等困难，传统的脱硫控制方法不能很好的控制脱硫过程，这就需要改进控制方法， 提高控制精度。 1 2 1 系统组成及作用 脱硫站主要由倒罐站、脱硫本体、除尘和水处理这四大部分组成。 当铁水包从高炉送过来时，在倒罐站中将不一样重量的铁水包全部通过称重装置将其 倒罐，变成重量一致的铁水包，方便脱硫料的加入。然后铁水罐小车将其拖入脱硫本体。 这时把喷枪插入铁水中，吹入氮气和颗粒镁，使铁水沸腾。在高温的作用下颗粒镁和铁水 中的硫发生剧烈的化学反应生成硫化镁完成铁水脱硫的目的。 为了进行铁水脱硫，拉进车蚓的铁水罐要用车| 日j 的吊车吊下来，放到脱硫装置专用的 铁水罐车上，通过轨道上的测量称重装置测得重量。操作员得到了该罐铁水的重量，其重 量信号即可通过网线自动输入计算机，也可以通过主控室操作员人工输入计算机。然后通 过主控室操作员操作计算机将该铁水罐车开动( 扒渣机、喷枪、防溅罩作业被p l c 连锁) ， 该车沿铁水罐车运行路线进入喷吹室将铁水罐停在脱硫站测温取样口下面( 也是喷吹位) ， 通过计算机逻辑控制，喷吹室密封门自动关闭、除尘蝶阀自动打开。主控室操作员操作计 算机进行自动测温取样作业，铁水温度信号即可通过网线自动输入计算机，也可以通过主 控室操作员人工输入计算机。所得铁样送去化验，脱硫站操作员可将预先设置的原始硫和 所要求的脱硫结果输入计算机，点动计算机“冶会专家计算”对话框，计算机便自动显示 出计算结果，即本炉喷吹时间、耗镁量、平均供镁速度，主控室操作员再点动“喷吹”对 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 话框，然后以完全自动控制方法启动实施整个脱硫工艺过程，即供给液压央钳和防溅罩的 液压泵启动、计量给料罐自动加压，液压下位央钳打开、防溅罩下降、喷枪下降( 通过编 码器在c r t 上显示喷枪高度) ，喷枪口气封打开、喷镁管供气系统丌始给氮，到喷吹位后 ( 通过c r t 事先输入给定值) 喷吹颗粒镁，液压下位央钳央住喷枪。喷吹过程中得到化验 出来的原始硫，人工输入硫值后，重新点动计算机“冶会专家计算”对话框，计算机c r t 又自动显示出计算结果，将按新计算出的本炉喷吹时间、耗镁量、平均供镁速度供镁，在 喷吹不停止的情况下，喷完定量的镁后，停止给镁，喷枪提至上位、停止给氮、防溅罩上 升、脱硫过程结束。 如喷枪下降过程中得到过载信号，喷枪下降自动停止，并自动提升2 0 0 2 5 0 舢，喷吹作 业过程不停止。 脱硫之后，主控室操作员将操作权交给扒渣机操作员，铁水罐车、防溅罩、喷枪下降 被封锁。扒渣机操作员启动液压泵、倾罐、将浮渣扒除。扒渣后将扒渣机回原位，铁水罐 立直。扒渣机操作员将操作权交给主控室操作员，进行测温取样作业。然后将铁水罐车运 至吊罐位。用吊车将罐从铁水罐车上取下来。空罐车上放其它铁水罐，脱硫过程周而复始。 c r t 画面将监视脱硫站的全部各相关元件的状况( 自动阀、密封门、夹钳、喷枪位、 气体压力、流量、湿度、液压压力、马达温度等) ，可随时检查，遇到有异常情况时，将 发出声光报警。 电气传动控制分两个部分，即喷吹脱硫作业和脱硫剂料仓受料作业两部分。这两部分 的操作方式都有三种方式，即在操作室中央控制台联动，操作室中央控制台半联动，机旁 手动。 整个工艺流程用p l c 控制，包括装计量给料罐、铁水喷镁、组织喷枪架工作、接通烟 气排放系统、控制铁水罐车运行等。 7 其生产过程如图1 1 所示。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 l - 2 2 颗粒镁铁水脱硫工艺的技术特点和影响因素 建立工艺模型的目的是使喷吹过程工艺顺行进行，在达到目标硫的前提下，用最少的 镁质脱硫剂。根据经验，镁质脱硫剂的消耗要受到十几种因素的影响，如铁水包的内部形 状、铁水深度、铁水原始硫、铁水原始化学成分的组成、铁水温度、铁水渣的组成、颗粒 镁的化学组成、颗粒镁的粒度、颗粒镁钝化层的化学组成、颗粒镁钝化层的厚度、载气的 化学组成、载气量、不同铁水原始硫情况下的气化镁的溶解度、不同铁水原始硫情况下的 溶解镁与铁水中硫的反应速度等等，只有对各种条件有了定性和定星的了解掌握，彳能编 制出工艺模型。但在实际工业操作中要对所有的因素有定性和定量的了解掌握是十分困难 的，而且需要操作人员在长时川的工作当中积累经验，这就为专家系统的引入提出了需要。 本文主要对铁水原始硫、铁水原始温度、所处理的铁水量、预期脱硫百分比。、 颗粒镁含会属镁百分比。这五个主要的因素做出考虑。将其上叙五个变量输入工艺模 型，工艺模型即计算出本炉不同时段的喷镁速度、载气量大小、总喷镁时间、镁质脱硫剂 消耗总量，并将计算结果存储在计算机中，同时在c r t 屏幕上显示出上述数值。喷镁速度 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 的多少是靠计算机控制转子给料器变频电机的转速，载气量大小是靠计算机控制流量调节 阀的丌度与高精度的流量计相匹配。同时为了增加工艺操作的灵活性，自动方式下喷镁速 度、载气量和仞始硫可以人为干涉，当人为干涉喷镁速度时，喷镁速度可在4 1 2 k g m i n 调整( 当喷镁速度超过计算机算出给定量的1 0 时，会给出一个报警信号，提示可能会发 生喷溅) ，总喷镁时间将随之变化；当人为干涉载气量时，可在3 0 、1 7 0 n m 3 h 调整( 当载 气量超过计算机算出给定量的l o 时，会给出一个报警信号，提示可能会发生喷溅) ，载 气量与镁质脱硫剂消耗总量将随之变化。 1 3 本文主要的研究工作 针对脱硫生产中遇到的控制问题，本文研究丌发出了一个面向对象的专家控制系统。 本文简单介绍模糊控制和专家系统的基本知识，并且通过模糊控制器来实现对脱硫过 程的控制。该方法运用到生产过程中，提高了生产效率及各项参数。 在设计中结合可编程逻辑控制器( p l c ) 硬件及现场总线技术( p r o f i b u s ) ，实现生产全 过程的自动化控制。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章模糊控制 “模糊”( f u z z y ) 一词的含义为“朦胧的、模糊的、不精确的、不合逻辑的、不明白 的”。而模糊系统本身却是一个被精确定义的非线性控制系统。 2 1 模糊控制的发展 模糊理论现在大量应用到各个领域，且大家都十分关注着模糊控制的发展。但是模糊 控制的发展过程却并不是一帆风顺。在丌始时曾经受到一些学者的反对，他们认为“模糊 化”与基本的科学原理是相违背的，而且统计学和概率论领域的专家们也认为概率论足以 描叙不确定性问题了。尽管当时模糊理论没有成为主流，但仍有许多学者致力研究这一新 领域。 自从美国数学家维纳在4 0 年代创立控制论以来，自动控制理论经历了经典控制理论和 现代控制理论两个重要发展阶段。前者主要解决单变量系统的反馈控制问题，以频率法、 根轨迹法和微分方程法为代表。而后者着重解决多变量系统的优化控制问题。从1 9 7 2 年美 国加利福尼亚大学著名教授2 a d e h 首先提出模糊数学和模糊控制的概念，至今只有3 0 多年 的时间，但其发展迅速，特别是进入8 0 年代以来，自动控制系统被控对象的复杂化，不仅 表现在具有多输入一多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性。更突出的是从系统 对象所能获得的知识信息量相对的减少，以及对控制性能的要求却同益提高。然而，i f 如 z a d e h 教授1 9 7 3 年所指出的：“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力将降 低，当达到一定的值时，复杂性和精确性将相互排斥”。也就是说，在多变量、非线性、 时变的系统中，系统的复杂性与人们要求的精确性之间形成了尖锐的矛盾。因此，要想精 确地描述复杂对象与系统的物理现象和运动状态，实际上己经是不可能的。对复杂事物进 行模糊性地描述，不仅对问题的求解没有害处，而且能高效率地做出j 下确的判断和处理。 因此模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中有着重要的地位和意义。 自2 0 世纪六十年代以来，现代控制理论已经在工业生产过程中、军事科学以及航空航 天等许多方面都取得了成功地应用。例如极小值原理可以解决某些最优控制问题；利用卡 尔曼滤波器可以对有色噪声系统进行状念估计：预测控制理论可以对大滞后过程进行有效 的控制。但是它们都有一个最基本的要求：需要建立被控对象的精确数学模型。随着科学 技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统在控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能 力等方面的要求也越来越高，所研究的对象也只益复杂。然而由于一系列原因诸如被控 对象或过程的非线性、时变性、参数问的耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂，各 种不确定性以及现场测量手段不完善等等，使得数学模型难以精确建立。虽然常规自适应 控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂破控对 象，采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验 的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对事物进行识 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 别与判断，看起来似乎不经意的控制常常可以达到很好地控制效果。这是因为操作人员是 通过不断学习、积累丰富的操作经验来实现对被控对象进行控制的，这些经验包括对被控 对象特征的了解、在各种情况下相应的控制策略以及性能指标判断。这些信息通常是以自 然语言的形式表达，其特点是定性的描述而不是定量的描述，所以具有模糊性。由于这种 特性使得人们无法用现有的定量控制理论对这些信息进行处理，于是需要探索出新的理论 与方法。z a d e h 教授提出的模糊集合理论，其核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分 析的数学模式，使自然语言能直接转化为计算机所能接受的算法语言。模糊集合理论的诞 生，为处理客观世界中存在的模糊性问题，提供了有力的工具。同时，也适应了科学发展 的需要。正是在这种背景下，模糊控制理论作为控制理论的一个重要应用分支便应运而生 了。模糊理论的引入，可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，对 复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维方式的处理，为模糊控制器的研究奠定了理论基 础。目前，国内外模糊系统核心部分都是采用z a d e h 教授提出的基于f u z z y 集的合成推理方 法来实现对f u z z y 集的隶属度的描叙。 在模糊控制研究中有几个公认的基本问题，第一个是如何解决模糊控制中关于稳定性 和鲁棒性分析，第二个是系统的设计方法( 包括规则的获取和优化、隶属函数的选取等) ， 第三个是控制系统性能( 稳态精度、抖动及积分饱和度等) 的提高。围绕上述几个基本问题， 国内外学者在对加强系统的稳定性和鲁棒性分析、系统的设计方法、控制系统性能的提高 等几个基本问题研究的同时，利用神经网络、自适应、遗传算法等思想进行交叉学科的结 合研究。研究对象从单变量系统扩展到多变量系统，扩展了应用范围，取得了许多重要的 成果。而我国对模糊控制理论与应用地研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模 糊辨识、模糊聚类分析等领域中都取得了有实际影响的成果。伴随着计算机技术的发展， 运用计算机仿真方法加快了模糊控制器的性能研究步伐。一些高校及科研单位的专家学者 都加入到研究队伍之中。在模糊控制方面，最早取得应用成果的是英国伦敦大学教授 e h m a m d a n i r ，1 9 7 4 年他利用模糊控制语句构成模糊控制器。首次将模糊控制理论应用于 蒸汽机及锅炉地控制当中，并取得了优于常规调节器的控制品质。其控制方法的特点是把 人的经验转化为控制策略，为模型未知的复杂系统控制提供了简便的模式。随后，荷兰、 丹麦、美国与同本的学者相继将模糊控制方法成功地应用在温度、热水装置、压力与液面、 十字路口交通枢纽指挥、水泥窑生产与汽车速度等自动控制系统中。1 9 7 9 年英国的 lj p r o c y k 和e h m a m d a n i 提出了一种自适应模糊控制器，它可在控制过程中不断修改和 调整控制规则，使控制系统的性能不断完善。它标志着模糊控制器“智能化”程度进一步 向高级阶段发展。 到了八十年代未，在同本兴起了以模糊控制为主题的高科技领域革命，其成果己被广 泛地应用于各个领域，使得日本在模糊控制理论研究和应用中得到了迅速的发展。与此同 时，其他国家也不甘示弱，美国也投入了相当大的人力和财力，支持模糊控制理论与应用 的研究。美国国家航空与航天局( n a s a ) 曾实验把模糊控制用于航空系统。有文献表明，在 航天器空| 日j 对接的研究中，国外已将模糊控制应用于绕飞和逼近阶段的控制，克服了难以 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 建立精确数学模型的困难。在空1 日j 机器人的控制系统中应用模糊控制，使其对负载和工作 条件的变化有很强的适应性。日本九州大学的户贝博士与山川教授分别丌发了将模糊推理 作为硬件的模糊集成块，后来制成了推理机及模糊控制用的“模糊计算机”。模糊集成块 的研究除同本外，中、美，英等国都在进行，它将朝着体积小、速度快、应用范围广等方 面迅速发展。从而为模糊控制的实用性提供了强有力的硬件支持。所有这些努力都极大地 加强了模糊控制理论研究和应用的效果。国内在模糊控制应用方面也同样取得了显著成 果。由刘增良教授主持完成的“模糊控制计算机系统”和“基于因素神经网络理论的学习 型模糊推理控制机”，其成果达到了世界先进水平。 2 0 世 2 9 0 年代，模糊控制软件与硬件技术的完善，为模糊控制技术的实现提供了更好 的发展空问。近年来，随着模糊控制的广泛应用，模糊硬件和软件产品使模糊控制向更高 一级的领域扩展，如机器人定位系统、汽车定位系统、智能车辆高速公路系统。可以预料 的是，随着科学技术的发展，模糊控制理论的应用范围将会更加广泛。 随着工业发展与控制要求的提高，以及控制理论的发展，过程控制除简单控制系统外， 串级、比值、前馈、选择性、均匀控制等各种复杂控制系统和解耦、时滞补偿、推断预估、 非线性、状态反馈、双重、自适应、人工神经元网络、模糊、智能等高级控制系统也将迅 速发展起来。 2 2 模糊理论基础 2 2 1 模糊集合的定义及表示方法。“1 模糊集合是模糊数学的基础，它是由经典集合理论发展而来的。z a d e h 在1 9 7 5 年提出 模糊集合( f u z z ys e t ) 的概念，在经典集合基础上将特征函数的取值范围从 0 ，1 两值扩 大到区间 0 ，1 。其隶属度函数是在区问 0 ，1 上的一个连续函数。 在经典集合论中，不承认差异的中介过渡，即对于某一集合来说，其元素要么属于它， 要么不属于它。从映射的角度来晚，经典集合的特征函数的值域为 o ，1 ) ，而不是 o ，1 。 因而经典集合论是无法描述带有不精确的，不完全的，或模糊的信息。而f u z z y 集承认差 异的中介过渡，也就是说承认渐变的隶属关系，因此模糊集合是经典集合的一种推广。 列举法仅用于有限集，所以其使用范围有限，在模糊理论中描述法则比较常用。在描 述法中集合a 可以表示为 爿= b u i 彳满足条件 ( 2 - 1 ) 还有一种表示集合a 的方法，那就是隶属度法 1 1j a 一( 工) = o芒省 ( 2 2 ) l 集合a 等价于其隶属度函数“) 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 定义2 1 论域u 上的模糊集合是用隶属度函数以( z ) 来表征的，一o ) 的取值范围是 0 ，1 。 u 上的模糊集合a 可以表示为一组元素与其隶属度值的有序对的集合，当u 连续时，a 可 以表示为 4 5l 以( 工) 肛 ( 2 3 ) 当u 为离散值时，a 可以表示为 a = 以( z ) 肛 ( 2 4 ) 对于论域u 上的模糊集合a ，最常用的模糊集合表示方法为扎德表示法。 当u 为有限集合伽，“：， 时， 4 ：剑+ a ( u 2 ) 剑：宇剑( 2 - 5 ) “l“2“月一i = 1 “j 式中：4 ：兰丝，这里并不是表示“分数”，而是表示论域中的元素坼与其对应的隶 “， 属度。( “，) 之间的对应关系；“+ ”也不是表示“求和”，而是表示模糊集在论域u 上的整 体。5 1 我们可以总结出模糊集合的几个重要特征，模糊集合描述现象的特征通常是模糊的， 但模糊函数本身并不是模糊的。它是精确的数学函数，只是用隶属度函数表征了模糊的性 质。另外一个特征就是模糊集合与其隶属度函数是一一对应的关系，也就是说给出一个模 糊集合必须有与之对应的隶属度函数，反过来给出一个隶属度函数也仅能表达一个模糊集 合。 2 2 2 模糊集合的运算 模糊集合有很多运算关系其中主要的有以下几种 模糊补： 令映射c ：【0 ，1 _ 【0 ，l 】表示由模糊集a 的隶属度函数向其补集的隶属度函数转换的映 射，即 d 。o ) 】= 。( j ) ( 2 - 6 ) 模糊并： 令s ：【0 , 1 x 【o ，l 】哼 o ，l 】表示由模糊集a 和b 的隶属度函数到a 和b 的并集的隶属度函 数的映射，即 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 虹一( j ) ，i ( j ) 】= u 口( x ) ( 2 7 ) 模糊交： 令f ： 0 ，l 】 0 ，l 】斗1 0 ，l 】表示由模糊集a 和b 的隶属度函数向a 和b 的交集的隶属度函 数转换的一个函数，即 t t a ( x ) ，日( 石) = 日( x ) 概率算子：设a ，曰f ( u ) ，则 ( 1 ) a 与b 的代数积记作a 口，运算规则如下： 。( “) = 。0 n 。o ) ( 2 ) a 与b 的代数和记作a + b ，运算规则如下： ，0 ) = 。0 ) + 。0 ) 一0 皿。0 ) a + 口 有界算子：设爿，b f ( u ) ，则 ( 1 ) a 与b 的有界积记作爿o b ，运算规则如下 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 。0 ) = m a 】( ( 0 ，。0 ) + 。0 ) 一1 ) ( 2 1 1 ) ( 2 ) a 与b 的有界和记作一o b ，运算舰则如下： 。0 ) = m i n ( 1 ，。0 ) + 。0 ) ) 设论域【，= “，“：，“。，“， 中的两个模糊子集为： ( 2 一1 2 ) 0 7 0 510 40 ，3 0 6 0 50 30 2 0 1 爿= + + + 十 占= + + + + u lu 2“3 u 4 “5h 2 “3u 4“5 0 7 v 0 60 5 v 0 5 1 v 0 30 4 v 0 20 3 v 0 1 以u f = + + + + 雒l“2“， o 70 510 40 3 = + + + + “j“2“3“4“5 0 7 0 60 5 0 5 1 o 3 0 4 0 20 3 0 1 爿n b = + + + + “lu 2“3u 4 u 5 0 60 50 ，30 20 1 = + + + + “i“2 “3u 4“5 2 2 3 模糊关系及其合成 经典关系表达的是集合问的清晰关系，即集合| 日j 要么有关系，要么没有关系。但对某 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 些关系来说，很难给出一个0 - 1 的评价。而模糊关系是一个定义在清晰集u 1 ，u 2 ，u 3 ， u n 的笛卡儿积上的模糊集。用模糊集的表示方法，可将ux u ：以上的模糊关系q 定义为如下模糊集合： q = m ，“：，l 心0 ，“：，) 】0 ，“：，) eu u n ( 2 1 3 ) 其中，：u 址”u - - 【o ，1 】。 令p ( u ，v ) 和q ( v ，w ) 表示两个共用一个公共集v 的清晰二元关系。定义p 和q 的合成为u x w 中的一个关系，记作p 。q ，它满足g ，z ) p 。q 的充要条件是至少存在一个 y v 使g ，_ y ) p 且( ) ，z ) q 。通过使用关系的隶属度函数表达式，可以得到个等价定 义： 对任意g ，z ) u w 当且仅当，。屯“，z ) = m 。a x t f ，g ，y l 如y , z ) 】时，p o q 是p ( u ，v ) 和q ( v ，w ) 的合成。 2 2 4 模糊条件语句 ( 1 ) “如果a 那么b ”( i fat h e nb ) 模糊条件语句“i fat h e nb ”取决于二元模糊关系r ，其模糊关系为 r = a u x b 隶属度函数为 胁g ，) = ，。g ，y ) = 【1 一。g ) 】v “g ) v 鳓) ( 2 - 1 4 ) ( 2 ) “如果a 那么b 否则c ”( i fat h e nbe l s ec ) 模糊条件语句“i fat h e nbe l s ec ”取决于二元模糊关系r ，其模糊关系为 r = 0 口) u c ) 隶属度函数为 。g ，y ) = k 。g ) 。) 】v 【( 1 一z 。g ) ) n ，o ) 】( 2 - 1 5 ) ( 3 ) “如果a 且b 那么c ”( i faa n dbt h e nc ) 在模糊控制中，这种条件语句用的相当多，使用中一般a 表示偏差，用b 表示偏差变 化率，用c 表示输出，这取决于一个三元模糊关系r ，其模糊关系为 r = a b c ( 2 1 6 ) ( 4 ) “如果a 且b 且c 那么d ”( i faa n dba n dct h e nd ) 在模糊控制中，这种条件语句一般用于三输入单输出，这取决于一个四元模糊关系r ， 其模糊关系为 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 r = f a b x c ) x d ( 2 1 7 ) ( 5 ) “如果a 或b 那么c 或d ”( i fao rbt h e nco ro ) 其模糊关系r 为 r = 【( 爿u 曰) ( c u d ) 】u i ( 爿u 口) 。v j ( 2 一1 8 ) ( 6 ) “如果a 且b 那么c 且d ”( i faa n dbt h e nca n dd ) 这类模糊条件语句在双输入和双输出的模糊控制中，还可以扩展，其模糊关系尺r ：为 r 。= 0 b ) x c r ：= ( a b ) x d ( 2 1 9 ) 由此可以扩展到更般化的情况“如果a 1 且a 2 那么b 1 且b 2 ”，这类模 糊条件语句反映的是一个多输入多输出的模糊条件语句。 2 2 5 模糊集的特征描述 用模糊集合来表示一个模糊概念的外延，它必然包含着大量的信息，我们可以定义下 面的一些数字特征量，来综合描述模糊集中所包含的这些有用信息。 ( 1 ) 模糊度 模糊度是用来度量模糊集合模糊程度的一种数字特征量。 定义2 2 设论域u ，模糊集j f ( u ) ，d ( j ) 是定义在f ( u ) 上的一个实函数，如果 满足 1 ) d ( 彳) 【0 ，1 】，对任意j g u ) 。 2 ) 彳转化成一个清晰集合，当且仅当d ( 彳) = 0 。 3 ) 若j 的隶属度函数心( p ) = o 5 ，则d ( j ) = 1 。 4 ) 若u 上的两个模糊集合j ：心( p ) 和百：心( p ) ，对于v p u ，满足 j ( 已) 占( p ) 0 5 或p j ( p ) j ( p ) 蔓o 5 则d ( j ) d ( 百) 。 5 ) 对任意j f ( 【，) ，有：d ( j ) = d ( 一j ) 。 则称d ( 彳) 为定义在f ( 上的模糊度。 从e 述定义可知模糊度的内在含义是：确定的清晰集合( 包括空集) 没有模糊性，故 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 其模糊度最小为0 ；隶属度越靠近0 5 的模糊度越大：模糊集和它的补集具有相同的模糊 度。 ( 2 ) 确定度 确定度是模糊度的一种反向概念。对任意清晰集合的确定度应该是最大为l ；隶属度 函数心( e ) ；0 5 的模糊集合的确定度应该是最小为0 。 定义2 3 设论域u 为实数域上的有界可测集，则模糊集j 对于v f e u ，心( p ) 的确 定度定义为 c l p ( a ) =0 1 ) ( 2 2 0 ) 由上述定义可知，确定度的确是模糊度的一种反向概念，亦可用d ( j ) = l c l 。( 爿) 来 作为模糊度的定义。 2 2 6 模糊推理 在模糊推理中，模糊逻辑原理常用于将模糊规则库中的模糊i f t h e n 规则组合成一个 从u 上的模糊集a 到v 上的模糊集b 的映射。模糊i f t h e n 规则可以解释为输入一输出 空间u v 中的一个模糊关系。如果模糊规则库仅由一条规则组成，则就可以一个由u 上 的模糊集a 向v 上的模糊集b 的映射。因为任意一个现实的模糊规则库都是由一条以 上的规则组成的，我们只需要把所有的规则组合到u v 中，并将这一模糊关系与i f t h e n 语句关联起来。 i fx 为at h e n y 为b 我们可以把x 看为输入，y 看为输出。这样就形成了一个x 到y 映射，通过模糊语句 将输入和输出关联起来。 直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，但我们可以利用模糊控制器本身的解 耦特点，通过模糊关系方程分解。在控制结构上实现解耦，即将一个多输入多输出的模糊 控制器分解成若干个多输入单输出的模糊控制器，利用这种方法来消除多变量模糊系统白j 耦合的影响，即 i faa n dba n d t h e nuvw 变成i faa n dba n d t h e no a n di faa n dba n d t h e nv a n di faa n dba n d t h e nw 为求控制系统的模糊关系，在这罩我们可以把脱硫控制系统简单化变成双输入单输出 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 的一个系统。我们可设a 、1 3 、c 分别论域、巧、。上的集合，其蕴含关系为0 口) 一c ， 其模糊关系矩阵为r = a x b x c 或r ( u ，v ，) = 爿“) 占o ) 、c ( w ) 设论域u = 扛。，：，吒 ， y = 6 l ，6 2 ，岛 ，= c l , c 2 , c , ，已知爿= 去 o 。4 ：+ i o ，曰= o 岛j + i 0 6 + 者，c = 0 c 1 j + o 。：+ 丢， 求输入分别为爿：旦+ 堕+ 坚， a la 2a 3 我们可得模糊关系r ，且 将a b 按行展开成列向量为 肚警+ i 0 9 + 旦b 3 b 3 时输彬。 6 6 1 r = a b c 叫争嘶t ， = 雌0 6 嗣 兄7 = r = r 1 7 c = 咒7 x ( o 3 01 , 0 ) 叭叫o o o 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 r =0 301 0 ) 最后可求的 c = 0 b + ) 。r 将r 线性展丌成行向量为 r ，= 爿曰+ r0 0 = lo 4o 5 l o 4 o 7 = 怪 0 r 7 = ( o 0 0o 40 50o 4o 7 0 ) 故我们可得到 c = r 2 7 。r = ( o 3 0o 4 ) 即c ：o 3 + 旦+ 塑 q乞巳 通过如上所叙方法我们可以把多输入( 铁水原始硫u r s 、铁水原始温度、所处理的 铁水量如、预期脱硫百分比五。、颗粒镁含会属镁量z 垤。) 多输出( 转子给料器变频电 机的转速h 。：、流量调节阀的丌度，。) 的复杂控制系统，通过解耦变成多输入单输 叭o o o m叭o o o o o o o o o o o o 1 3 3 l 3 叭叭吣o o o 9o4 、 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 出的相对简单的控制系统。这样不仅可以降低系统的复杂程度，还可以提高检索速度。 2 3 小结 本章首先阐述了模糊集、模糊运算及模糊推理的相关知识，并对模糊控制系统的原理 和组成进行了说明。本文所列部分只是模糊理论当中的一部分，这其中以本课题用到的和 与本课题有关的为主。 其中通过控制结构本身的模糊关系方程进行解耦，这样在模糊控制器的设计和实现上 带来很大方便，并得到了简化。 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 第三章专家控制系统 专家控制系统是一种基于知识和规则库的模糊控制方法。它通过采样获取被控量的 值，然后将获取值与给定值比较得到误差信号，把误差信号的精确量模糊化变成模糊量， 再将模糊量与模糊控制规则r 进行对比，根掘推理合成规则进行决策，最后得到模糊控制 量，将所得到的模糊控制量进行解模糊，通过模块的输出来控制系统的运行。 3 i 专家系统概述 专家系统实际上是基于知识库的推理系统，一个专家系统中知识表示的恰当与否不仅 与知识的有效存储有关，也直接影响知识的获取能力和推理效率。专家系统求解问题的基 本原理在于将问题求解过程转化成状态空间的搜索问题，用求解问题的己知事实构成初始 状态，问题的展终解答构成目标状态，初始状态与目标状态之间充满不同层次的子目标状 态，求解过程就是利用推理机在整个状态空间中寻找一条初始状态到达目标状态的路径。 在专家系统中使用模糊集和模糊逻辑来表示、处理知识的不确定性与不精确性。它运用的 知识和处理的对象是模糊的，有其独有的特征。 专家是一个在特定领域罩具有专门知识的人。专家能够解决大多数人所不能解决或是 不能高效地解决的问题。专家系统利用大量的专业知识以解决只有专家才能解决的问题。 当专家系统在2 0 世纪7 0 年代最初发展起来时，专家系统特指包含专家知识。然而“专家系 统”这一术语在今天适用于任何应用专家系统技术的系统。专家系统技术包括专门的专家 系统语言、程序和为了辅助专家系统开发和执行而设计的硬件。 专家系统有许多特征： ( 1 ) 适应性强 专家知识在任何计算机硬件上都是可利用的。实际上，专家系统是专家知识的集成体。 ( 2 ) 成本低 提供给用户的专家知识成本非常低。 ( 3 ) 危险性低 专家系统可用于那些可能对人有害的环境。 ( 4 ) 持久性 专家知识是持久的，不像专家那样会退休，或者死亡，专家系统的知识会无限的持续。 ( 5 ) 复合专家知识 复合专家知识可以做到在白天或晚上的任何时候，同时和持续地解决某一问题。由几 个专家复合起来的知识，其水平可能会超过一个单独的专家。 ( 6 ) 可靠性强 专家系统可增强正确决策的信心，这是通过向专家提供一个辅助观点而得到的： 此外，专家系统还可协调多个专家的不同意见。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 知识库 知识库管理系统所管理的对象是知识，在讨论知识库管理系统之前首先要讨论知识。 尽管由于知识本身在表示的复杂性以及人们对知识理解的多样性，而造成对知识概念的某 些不一致，甚至混淆，然而我们还是需要对知识有一个共同的理解与解释，以便对知识库 系统地研究能够顺利进行。 知识是人们在长期生活、社会实践、科学研究和实验中积累起来的，对客观世界的认 识和经验。就知识的作用范围柬划分，知识可分为常识性知识和领域性知识。就知识的表 示范围来划分，知识可分为事实性知识、过程性知识和控制性知识。 从广义上讲，知识是一种用符号表示的