（计算机应用技术专业论文）智能除草装置控制系统研究与设计.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：l 习玮 2 0 “年6 月b 日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：闫玮 刈年6 月b 日 指导教师签 饥- 1 年占 江苏大学硕士学位论文 摘要 针对农订1 草害的严重性及喷施除草剂所附带的污染等问题，研究高效可行、 降低环境污染的智能除草方式成为当前的研究热点，在节约、环保的同时有利于 农业的可持续发展。智能除草控制系统为一个复杂的系统，具有时变性、非线性 干扰等特点，难以建立精确的数学模型，使用传统的控制方法很难达到良好的控 制效果，采用模糊p i d 控制策略则可以发挥模糊控制及p i d 控n - - 者的特性， 达到良好的控制效果。 本文对智能除草装置的控制策略进行研究与设计，并进行了仿真及实验，在 此基础上验证控制策略的控制效果。论文首先进行了模糊控制及p i d 控制的理论 概述，分析各自的不足，在此基础上介绍了二者相结合的模糊p i d 复合控制策略， 对模糊p i d 控制的特点及结构进行了详细的阐述。 在模糊p i d 控制的基础上，首先分析了智能除草装置在室外作业中，影响精 确喷施的主要因素，在此基础上设计了对应的模糊p i d 控制模型，并在其中引入 了超代遗传算法对p i d 的参数进行遗传优化，从而保障智能除草在处理非线性及 外部干扰上具有更好的鲁棒性，并加快参数优化收敛速度及缩短控制算法运行时 间。 最后，论文对智能除草装置的模糊p i d 控制策略进行喷药量的仿真，在相同 的初始条件下，与传统的控制策略进行对比分析，分析控制效果的优劣。仿真结 果表明，本文设计的控制策略优于传统的控制策略，表现出了良好的控制性能及 响应特性，具有较强的自适应和抗干扰能力。同时进行了智能除草装置控制策略 的室内实验，实验结果验证了遗传优化的模糊p i d 控制算法的合理性和有效性， 表现出的良好的控制效果，也表明了该控制系统响应准确、快速，能够满足实际 生产的要求。 本文研究对提高智能除草装置的喷施效果有较强的现实意义，同时也对研发 智能控制系统提供了一定的参考价值。 关键词：模糊p i d ；精确喷施；遗传算法；参数优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt e r m so ft h eg r a v i t yo ff a r m l a n ds p r a y i n ga n da d d i t i o n a le n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n so fs p r a y i n gh e r b i c i d e s ，t h ed e s i g no fe f f i c i e n ta n dl e s sp o l l u t e dw e e d i n g s y s t e mb e c o m e st h ed e v e l o p m e n tt r e n d ，w h i c hi sg o o df o re n e r g yc o n s e r v a t i o na n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r e a sac o m p l e xs y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e mo f i n t e l l i g e n tw e e d i n gd e v i c eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fn o n l i n e a ra n dt i m e v a r y i n g ， w h i c hi sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ha c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lb yu s i n gt r a d i t i o n a l c o n t r o lm e t h o d s b yu s i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ff u z z yp i d ，t h ec o n t r o ls y s t e mc a n p l a yb o t hp r o s p e r i t i e so ff u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o la n da c h i e v eb e t t e rc o n t r o l e f r e c t t h ep a p e rd e s i g n sa n da n a l y s i st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ei n t e l l i g e n tw e e d i n g d e v i c e ，a n dm a k e sas e r i e so fs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t st ov e r i f yt h ec o n t r o le f f e c t f i r s t l y , t h ea r t i c l ei l l u s t r a t e st h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o la n dt h e n a n a l y s i st h ed e f i c i e n c i e so ft h e m b a s e do nt h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o la n dp i d c o n t r o l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o m b i n a t i o no ft h e m f u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g ya n d d e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo ft h ef u z z yp i dc o n t r o li nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h ea r t i c l ea n a l y s i st h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t i n gt h ep r e c i s i o n s p r a y i n go u t d o o rb a s e do n t h ef u z z yp i dc o n t r o l ，a n dd e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n gf u z z y p i dm o d e l b yu s i n gh y p e r - g e n e r a t i o na l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fp i d ， t h ei n t e l l i g e n tw e e d i n gd e v i c ec a no b t a i nb e r e ra c c u r a c ya n dr o b u s t n e s si nd e a l i n g w i t he x t e r n a la n dn o n l i n e a rd i s t u r b a n c e s ，w h i c hc a ns h o r t e nt h er u n t i m eo fp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o na n d a c c e l e r a t et h es p e e do fc o n v e r g e n c e f i n a l l y , t h ep a p e rm a k e st h es i m u l m i o no ff u z z yp i d c o n t r o ls t r a t e g yo nt h eb a s i s o fs p r a y i n ga m o u n t i nt h es a m ei n i t i a lc o n d i t i o n s ，t h ea u t h o rm a k e sac o m p a r a t i v e a n a l y s i sb e t w e e n t r a d i t i o n a lc o n t r o l s t r a t e g y a n df u z z yp i dc o n t r o l s t r a t e g y c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yd e s i g n e di nt h i s a r t i c l eh a ss o m ea d v a n t a g e si ns e v e r a la s p e c t ss u c ha ss e l f - a d a p t i v e t h ea r t i c l ea l s o m a k e sas e r i e so fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e i i i 江苏大学硕士学位论文 a n dr e a s o n a b l eo ff u z z yp i dc o n t r o l l e rb a s e do ng e n e r i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n b e s i d e s ，t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t t h ec o n t r o ls y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f a c c u r a t ea n dq u i c kr e s p o n s e ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f a c t u a lp r o d u c t i o n t h et h e s i sh a ss t r o n gp r a c t i c a lv a l u et oi m p r o v et h es p r a y i n ge f f e c to f i n t e l l i g e n t w e e d i n gd e v i c e ，a sw e l la ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rd e v e l o p i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e m k e y w o r d s ：f u z z yp i d ；p r e c i s i o ns p r a y i n g ；g e n e r i ca l g o r i t h m ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内研究现状l 1 3 论文的研究内容3 1 4 论文组织结构4 第二章模糊p i d 控制算法6 2 1 模糊控制的理论基础6 2 1 1 模糊控制的原理6 2 1 2 模糊控制的设计方法7 2 1 3 模糊控制的特点一9 2 2 模糊p i d 控制器l o 2 2 1 模糊p i d 控制器的结构l o 2 2 1 模糊p i d 控制器的设计1 1 2 3p i d 在智能除草装置中的应用1 3 2 3 1 精确喷施控制的必要性1 3 2 3 2 除草装置的p i d 控制器一1 4 2 4 本章小结1 4 第三章超代遗传算法在模糊p i d 控制器中的研究15 3 1 基于遗传算法的模糊p i d 控制器设计1 5 3 1 1 遗传算法的工作原理及基本操作1 5 3 1 2 基于遗传算法的模糊p i d 参数优化1 6 3 2 超代遗传算法h g 。g a 一l8 3 2 1 超代遗传算法的原理及特点1 8 3 2 2 超代遗传算法的时域分析2 1 3 3 基于h g g a 的模糊p i d 控制系统优化设计2 3 3 3 1 智能除草控制系统的控制器设计2 3 3 3 1 1 变量的模糊化及其隶属函数的确定2 4 v 江苏大学硕士学位论文 3 3 1 2 建立模糊参数变化规则表_ 2 6 3 3 1 3 模糊推理和模糊运算2 6 3 3 2 基于h g g a 的模糊p i d 控制器优化2 7 3 4 本章小结2 8 第四章智能除草控制系统的设计2 9 4 1 智能除草装置总体架构2 9 4 1 1 实时杂草识别系统3 0 4 1 2 喷施系统3 l 4 1 3 速度，位移传感器模块3 2 4 1 4 流量传感器模块3 4 4 2 智能除草控制系统硬件设计3 4 4 2 1a v r 智能模糊p i d 控制器一3 4 4 2 1 1 微控制器的选择。3 4 4 2 1 2 串口通讯模块3 5 4 2 1 3 定时计数器模块3 7 4 2 2 传感器信息读取模块。3 7 4 2 2 1 流量传感器信息读取3 7 4 2 2 2 速度位移传感器信息读取一3 8 4 1 3 电磁阀控制模块4 0 4 3 智能除草控制系统软件设计4 0 4 3 1 与上位机的串口通信4 0 4 3 2 传感器信息读取及电磁阀控制模块4 2 4 3 3 基于智能除草的模糊p i d 控制器设计4 5 4 4 本章小结4 7 第五章智能除草系统仿真与实验研究4 8 5 1 基于智能除草的模糊p i d 仿真4 8 5 2 实验及结果分析4 9 5 2 1 与实验台的联接4 9 5 2 2 模糊p i d 控制器的实验研究5 1 v i 江苏大学硕士学位论文 5 3 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 论文总结5 3 6 2 研究展望一5 4 参考文献5 5 致谢5 9 攻读硕士期问参与的科研项目和发表的文章一6 0 v i i 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 农田草害作为一种世界性问题，严重影响着农业的增收，据联合国粮食与农 业组织报道，全球每年因杂草问题导致的粮食生产损失高达9 5 0 亿美元。杂草每 年对粮食生产造成的危害，以当前价格计算，相当于损失了3 8 亿吨小麦，在9 5 0 亿美元的经济损失中，贫困的发展中国家承受了大约7 0 0 亿美元。该组织同时表 示，若考虑农民在田间消耗半数以上的时间用于除草的话，杂草造成的实际损失 将会更高，因此，要提高农业生产力，控制杂草生长就是必须要考虑的问题之一。 在我国，常用的除草方式是人工除草、机械除草及化学除草，而化学除草作 为最主要的除草方式，在造福人类的同时，也带来了诸多的负面影响，如化学药 剂的喷洒引起的水土、空气及农作物污染，同时，化学药剂的大面积喷施也造成 了严重的浪费。由于采用传统的粗放型作业方式，我国的农业生产水平与西方国 家相比存在较大的差距，因此，为了提高我国农业在国际市场的竞争力，采用科 技手段来降低农产品成本与质量的新农业模式势在必行。 研制可行高效、降低环境污染的智能除草方式在精确农业、保护性耕种等技 术的发展带动下成为了人们的研究热点，其不仅有利于农业的可持续发展，也符 合环保、节约的理念。在精确农业领域中，精确变量喷施技术作为一个重要的研 究方向，其核心是通过机器视觉技术识别出田间杂草f 2 】【3 1 ，记录相应的杂草密度 及位置信息，再通过智能除草控制系统控制对应喷头的开启，从而实现农药的精 确喷施，达到减少人力资源消耗量，减少药剂的使用量，提高农产品品质，促进 农业生产现代化，保护生态的目的。 1 2 国内研究现状 随着计算机技术的不断发展，特别是图像处理和人工智能等技术的日趋成 熟，通过机器视觉开发的智能除草技术得到了很大的发展。智能除草装置代替人 类手工除草及化学除草的方式，解放了劳动力，提高了农业设备的自动化及智能 化。国外从上个世纪9 0 年代便开始了农药的可变量喷施研究，经过数十年的研 l 江苏大学硕士学位论文 究探索，已形成一系列较为成熟的农药可变量喷施系统【4 】【5 】【6 】。 g i l e s 等研制了一种基于机器视觉的精确喷药装置【7 】，它以机器视觉作为系 统的导向机构，喷头位于目标作物的正上方，并可以根据目标作物的宽度自动调 整喷头相对于前进方向的偏转角度，从而保证药剂的合理、正确的喷施。与传统 的化学药剂喷施对比，减少了2 3 的药剂使用量，降低了土壤及空气污染。 w o ns u kl e e 等( 1 9 9 8 ) 开发出一台用于实时控制f 丌间杂草的智能除草系统【8 l ， 它由一个机器视觉系统和一个精确化学应用系统两部分组成。通过处理每帧 2 5 6 * 2 4 0 的图像，在以1 2 k m h 的速度在田间行走中，实现了对杂草的智能喷施， 对杂草的识别及喷施率达到了6 8 一7 3 。 l a m m 等( 2 0 0 2 ) 开发了一个用于棉田的机器人除草系统【9 l ，通过机器视觉技 术获取实时的图像信息，识别出杂草及棉花并生成对应的喷施信息，通过r s 一2 3 2 信息传送到微控制器，微控制器通过控制电磁阀组中相应喷头的开启，将药剂喷 洒于目标杂草上。在进行的田间实验中精确喷施率达到了8 0 。 h t s o g a a r d ，i l u n d ( 2 0 0 6 ) 研制了一种基于机器视觉的除草机器人i i o l ，通过 机器视觉采集目标图像，利用形态特征识别杂草，经p c 处理后得到相应的控制 信息，将其送到微控制器控制喷头喷洒药剂除掉目标杂草。该系统由1 0 0 m m 长 的喷雾杆组成，上面均匀分布着2 0 个微型喷嘴，每个微型喷头由1 2 v 的直流电 磁阀控制；机器人行驶速度则由光电编码器来测得。室外作业中，在达到了精确 喷施的同时，减少了药剂的消耗量。 丹麦大学生物与环境技术学院( 2 0 0 7 ) 开发了第二代农田自主移动机器人平 台系统】，在该系统中应用机器视觉技术及g p s 系统用于杂草的检测及位置标 记，并设计了基于形态特征的杂草识别及精确喷施控制系统。t a n g w o n g k i t 等 ( 2 0 0 7 ) 设计了基于机器视觉的甘蔗行间变量喷施系统i l2 1 ，在不同的速度下测试发 现，该系统可以减少至少2 0 的农药用量。 国内将机器视觉技术用于草害控制的研究较晚，在智能除草研究上多注重于 理论研究，研制的变量喷施控制系统也多处于实验阶段【1 3 】【1 4 】【1 5 1 。 赵茂程等( 2 0 0 3 ) 设计了一种基于树木特征图像的实时精确对靶的可变量喷 施控制系统【1 6 1 ，该系统利用c c d 摄像头采集目标特征，由计算机控制的喷头进 行精确对靶喷施，农药喷施系统主要包括流量控制、喷雾控制及反馈系统。该控 2 江苏大学硕士学位论文 制系统的关键是根据输入的设备参数如喷头与目标间距、喷头间距等自动测量树 冠的相关特征参数实现对目标的适量喷施。 陈勇( ：2 0 0 5 ) 开发了一种基于机器视觉和模糊控制原理的智能化树木精确喷 雾施药系统1 1 7 j ，该系统使用脉宽调制原理来实现在不改变喷雾形态的情况下改变 喷雾量，从而实现可变量施药，但由于采用相似的模糊控制规则及一组固定不变 的参数，在非线性的被控过程、时变性及随机干扰等环境因素下无法实现较好的 控制性能。 焦俊生、张伟( 2 0 0 7 ) 的脉宽调制型变量喷雾控制e c u 设计，采用c a n 总线 控制，将流量传感器及压力传感器的信号经控制器送给集成g i s 的嵌入式系统， 再结合接收g p s 所测位计算该处的施药量，传送给脉宽调制变量喷雾控制e c u ， 由p w m 信号发生器及通讯电路将施药量转换成p w m 信号，控制喷头的流量【1 8 】， 大大减少了化学药剂用量。 大体上说，很多针对智能除草的研究集中在更复杂的杂草识别算法上，以牺 牲实时性来达到较高的杂草识别率，在室外作业中因风向、地势不平及光照等各 种不确定干扰，使智能除草装置无法实现良好的喷施控制，因此如何实现精确的 喷施控制成为人们的研究重点。 1 3 论文的研究内容 本论文主要研究如何保证基于机器视觉实时杂草识别技术的智能除草装置 的精确喷施问题，在机器视觉的基础上，对智能除草装置的控制策略进行了研究， 并分析了模糊p i d 控制策略的重要性，它是实现药剂精确喷施、智能除草的重 要途径。然而传统的模糊p i d 控制策略在进行系统优化时响应速度慢，超调时 间过长，运行不太平稳，通过提出一种基于遗传优化的模糊p i d 控制策略，将 遗传优化与模糊p i d 进行有机结合，以保障智能除草装置在处理非线性及外部 干扰方面有更好的鲁棒性。 具体包括： ( 1 ) 对智能除草装置控制系统策略与方案的设计。采用串口通信的方式，将 机器视觉杂草识别系统( 上位机) 采集并处理得到的草害信息传送给智能除草装 置的控制系统( 下位机) ，控制系统通过进行智能决策，控制电磁阀的相应喷头开 3 江苏大学硕士学位论文 启，从而实现农药的精确喷施。 ( 2 ) 基于h g g a 的模糊p i d 控制器的设计。设计了一种基于超代遗传算法 ( h g g a ) 优化的模糊p i d 控制方案，在该方案中，针对智能除草装置的特点，设 计对应的模糊p i d 控制器，并对控制器的p i d 参数进行遗传优化，从而提高系 统的控制效果，加快优化速度。 ( 3 ) 对智能除草装置控制系统进行开发。以a v r 硬件平台作为微控制器，进 行串口通信模块、电磁阀控制模块及传感器信息采集模块( 速度位移及流量传感 器) 的设计；其次，设计模糊p i d 控制器，通过实时处理草害信息实现农药的精 确喷施；最后，通过软件设计实现上下位机的正常通信、信息采集、信息分析处 理及喷施控制等功能，从而实现药剂的精确对靶。 ( 4 ) 对本文设计的控制策略进行仿真分析及实验分析。首先对基于h g g a 的 模糊p i d 控制器进行性能分析，并与传统策略在稳态、响应速度及超调量等方 面进行比较，以评估改进策略的性能；同时，利用上述精确喷施除草装置，进行 室内的杂草实时喷施实验，分析本文中控制策略的优劣，是否满足实时性的要求。 1 4 论文组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章，首先阐述了本论文的研究背景及意义，讲述了农田草害的严重性及 其附带而来的污染等问题，引出智能除草研究的必要性，分析了国内外智能除草 技术的研究现状及发展趋势。在研究智能除草系统特点的基础上，引出本文的研 究内容，最后介绍了论文的组织结构。 第二章，详细介绍了模糊控制的原理、设计方法及特点，并对模糊控制的重 要模块模糊化、模糊控制规则设计及反模糊化进行了详细的阐述；然后介绍了模 糊控制与p i d 相结合的模糊p i d 控制，从模糊p i d 控制的结构及设计两个角度 进行了详细的阐述，分析了模糊p i d 控制策略所带来的优越性。 第三章，首先对对遗传算法的工作原理及特点进行了描述，展示了遗传算法 在模糊p i d 控制中的应用及发展，描述了基于g a 的p i d 参数优化过程；在此 基础上引入了超代遗传算法，在遗传操作层选择、交叉及变异等方面讲述了与常 规g a 的区别。最后针对智能除草装置的控制系统，应用模糊p i d 控制原理设计 4 江苏大学硕士学位论文 了相适应的的模糊p i d 控制策略，利用h g g a 实现参数的遗传优化： 第四章，就智能除草装置的总体架构进行了描述，对它的重要组成部分：喷 施系统、传感器模块及实时杂草识别系统进行了概括。在此基础上，进行了控制 系统的硬件如传感器信息读取模块及串口通信等模块分析与设计。最后阐述了控 制系统的软件设计，涵盖了串口通信中环形队列的设立、数据完整性校验、传感 器模块读取速度参数及如何利用定时计数器实现精确喷施进行了探讨，提出了 该系统的控制策略。 第五章，首先对基于超代遗传算法的模糊p i d 控制策略进行仿真，通过与 传统控制策略的对比来验证其优劣性。最后，在室内建立实验台，进行实时性喷 施实验，验证该系统性能及其实时性。 第六章是论文的总结与展望，总结课题研究的成果，提出以后研究的方向， 展望课题研究的前景。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章模糊p i d 控制算法 2 1 模糊控制的理论基础 1 9 6 5 年，加州大学的扎德教授提出模糊集合论 1 9 1 ( f u z z ys e t ) ，而模糊控制 的实现则是以其为数学基础，与一般p i d 控制的根本区别是模糊控制并不需要 建立控制的精确数学模型，而是使用模糊集合论，把人类专家用自然语言描述的 控制策略提炼成规则，从而模拟人类智能，建立的一种交与计算机处理的输入输 出过程模型。 随着工业的发展和社会的进步，工业控制中的被控对象越来越复杂，难以建 立精确地数学模型，甚至无法建立模型，这些对象通常被称之为不确定系统。对 于这类系统，人们凭借专家知识及操作经验建立模糊控制，便可以取得较好的控 制效果【2 0 1 。 2 1 1 模糊控制的原理 模糊控制器作为一种典型的智能控制方法，是以模糊集合论、模糊规则及模 糊推理为基础的计算机智能控制器l 2 l j ，般通过系统偏差变化及偏差变化率来 实现对工业过程的控制。模糊控制器可不依赖于被控对象的精确数学模型，能够 克服非线性因素的影响，对被控对象的参数变化具有较强的鲁棒性。模糊控制系 统的基本结构如图2 。1 所示，包括模糊化接口、模糊规则库、模糊推理机、解模 糊化和输入输出量化等部分。 其中r 为设定值，y 构成输出，e 和e c 分别是控制输入量的偏差及偏差变化， e 和e c 是e 和e c 输入量化后的语言变量，u 是基本模糊控制器语言变量，u 为 经过输出量化以后的实际输出值。 6 江苏大学硕士学位论文 图2 - 1 模糊控制系统的基本结构 模糊控制作为一种建立在模糊推理基础上的非线性控制策略，表现特征为： 将被控对象领域的专家知识和熟练操作人员的经验，描述成“i f t h e n ”形式的 语言控制规则，i f 的部分作为前提条件，是当前观测到的系统状态，如系统的 偏差变化及偏差变化率等信息；t h e n 部分作为结论，是由前提条件经过模糊推 理得到的，在解模糊化后，将交与系统执行结构执行的精确量【2 2 1 。 由于模糊控制器的结构、采用的模糊规则、模糊决策方式等因素将决定一个 模糊控制系统的优劣，因此设计和调整模糊控制器是过程控制设计中一个重要的 环节，具体的模糊控制器设计包括以下步骤1 2 习： ( 1 ) 模糊化模糊化就是在控制器的输入、输出论域上定义语言变量，通过 隶属度函数计算把精确的输入变量转换为模糊的语言变量，构成模糊集合。 ( 2 ) 模糊规则库模糊规则库主要通过一系列语言控制规则来表征被控对象 的控制策略，把由操作经验和专家知识总结得到的模糊规则存放于此，目的是为 了模糊控制器在进行模糊决策时提供相应的决策依据。 ( 3 ) 模糊推理模糊推理在模糊控制器中，依据输入量等前提条件及模糊控 制规则，通过求解模糊关系方程来获得输出模糊量。 ( 4 ) 解模糊化解模糊化就是将模糊推理得到的模糊量转换为执行机构可以 接受并执行的精确量，即所求值从模糊控制作用空间到精确控制作用空间的映 射。常用的解模糊化方法有最大隶属度法、加权平均法及重心法。 2 1 2 模糊控制的设计方法 模糊控制的实现，则是在专家知识及经验的基础上形成模糊控制策略，构造 模糊控制器。在进行模糊控制时，首先将系统实施采集的精确输入量模糊化转为 7 江苏大学硕士学位论文 模糊输入信息，通过模糊推理实现模糊决策，将其转化为精确量后，反馈给被控 对象。模糊控制器的设计主要包含以下几个方面：模糊控制器输入输出变量的确 定；模糊控制器输入输出变量的论域大小及隶属函数的选择；依据模糊条件语句 设计对应的模糊控制的控制规则；模糊化及去模糊化的方式；模糊控制算法的实 现及合理的系统采样时间选择。 ( 1 ) 输入变量的模糊化 在模糊控制中，输入变量的模糊化是将采集到的精确值转换为模糊推理论域 上的模糊集合之元素，语言变量论域上的模糊子集由隶属函数u ( x ) 来描述，在 分析定义中，常用三角形或正态型函数作为隶属函数。在变量的模糊化等级划分 时，等级划分应当合理不宜太细密，否则无法体现模糊控制的优点。对于误差、 误差变化率及作为输入的语言变量，常常取“大、中、小”三个等级，则量化等 级值为7 ，分别是“负大n b ”、“负中n m ”、“负小n s 、“零z e ”、“正小p s ”、 “正中p m ”、“正大p b ”七个等级。 ( 2 ) 模糊控制规则设计 模糊控制规则本质上就是将控制的实际经验与控制策略相结合，得到的各条 模糊条件语句的集合，它决定了整个控制器的性能和控制效果；模糊控制是建立 在模糊控制规则的基础上，通过模糊规则方可实现模糊决策，因此，模糊控制规 则也是模糊控制器的核心所在。通常将模糊条件语句表达的控制规则总结为模糊 控制状态表，每个模糊条件语句可根据公式( 2 1 ) i - i - 算出模糊关系r i ，然后利用公 式( 2 2 ) n i l 求系统控制规则的总模糊关系【2 4 1 。 ri = ( a b ) ；c ( 2 - 1 ) m r = r l vr 2 v r m = r i ( 2 - 2 ) ( 3 ) 反模糊化 模糊推理的结果是一个模糊子集，它反映了控制语言变量取值不同时的一种 输出组合，不可以直接作为被控对象的控制信号，为了得到控制的精确量，则需 要对模糊量进行去模糊化【2 5 1 。常用的反模糊化方法有以下三种： 1 最大隶属度法 在模糊控制器的推理输出中，最大隶属度法取最大隶属度元素的精确值作为 控制信息，该方法仅仅考虑了模糊推理输出的主要信息，丢弃了一些信息，无法 8 江苏大学硕士学位论文 反映出模糊量的全部信息。 2 中位数法 中位数法全面考虑模糊量所包含的信息，将隶属函数和横坐标所围成的面积 分成相等的两部分，其分界点所对应的横坐标为反模糊化后的精确值。 3 重心法 重心法，也叫做加权平均法，是在模糊推理结果的所有元素中求取重心元素 作为反模糊化的精确值，可以反映出模糊量的全部信息，比较贴近系统的实际情 况，是反模糊化中常用的方法。 2 1 3 模糊控制的特点 模糊控制作为适合非线性控制、多输入多输出、无法建立精确数学模型的过 程控制系统，广泛的应用在工业控制及家电产品的智能化控制等方面。优越性表 现在：( 1 ) 无需知道被控对象的数学模型，可控制各种复杂系统，它的实现主要 依赖模糊规则库。( 2 ) 周期短、低成本，系统有较好的鲁棒性，对环境适应力比 较强，尤其是非线性、时变及时滞系统的控制。( 3 ) 利用语言变量建立的模糊规 则，直观易懂，符合人类的思考方式，易于利用专家已有的知识。 模糊控制规则是建立在正在进行的受控过程作用的直觉理解的基础上，具有 无需建立被控对象的精确数学模型，对被控对象的非线性及时变性有一定的适应 性即鲁棒性好等特点。但同时常规的模糊控制【2 6 】也具有一些缺点和不足： ( 1 ) 随着系统复杂性的提高，直观的经验难以获得，也无法用语言进行精确 的表达；此外，模糊控制中采用的专家经验并非完美无缺，容易受人的主观性的 影响，因此无法建立较好的模糊控制模型。 ( 2 ) 模糊控制的精度也受到量化等级的影响，如果控制系统中的控制动作欠 细腻，就会导致控制系统稳态精度较差，控制效果不佳。 ( 3 ) 模糊控制还未形成完整的理论体系，其工作机制尚未完全揭示，因此控 制器的设计缺乏系统的方法。如模糊规则的确定、隶属函数的选择等方面都没有 固定的模式可以依赖。 作为广泛应用于工控过程中的p i d 控制器，具有结构清晰，通过调整p i d 参数使其适应不同对象的特征。但由于常规的p i d 不具有在线调整参数的功能， 9 江苏大学硕士学位论文 如果将p i d 控制技术和模糊控制结合起来，取长补短，实现对不同偏差e 及偏 差变化e c 对p i d 参数的自调整，则可以发挥两者的优势获得更好的控制效果。 2 2 模糊p i d 控制器 在工业生产过程中，由于控制系统中被控对象会受到非线性干扰、多参数的 强耦合等因素影响，被控对象的特征参数或结构发生变化。自适应控制【2 7 】是在 线辨识被控对象的特征参数，实时改变控制策略，使控制系统的指标保持在一个 最佳的范围内，但其控制效果的优劣取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统 是非常困难的。 随着模糊控制理论的日趋成熟，人们使用模糊运算实现模糊p i d 控制便可 达到良好的控制效果：即将专家知识及操作人员的经验存入计算机，根据现场情 。 况计算机自动调整p i d 参数，如此便实现了自适应p i d 控制。 2 2 1 模糊p i d 控制器的结构 模糊p i d 控制器【2 8 1 作为模糊控制器与p i d 控制器相结合的产物，利用模糊 推理的思想，在系统不断地检测偏差e 及偏差变化率e c 的基础上，通过模糊推 理判断，得到p i d 控制器的修j 下参数a k p ，a k i ，a k d ，从而不断对p i d 的参 数k p 、k l 、k d 进行在线自整定，使其既具有模糊控制器灵活、适应性强的特点， 又具有p i d 控制器控制精度高的特点，从而获得良好的动态及静态性能。其中， 模糊p 1 d 控制器的原理框图如图2 2 所示。 图2 - 2 模糊p i d 控制器结构 1 0 江苏大学硕士学位论文 自适应模糊p i d 控制器设计的核，i i , 是建立合适的模糊规则，得到p i d 控制 器k p 、k 卜k d 整定的模糊控制表。当前模糊规则的建立主要是通过专家知识、 操作人员经验及仿真实验等方法来完成的。 常规的模糊p i d 控制算法可以表示为： k u ( k ) = k pe ( k ) + ki e ( i ) + k 。e c ( k ) ( 2 3 ) i = 0 其中，e ( k ) 、e c ( k ) 分别为被控对象在采样时刻k 的误差及误差变化率，k p 、 k i 、k d 分别为p i d 的比例、积分和微分参数，它们的作用分别表现在： l i , n 系数k p ：加速系统的响应速度，提高调节精度，k p 过大则会加速系统 响应速度，但易产生超调使得系统不稳；过小则会降低系统的响应速度和调节精 寿 j 哆乙o 积分系数k i ：消除系统的稳态误差，k l 越大系统稳态误差消除越快，但容 易造成积分饱和从而导致超调；过小则难消除系统的稳态误差，影响系统响应速 讳字 d o 微分系数k d ：提高系统的动态特性，在响应过程中可抑制偏差向任何方向 的变化，但过大则会导致响应过程提前发生，降低了系统的抗干扰性。 因此，p i d 控制器的三个参数相互制约、相互影响，在被控对象的控制设计 中，应综合考虑系统稳态、响应速度和稳态精度等因素。 2 2 1 模糊p i d 控制器的设计 模糊p i d 控制器的参数在线自整定是根据被控对象的现场状况e ，e c ，在 线调整参数k p 、k l 、k d 。其中不同的e 、e c 对p i d 参数影响2 9 1 如下： 当误差较大时，为使系统有较快的响应速度，应取较大的k p ；为了防止系 统在初始时因瞬时变大的误差而出现的微分饱和( 即超调现象) ，应取较小的k d ； 为了防止系统出现比较大的超调( 即积分饱和现象) ，应对积分作用进行适当的限 制。 当误差适中时，为了保证系统有较小的超调，应取较小的k p ；为了防止k d 的选取对系统造成较大的影响，应合理的调整k d ；当k i 太小时无法加速系统的 响应速度，k i 太大时会造成积分饱和现象，因此也应该合理的调整k i 。 1 1 江苏大学硕士学位论文 当误差较大时，为了加快系统的响应速度，取较大的k p ；为避免系统在初 始时因误差的瞬时增大而出现的微分饱和即超调现象，应取得较小的k d ；同时 为防止系统出现较大的超调，产生积分饱和现象，对积分作用应加以适当得限制。 当误差适中时，为使系统有较小的超调取稍小的k p ；由于k d 的选取但对系 统影响较大，为保证系统速度应合理的调整k d ；k l 太小不能够加速系统的响应 速度，太大会造成积分饱和，因此k i 要适当。当误差较小时，为了保证系统的 持续稳定，应该增加k p 、k i 的取值；为了避免系统在期望值附近出现振荡现象， k d 的取值较为重要：当误差变化比较大时，其取值要大；当误差变化较小时， 其取值要小。 当误差较小时，为了维持系统稳定性，应增加k p 、k l 的取值，为了避免系 统在期望值附近出现振荡，k d 的取值较为重要，当误差变化较大时，其取值要 大；当误差变化较小时，其取值要小。 依被控对象而设计的模糊p i d 控制别3 0 l 大致步骤如下所示： ( 1 ) 确定控制器的输入、输出变量，即确定模糊控制器的维数。通常输入变 量为系统的偏差e 及偏差变化率e c ，输出变量为p i d 的三个参数k p 、k 卜k d 或p i d 的三个修正参数a k p ，、a k i 、a k d 。 ( 2 ) 依据实际系统确定输入、输出变量的变化范围及量化等级。在每