（轮机工程专业论文）fuzzypi控制在振动主动控制中的应用研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以舰船柴油机双层隔振系统为研究对象，对基于f u z z y p i 控制技 术进行了振动主动控制的研究。系统分析了模糊控制器静差存在的原因并 探讨了相应的解决办法以及探讨了模糊控制和p i d 控制的内在联系。 针对双层隔振系统的特点，讨论了两种f u z z y p i 的集成控制策略，并 联和串联控制方法，进行双层隔振模拟实验台架垂直方向的振动控制仿真 研究。研究结果表明，f u z z y p i 的控制策略对周期信号、随机信号都有很 好的控制效果。 从实际系统的输入输出数据对中提取模糊规则，对柴油机双层隔振系 统模拟台架进行了模糊规则自提取的仿真研究。 关键词：双层隔振系统；模糊控制；p i d ；主动控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h et w o s t a g ev i b r a t i o nis o l a t i o ns y s t e mo fm a r i n e d i e s e l e n g i n e s ，a na c t i v ev i b r a t i o n i s o l a t i o nc o n t r o lt e c h n i q u e b a s e do nt h ec o m b i n e df u z z y p ia l g o r i t h m si ss t u d i e s t h ep r e s e n t s t u d ya n a l y z e dt h er e a s o n so fe r r o rp r e s e n c ei nt h es t a b i l i t ys t a t e o ft h ef u z z yc o n t r o l l e ri nd e t a i la n de x p l o r e dt h ec o r r e s p o n d i n g s 0 1 u t i o n s t h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef u z z yc o n t r 0 1 1 e r a n dp i dc o n t r o l l e ri sd i s c u s s e da l s o a c c o r d i n g t ot h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t w o s t a g e v i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m s ，t w of u z z y p ic o n t r o l s t r a t e g i e s ， p a r a l l e l a n d t a n d e m ， a r ed i s c u s s e d t h ec o n t r o ls i m u l a t i v e i n v e s t i g a t i o no fv e r t i c a lv i b r a t i o ni sc o n d u c t e d t h es i m u l a t i v e r e s u l t sc o n f i r m e dt h a tt h eb o t hs t r a t e g i e sa r ee f f e c t i v ef o rt h e p e r i o d i ca n dr a n d o mv i b r a t i o ns i g n a l s t h ef u z z yr u l e sa r ee x t r a c t e df r o m i n p u t o u t p u t d a t ao ft h e t w o s t a g ev i b r a t i o nis o l a t i o ns y s t e m t h es i m u l a t i v ei n v e s t i g a t i o n o ff u z z yr u l es e l f e x t r a c t i o ni sc o n d u c t e do nt h ed i e s e le n g i n e t w o s t a g e v i b r a t i o n i s o l a t i o ns y s t e me x p e r i m e n t a l s e t u p k e y w o r d s ：t w o s t a g ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m ：f u z z yc o n t r o l ；p i d c o n t r o l ：a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ：錾堑廛 日期：枷，够年、月石日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 柴油机动力装置振动控制是目前舰船振动控制领域的重要课题，也是 我国近期国防科技预先研究重点项目之一。研究和探索适用于船舶动力装 置的振动有源控制新技术、新方法，对于提高船舶振动控制水平，特别是 提高舰船的隐蔽性和战斗力具有重要的理论和实际意义。 传统的被动隔振系统能保证良好的高频抑振效果，而对低频( 如小于 2 h z ) 外扰的隔振，由于受到结构空间和保证稳定性的限制，难以发挥作用。 到目前为止，振动主动控制的控制律的设计方法绝大多数都是基于控制领 域的已有成果，但都要根据振动问题的特殊性而加以改进。模糊控制作为 一种非线性的智能控制技术，由于其独特的优点，近年来在理论和工程实 践中得到了广泛的发展和应用。因此将模糊控制技术运用于隔振控制，改 善系统的性能，研究高精度的隔振控制系统是非常必要的。 经典模糊控制器的稳态性能远不如普通的p i d 或p i 控制器，其原因除 了所制定的模糊规则表不佳之外，还有一个重要的原因就是误差和误差变 化量被模糊量化取整而引起的控制器调节死区，以及控制量的分档而引起 的调节过粗。为改善模糊控制器的稳态性能，本文采用模糊- - p i 的复合控 制策略进行振动主动控制仿真研究。 1 2模糊控制技术的发展及应用概况 自z a d e h1 9 6 5 年开创“模糊集”以来，模糊集合论及相应的模糊理 论有了飞跃的发展。1 9 6 8 年z a d e h 首次公丌发表了“模糊算法”，1 9 7 3 年 又发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法。1 9 7 4 年伦敦大学 m a m d a n i 博士首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控 制的蒸汽引擎。t 9 6 5 1 9 7 4 年是模糊控制发展的第阶段，即模糊数学发 哈尔滨工程火学硕士学位论文 展与成形的阶段。 第二阶段大约从1 9 7 4 1 9 7 9 年，这是产生简单模糊控制器的阶段。在 这期间，美国加州一公司率先生产了第一只模糊逻辑芯片。1 9 8 0 年丹麦的 斯密司公司首次应用芯片在水泥烘干机中成功地实现了模糊控制，但其自 适应能力和鲁棒性很有限，稳定性也不够理想。 1 9 7 9 年至今是发展高性能模糊控制器的第三阶段。1 9 7 9 年p r o c k y 和 m a m d a n i 共同提出了自学习概念，使系统性能大为改善。1 9 8 3 年日本富士 电机开创了日本第一项应用水净化处理。1 9 8 7 年日本仙台地铁线采用 了模糊控制器。 今天，模糊控制器技术已经应用到相当广泛的领域中。例如，家用电 器设备已成为主攻市场，诸如智能洗衣机、微波炉、吸尘器、空调机、照 相机和摄录机等。在工业闭环控制系统中有水净化处理、发酵控制、化学 反应釜、水泥窑炉等等。在专用系统和其它方面的应用有地铁控制、电梯、 自动扶梯、蒸汽引擎、声控直升机、纸币识别装置以及机器人等等。 在模糊控制技术的应用开发上，日本起步较早并率先推出商品，而且 逐渐成为这项技术的主导国家。在模糊技术的应用研究方面日本已走在世 界的前列。 从7 0 年代初日本就开展了这方面的研究。1 9 7 2 年日本成立了模糊系 统研究基金会，接着在1 9 8 9 年创建了国际模糊工程研究所( l i e e ) ，并且 在这一年有关模糊技术的产品年产值就达l o 亿目元，其中真正以模糊技术 为核心的产品约占1 亿日元。 据不完全统计，1 9 9 1 年日本模糊控制产品就占全球市场的8 0 左右， 在世界上遥遥领先。可以说，日本差不多垄断了整个模糊逻辑产品的市场。 日本将模糊控制技术作为跨世纪的热点技术，几乎每天都有新的模糊控制 产品问世。 德国政府对模糊控制技术的开发应用极为重视，并已投入8 亿美元进 行模糊逻辑及相关技术的研究。i n f o r m 公司是其主要研究单位之一。第三 代模糊微处理器f l l z z y 一1 6 6 芯片就是由i n f o r m 公司和s i e m e n s 公司联合 研制的， 由于德国本身所拥有的先进工业技术和科研条件，因此在模糊控制技 术的硬件方面，也己毫不费力地走在了世界的前列。 德国是生产和使用小轿车的大国。因此对于汽车驾驶的模糊控制特别 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 感兴趣。1 9 9 1 年春，在汉诺威工业博览会上展出的模糊逻辑操纵的模型汽 车，是为用模糊逻辑研究复杂动态问题的控制作用而制作的。预计在汽车 上应用模糊控制技术德国将会有更多的发展。 在美国，从8 0 年代中期就开始研制模糊控制器。最早应用模糊逻辑控 制的是水泥生产控制。l a f a r g e 公司在世界各地的水泥窑炉中有2 5 个窑炉 采用了包含模糊逻辑的g 2 实时专家系统。并在1 9 8 9 年向市场上推出了 u t 3 5 温度控制器。 在1 9 9 3 年l s 9 3 博览会上展出的具有自调节功能的模糊控制器 ( i f l c ) ，是采用集模糊理论与经典控制技术相结合的产品。它利用模糊 逻辑转换变量和评估模糊规则，把其结果模糊输出转回到传统的单元 ( 诸如阀门位置) 中去。i f l c 是单输入单输出( s i s o ) 控制器，旨在取 代p i d 控制。m f l c 是多输入多输出( m i m o ) 控制器，旨在解决多变量 交互作用或者严格的非线性问题。 在本世纪末美国在模糊逻辑控制的产品开发上将有较大发展，特别是 在模糊神经元器件的开发应用将占主导地位。 我国也是世界上模糊控制技术研究的领先者之一。模糊数学7 0 年代后 期传入我国，不久即在我国得到了飞跃发展。1 9 8 0 年成立了中国模糊数学 与模糊系统学会，1 9 8 1 年创刊模糊数学杂志，1 9 8 7 年创办模糊系统 与数学刊物。我国已成为模糊数学研究的四大力量之一( 美国、西欧、 日本及中国) 。 8 0 年代中期，我国在模糊理论研究的同时开始了模糊控制技术的研制 开发工作。1 9 8 8 年3 月由北京师范大学汪培庄教授及其博士生张洪敏等研 制成功的“模糊推理机分离元件样机”，成功地实现了控制倒摆实验。 东北大学田春山所开发的“自来水给水模糊控制器”已形成产品。 9 0 年代初，北京模糊工程中心的陈永义教授等先后研制开发了玻璃拉 管线模糊逻辑控制器，电冰箱模糊控制器，可编程模糊逻辑控制器b f e c - - 8 9 8 系列产品，水泥厂矿石破碎机的模糊控制系统，并都已形成产品投 入运行。 十几年来，我国在模糊逻辑控制的研究和应用开发上已达到了一定的 规模，形成了高新技术领域的热点技术，如西南交大、北京科技大学等高 校己成为模糊控制的研究开发中心。 我国在模糊控制的研究和开发上具有一定的特点和发展趋势，如着重 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通用模糊控制系统的开发工作。它与传统的控制相比，具有实时性好、超 调量小、抗干扰力强、稳态误差小、自动化程度高等优点。它集经典控制 与经验控制于一体，应用范围更大，尤其对经典手段难以控制的对象或只 能靠有经验的操作人员才能控制的对象更为适用。它通用性较强，可用于 温度控制、压力控制、速度控制、湿度控制等，特别是工业过程和家用电 器的控制。在此基础上，国内还开发了具有多输入、多输出，可用于复杂 系统的智能模糊控制器。 模糊控制在家用电器方面的应用已走向高精度的适用化阶段。如西南 交通大学智能控制开发中心研制开发的电烤箱、电烤柜模糊控制器，燃气 快速热水器模糊控制自动恒温器，灯光恒照度模糊控制器等，反映了我国 在这方面的开发应用状况。 从上世纪末到本世纪初我国在模糊控制研究开发领域将有更大的发 展。主要反映在模糊控制理论的研究和模糊逻辑控制产品的开发上。特别 值得强调的是模糊逻辑在智能计算机与智能控制的应用与开发上将起到重 要的作用n 。 1 3 模糊控制的特点 由于模糊控制系统中语言型控制规则和模糊概念的使用，使得模糊控 制本身相对于常规控制而言具有独特之处。现将这些特点概况如下： 1 解决复杂系统的控制问题 在控制系统设计时，常规控制系统要求一个过程的数学模型。在很多 控制问题中这种数学模型不存在或不完整。其原因在于这些过程还没有被 人类完全认识，系统本身由于滞后、强非线性和时变性等因素影响非常复 杂，其数学模型的建立非常复杂或根本不可能。在这种情况下，可采用模 糊控制。模糊控制不需要精确的数学模型，它建立在人类积累的语言型经 验基础上。 2 也适用于简单系统控制 人们也许认为，模糊控制只适用于复杂系统的控制，而对简单系统的 控制则不适用。其实不然，模糊控制同样适用于简单系统的控制。它可以 给摔佬f f 系统带来常规榨制无法比拟的优点如鲁梅十牛、快速性和经济十牛。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 非专业性 模糊控制使用的是语言型控制规律，因此，在设计控制系统时不需专 门的控制设计人员，在调整和维护上只需一般技术人员即可。 4 鲁棒性 模糊控制系统具有极好的稳定特性和鲁棒性。控制率中几个规则的失 效对控制特性只有极小的影响。系统参数的变化对控制效果只有有限的影 响，避免了常规控制系统中控制器参数或系统参数的变化引起整个系统失 灵的问题。 5 操作时可省去系统参数调节 常规控制系统在投入运行前或在工作中，工作点移动后其参数必须进 行校准。在模糊控制系统中由于采用语言型模糊变量，这种校准是不必要 的。 6 模糊控制系统本身是一严格的控制系统 一个很大的误解是，模糊控制系统是模糊的，不准确的。实际上，当 语言变量、隶属函数、控制规则、模糊推理方法和去模糊化方法都确定后， 模糊控制的输入输出关系就是确定的。 7 模糊控制系统具有较好的经济性 随着模糊硬件和软件产品的发展，模糊控制系统的成本极大降低了。 其中部分模糊处理器的价格已低于常规微处理器。由于模糊软件包的使用， 极大地缩短了设计时间。一个用常规控制需1 年人的设计任务采用模糊控 制系统只需1 周入。加之模糊控制系统对信号传感器精度要求不高，因此 可使用较便宜的传感器作为敏感元件，降低生产成本。 8 缺少系统设计方法 模糊控制系统最大的缺点是至今为止仍未有完整的系统设计方法。模 糊控制器本身是一种语言型控制器，不具备动态性能。加之被控过程常常 是复杂系统，不具备数学模型，不能用常规的线性和非线性稳定性分析方 法进行稳定性分析。 9 不具备动态特性 模糊控制器和状态控制器一样，本身不具备动态特性。对于一组输入， 模糊控制器给出一组输出u 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 模糊控制存在的问题 z a d e h 基于其模糊概念最早提出了简单f u z z y 控制理论，简单f u z z v 控制器和常规的控制器相比具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对 象的非线性和时变具有一定的适应能力等特点，然而它也存在着一定的缺 欠： 1 精度不太高。这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的， 通过增加量化等级数目虽可提高精度，但查询表将过于庞大，需占用较大 空间，使运算时间增加。实际上，如果模糊控制器不引入积分机制，原则 上误差总是存在的。 2 自适应能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数 随环境的变迁而变换时，它不能对自己的控制规则进行有效的调整，从而 使其良好的性能不能得到充分的发挥。 3 易产生震荡现象。如果查询表构造不合理，或量化因子和比例因子 选择不当，都会导致系统震荡。 1 5 模糊复合控制方法的研究现状 模糊控制技术从诞生到如今已有二十余年，它经历了由简单到复杂、 由不完善到完善的阶段。二十多年来，模糊控制方法的研究取得了不少成 果和进展，下面分别介绍模糊复合控制方法的研究现状。 a f u z z y p i d 复合控制f u z z y p i d 复合控制指的是模糊技术与 常规的p ? d 控制算法结合的一种控制方法，常见的是f u z z y p i 双模控制 形式。这种改迸的控制方法的出发点主要是因为模糊控制器本身消除系统 稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度，而p i 调节器的积分作 用从理论上讲可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除误差作用。 因此把模糊控制和p i 控制器相结合以增加稳态控制性能。 b 参数自整定模糊控制参数自整定模糊控制根据控制系统的性能 在线整定比例因子k ，、凰和匠，使它们保持合适的数值，从而使系统的 性能达到令人满意的水平。这种控制方法较之常规的固定比例因子的模糊 控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中对控制器进行 哈尔滨工程大学硕士学位论文 自动校正，使得在被控对象特性变化或扰动情况下，控制系统保持较好的 性能。参数自整定模糊控制比常规的模糊控制系统增加了两个功能模块， 一个是系统的性能测量模块，它由系统误差e 、误差变化量e c 等计算出表 征系统性能指标的数据：一个是比例因子调整功能模块，它用一套调整算 法在线调整比例因予。 c 。模型参考自适应模糊控制利用参考模型输出与控制作用下系统 输出间的偏差来修正模糊控制器的输出，包括比例因子、解模糊策略、模 糊控制规则等。 d 自组织模糊控制将参考模型和自组织机制相结合，它能自动地 对模糊控制规则进行修改、改进和完善，以提高控制系统的性能。自组织 模糊控制系统比一般的模糊控制器增加了三个环节，即性能测量环节、性 能校正环节和控制规则修正环节。性能测量环节用于测量实际输出特性与 希望特性的偏差，以确定输出响应的校正；控制量校正环节将输出响应的 校正量转换为控制量的校正量；控制规则修正环节修改模糊控制器的控制 规则，这样也就实现了对控制量的校正。 e 吴有自学习功能的模糊控制包括多种对外扰影响或重复任务的 性能具有自学习功能的模糊控制方法，以及自寻优模糊控制器等，其关键 在于学习和寻优算法的设计，尤其是提高其速度和效率。 f 多变量模糊控制一个多变量模糊控制器有多个输入变量和输出 结果，一般采用结构分解和分层分级结构，利用多个简单的模糊控制器进 行组合，并兼顾多规则集之间的相互关系。 1 。6p i d 控制的特点 p i d 控制的特点是控制工作稳定，可靠性高，鲁棒性强。p i d 控制是 迄今为止最通用的控制方法，各种d c s 、智能调节器等均采用该方法或其 较小的变形来控制( 至今在全世界过程控制中8 4 仍是纯p i d 调节器，若 改进型包括在内则超过9 0 ) 。自1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推 出但p i d 控制以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点， 仍广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中”1 。虽然 未来的摔制技术应用领域会越来撒甯广，被丰孥对象可以最黻来披复杂，相 哈尔滨工程大学硕十学位论文 应的控制技术也会变的越来越精巧，但是以p i d 为原理的各种控制器将是 过程控制中不可或缺的基本控制单元。 p i d 控制算法因为其算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精 度，已成为当前最为普遍采用的控制算法。但是，它也有它的局限性和不 足，由于p i d 算法只有在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想 的效果。当一个调好参数的p i d 控制器被应用到模型参数时变系统时，系 统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对p i d 参数进行整定的过程中， p i d 参数的整定值是具有局部优化值，而不是全局性的最优值，因此这种 控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾w 。 1 7 模糊复合控制在振动控制中的应用 振动与冲击存在于飞机、船舷以及各类机构结构之中，它影响仪器设 备的使用精度，恶化工作条件，特别是对于导航仪器仪表，由于自身精度 的高要求，对来自各个振源的复杂振动十分敏感，常常无法正常工作，甚 至被损坏，因而消除、减少振动与冲击是保证此类仪器仪表正常工作的先 决条件。传统的振动控制方法可以分为两大类( 以隔振为例) ：一种为采用 机械的弹簧与阻尼相结合的被动隔振；一种为利用反馈调节控制力以消除 振动的主动隔振。被动隔振系统能保证良好的高频抑振效果，而对低频( 如 小于2 h z ) 外扰的隔振，由于受到结构空间和保证稳定性的限制，难以发 挥作用。传统的主动隔振往往要求已知系统数学模型、或假定干扰可测等。 而对于大多数情况，振动系统十分复杂，其复杂性表现为系统模型的非线 性与不确定性及振动环境的不可测性，因此传统的主动控制方法难以满足 这类系统的控制需要。模糊控制理论的产生与发展，为振动主动控制提供 了新的方法，本节将简单的概述模糊控制在振动控制中的应用。 自从1 9 7 2 年，y a o 提出结构控制的概念以来”，结构控制的研究从理 论、实验到工程应用等方面得到了突飞猛进的发展。陈波，潘汉明等重点 阐述了土木工程结构的模糊控制算法及其应用现状，指出了土木工程结构 模糊控制应用中需要重点解决的问题“。 土木工程结构振动控制 存十木工程结构摔制中，以模糊谬辑为慕础的模糊摔制器的研究和应 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 用，取得了很大的成功，由于结构工程的复杂性，如结构性能的时变性、 材科的离散性、不同的施工方法等，造成结构控制中存在大量的不确定因 素，因此结构模糊控制大有用武之地。当前，结构模糊控制研究的内容大 体分成两个方面：一方面是理论研究，主要是控制算法的研究，包括模糊 变量及其隶属函数的选取方法、推理方法等；另一方面是实验研究，通过 实验验证模糊逻辑方法的正确性和有效性。 s u n 等将模糊逻辑推理用于高架桥的纵向振动控制w 。在桥的两端设置 阻尼可调节的油阻尼器，通过模糊逻辑控制阻尼器的阻尼值。在设计模糊 控制准则时，始终考虑阻尼器和桥梁的极限能力，在安全的情况下，充分 发挥阻尼器的作用以减小桥梁的振动。为了通过实验验证结构模糊控制方 法的正确性，l i b a 等进行了模糊优化结构地震反应控制系统的振动台实验 研究”1 。实验采用两层钢框架模型，在第二层设置控制器( 一个阻尼可调的 控制器) ，利用模糊控制理论进行了地面运动预测以及建筑结构参数识别和 控制变量优化等研究。振动台实验研究的结果证实了模糊控制系统对地震 反应的控制效果是明显的，同时说明控制效果受位移隶属函数和控制力的 影响很大。 n a g a r a j a i a h 利用模糊控制器对基础隔震混合结构控制进行了研究w 。 在房屋的底部设置阻尼值可以调节的阻尼器，利用模糊控制器控制阻尼器 阻尼值的大小，计算分析表明，与没有阻尼器相比基础位移值可以减小一 半。 f u j i t a n i 和m i d o r i k a w a 等进行了建筑结构模糊逻辑控制地震反应的振 动台实验相仿真分析”“。实验结果证明了使用模糊逻辑减小建筑结构振动 反应的有效性，同时指出模糊变量的隶属度的改变对振动控制的效果影响 很大；同时表明结构控制实验的结果可以用简单的仿真方法得到。 s y m a n s 和k e l l y 研究使用智能半主动隔振耗能系统，来减小轿梁的振 动反应”一。控制准则采用的模糊控制方法，使阻尼器的最大阻尼力下降了 很多，并且有效地减小了桥箱的位移，从而缩短了连接处的连接长度。 柔性结构振动控制 结构振动主动控制技术研究的重点课题之一就是用主动控制技术抑制 柔性航天结构的振动。利用机敏( 智能) 材料控制柔性结构振动已引起广 泛的关注，而用压电材料作为传感器和作动器元件，对结构振动进行主动 控制，代表了目前研究和应用中的一个广阔而又活跃的领域。 9 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 大型空间柔性结构的主要特征是小阻尼，非线性以及模型的不确定性， 在航天柔性结构中，这一特征表现得尤为明显，传统的被动振动控制方法 在这一领域受到了严重的挑战，从而要求人们探索新的振动控制方法。模 糊逻辑控制对参数变化具有较强的鲁棒性，而且特别适合于非线性系统的 控制，这就为主动控制复杂的非线性振动系统提供了有效的理论方法。 w i e g a n d ”“研究了柔性结构的分布模糊控制方法；c a s e i a t i 等把模糊逻 辑控制技术用于受模拟地震载荷的线性二自由度系统的控制中。k e l l y ， c o h e n 等在柔性梁结构上实现了模糊自适应控制算法w ，有效的控制了梁的 横向振动。k w a k 等基于变结构系统模糊控制算法，实验研究了机敏结构 振动控制问题。i s s a mz e i n o u n m 哟机敏旋转结构设计了基于模糊神经网络 的控制系统。d a nb o g h i u 等研究了柔性连杆旋转运动中冲击产生振动的模 糊逻辑控制策略。王存堂等研究了柔性悬臂梁在瞬态、正弦以及随机激振 下的模糊p d 主动控制方法“。 屈文忠，邱阳“”等阐述了模糊控制理论在柔性结构振动主动控制中的 应用；论述了运用控制理论进行结构振动控制的必要性可行性；详细介绍 了振动模糊控制方法的过程及神经网络技术与模糊控制相结合的问题；指 出了振动模糊控制中需发展的几个问题。李晓平，唐建中u u 等针对机器人 柔性臂的振动控制问题，提出了一种基于模糊控制理论的抑振新方法。仿 真结果表明，所提出的方法能有效的抑制柔性臂的振动并且实现简单。 其它振动控制 朱建新，王曦等u “将模糊控制技术应用于内燃机整机振动动力减振器 中，设计一种模糊控制系统，对减振器的刚度进行调节，使减振力能随内 燃机振动的变化而变化，从而达到最优的减振效果。徐可群，江龙平等 将共振准则模糊化，构建模糊共振区域和相应的隶属函数，并将其应用于 转轴的振动可靠性计算，取得了合理的计算结果。叶燎原，刘本玉等“鉴 于震害成因的复杂性，应用模糊人工网络方法来对震害进行分析预测。刘 红军，赵祥模等m ，基于模糊控制理论，对夹层板的受迫振动控制进行了仿 真研究。屈文忠，邱阳n ”针对摩擦式电流变阻尼器转予振动系统设计了自 适应模糊逻辑控制策略，进行了转子系统振动主动控制的实验研究，验证 了自适应模糊控制方法的有效性。实验表明，模糊逻辑控制方法具有算法 实现简易、善于利用专家的经验以及自适应能力强等诸多优点。王加春， 李旦等m - 将模糊神经网络控制技术应用到超精密车床溜扳的振动主动控制 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中，模糊控制为主控制器，用以逼近实际的复杂时变系统：神经网络控制 补偿耦合效应。实验结果表明这种基于主动空气轴承的模糊神经网络振动 主动控制可以有效减小溜板振动。 良好的车辆悬挂系统可以有效地降低由于路面不规则激励造成的过大 的车体加速度，使之具有良好的乘坐质量，并能够维持良好的可操作性。 屈文忠，常新龙m ，提出了一种汽车主动悬挂系统的自适应模糊控制方法， 在线修改模糊控制器参数，提高控制效果。t o s h i y o s h i m u r a 设计了二 自由度的车辆振动系统主动抑制的模糊逻辑策略。y o s h i a k io h k a m i 研究了结构低频振动的智能控制方法( 主要是模糊控制方法) 。朱荣，莫友 声m t 综合被动隔振和主动隔振的特长，为解决支承问题，采用将机械被动 隔振与模糊控制相并联的方法，取得了良好的控制效果。 1 8 本文主要内容 本文以柴油机双层隔振系统模拟台架为主要的研究对象，将模糊控制 与p i 控制相结合，对基于模糊- - p i 控制理论的主动隔振方法作进一步地 研究。主要内容有： 1 针对双层隔振模拟实验台架的振动特点，建立了控制系统数学模型。 讨论两种f u z z y p i 的集成控制器的结构，并在各种激励情况下，进行双层 隔振模拟实验台架垂直方向的振动控制仿真。对比分析f u z z y p i 并联控制 和串联控制的各自优势。 2 应用一种从实际的输入输出数据对中提取模糊规则的方法，对柴油 机双层隔振系统模拟实验台架进行仿真分析。通过仿真，对比分析了从经 验中提取规则和从数据中提取规则两种方法的优劣。 3 鉴于模糊控制存在着本身无法消除的稳态精度欠佳问题，及1 9 1 1 ) 控 制的特点，对模糊- - p i d 复合控制进行了比较系统的理论分析，以改善模 糊控制性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章模糊一p i d 复合控制理论分析 模糊控制的优点在于不需要掌握过程的精确数学模型，而是根据一组 控制规则，经模糊推理决定控制量的大小，因此特别适合那些难以建立精 确数学模型、非线性和大滞后的过程。然而对较复杂的被控对象，基本模 糊控制系统的稳态性能尚不能令人满意。基本模糊控制器的主要缺点是稳 态精度较低，特别是基本模糊控制器存在着不可能消除稳态偏差和稳态偏 差变化率的缺点。将模糊控制与常规p i d 控制结合起来，可以兼顾二者的 优点，改善控制器和控制系统的性能，更好地适应复杂的工业生产过程。 本章将通过对基本模糊控制器静差存在的原因，和对模糊控制、p i d 控制 的内在联系作简单的分析基础上，说明模糊控制和p i d 控制的结合有理论 上的依据，具有可行性。 2 1 模糊控制静差存在的原因分析 通常的模糊控制算法主要有三种：查表法、公式法和在线规则推理法， 下面我们探讨模糊控制的三种算法各自产生静差的原因”“。 2 1 1 查表法产生静差的原因 由于查表法是最简单、推理速度最快、占用内存最少的一种方法，因 而是常规模糊控制器最常使用的方法。设以p ) 为偏差，其量化因子为丘， e c ( g c ) 为偏差变化率，其量化因子为如，队“) 为控制量，其比例因子为 鼠。设e ，e c 模糊量化间距分别为上1 和工2 ，则e ，e c 词集相应各模糊子 集的范围分别为： f 卜( 2 一+ 1 也2 ，一( 2 啊一1 ) 厶2 l ， - l , 2 , & 2 】，【( 2 _ 一1 也2 ，( 2 m 。+ l e 。2 】 1 【_ ( 2 n ：+ 1 讧：2 ，一( 2 n ：一1 ) 如2 l ，【_ 工：2 ，工：2 l ，【( 2 n ：一1 池：2 ，( 2 n ：+ 1 弛：2 】 其中( 2 n ，+ 1 ) ，( 2 n ：+ 1 ) ，分别为e ，e c 各自词集中模糊子集的个数。若将 模糊子集反射到观测集 e ) ， e c ) 中，则相应的观测子集为： 1 2 【- ( 2 n t + 1 ) l l 。2 ，一( 2 弹；一1 皿，2 1 ：，【- 厶2 彳l 2 1 ，【( 2 一1 ) 厶2 ，q 强+ l k 2 】 l _ ( 2 n ：+ 1 皿：+ 2 ，一( 2 n ：一1 心2 l ，【三2 2 ，l ：2 1 ， ( 2 胛：一1 ) l ：2 ，( 2 ”：+ 1 皿：2 】 其中l i = k x f ，k = l ：i 【。 对于一个观测值e 和e c 来说，它总是要落入某个区域，即某观测子集 中： k f 一1 扛，。2 ，( 2 f + l 也2 j 或k ，一1 e 2 2 ，( 2 j + 1 e ：2 j 其中，- 卢- n j ，_ ( n l - 1 ) ，o ，1 ，( n i 1 ) ，n j - 产一n 2 ，- ( n 2 1 ) ，01 ，( n 2 - 1 ) ，n 2 如果要改变e 或e c 所属的观测子集，就要改变或。现在间距l ，和k 固定的，如果要将e 或8 c 所属观测子集映射到相应的模糊子集中，则必须 要改变相应的瓦和赶。 有着较好动态响应性能的模糊控制器，存在的一个弱点，是存在一个 所谓“死区”的( z 0 等级，即 e k 2 ，厶。2 l【- 如z ，l z 2 】 冒 - l 2 ，厶2 le c - l ：2 ，三：2 】 当8 和e c 落在奶等级内时，模糊控制器不产生任何旨在消除偏差的动 作；当存在干扰，参数发生变化或其它原因迫使系统的e 和e c 落在其它范 围内时，模糊控制器就会发出控制变化量u ( 占，e o ，使e ，e c 重新回n 等级偏差范围内发生振荡。因而通常模糊控制器存在着一个弱点：稳态有 静差。虽然静差可以通过增加隶属度函数的个数来减少，但无法从根本上 来消除，而且这样做的同时会增加计算的复杂性，失去模糊控制简单易行 的特点。这就是输入为e ，e c 输出为“的模糊控制器产生静差并无法消除 静差的原因。 2 1 2 公式法产生静差的原因 在此处以e ，e c 表示实际偏差e 和实际偏差变化量e c 的语言变量的 量化值，则在公式法中，控制规则用下列表达式表示： 驴= ( 2 - 1 ) 哈尔浜工程大学硕士学位论文 其中，a 取0 1 之间的值，其值反映了对e 和e c 的权重；符号舻表示 对x 进行四舍五入取整。在公式法中，一旦a 的值确定，当e 、e c 在各自 论域中取值时就得到一张控制表。因此公式法的实质就是查表法，下面以 一实例给予证明。 一般地，如果对于一个模糊控制系统，设其对应的三个语言变量的论 域如下： e ：庐( 一3 - 2 10l 23 ) e c ：e c 毫 3 - 2 10l23 ) “：班 一3 2 10123 ) 在这些论域中定义相同的模糊子集：负大( 8 ) 、负e p ( n m ) 、负小( m 卵、 零( z d ) 、正小( 胸、正中( p 帅、正大p 8 ) ，并与论域中的元素相对应，即 n b = - 3 ，n m = - 2 ，n s = 一1 ，z o = 0 ，p s = l ，p m = 2 ，p b = 3 ，而且令偏差 e 等于给定值，减去系统的实际输出y 。取e ，e c 的权重各为o 5 ，即口= 0 5 ，则代入公式有： ”； - - ( 2 - 2 ) 将e ，e c 的取值分别代入上式，列成表格，则得如下表2 1 的控制规则。 当a 取不同的值时，则可得到不同的规则表，这是公式法优于查表法 的地方，但一旦a 取定，则用公式法得到的是一张确定的规则表。因而当 4 取定时，公式法的实质仍是查表法，因而公式法产生静差的原因与查表 法产生静差的原因是一样的。 表2 1 公式法提取控制规则表 f 一3- 2一l0l23 f ( 忒 3- 3- 2- 2- 2一l- 10 2322一illo 一1- 2- 2一llo11 o- 21一l01l2 ll- 10l122 2- 101l223 30l12 233 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以上的例子采用的是控制规则的单因子调整公式法。还有一种方法则 是控制规则的多因子调整公式法，即把误差的量化值分成几个区间段，在 不同的区间上a 取不同的值。 2 1 3m a m d a n i 在线规则推理法存在静差的原因 在此以实际中常用的解模糊判决方法和常用输出隶属函数形式的方法 来分析实际中常用的m a m d a n i 在线规则推理法存在静差的原因。 在实际应用中，一般取单值输出隶属函数，这是为了适应实时控制的 快速性要求，且采用单值输出隶属函数对存储器的要求是最低的。在该方 法中，模糊推理采用m a m d a n i 法，对模糊推理得到的模糊集合进行解模糊 判决时，通常有以下几种方法；( 1 ) 重心法：( 2 ) 最大隶属度法；( 3 ) 系数加 权平均法；( 4 ) 隶属度限幅n c u t 元素平均法。研究表明，当采用单值输 出隶属函数时，无论采用哪种模糊判决方法，其控制器类似于多级继电器 控制。其中，最大隶属度法的继电特性最为明显，而在系数加权平均法中， 若权值取的合适，可改善模糊控制的效果。故而实际中所用的在线规则推 理法仍存在着静差，其原因可归结如下： ( 1 ) m a m d a n i 在线规则推理法的合成直接采用极大极小运算，虽然使 计算简单，但在合成过程中丢了许多信息，从而使相邻两次结果的跳跃性 很大。 ( 2 ) 在通常所用的重心法解模糊时，由于采用单值输出隶属函数，从而 使控制器类似于多级继电器控制。 由上面的分析可以看出，当输出采用单值输出隶属函数时，在线规则 推理法仍无法克服模糊控制的静差问题。 2 2 克服模糊静差的方法 前几年人们尝试了用论域缩小的方法来消除静差，用改变控制规律的 数量和规则本身的方法，改变量化曲线，以及改变隶属函数的形式等来改 善控制系统的控制性能。近几年来，许多学者对此进行了多种方法的研究， 主要思想有：分档控制，论域缩小逼近法，加入积分作用，切换p i 模糊控 制器引入智能积分直接测辨模糊控制器决筻表等方法部分结果在t 哈尔滨工程太学硕士学位论文 程实践中得到了应用检验，其他的在仿真结果中得以验证，总的来看这方 面的研究作为模糊控制理论和实践中的重要目标已经渗透到模糊控制的其 他研究领域，而从系统分析和设计的角度保证模糊控制系统的系统稳定性。 对时变对象提出两种提高模糊控制精度的方法。一种是分档控制，暂 态时用粗调控制器加快响应速度，稳态时用细调控制器以提高稳态精度： 另种方法是通过推知被控对象的慢变规律，然后根据此规律补偿对象增 益的慢变得到恒定的输出，当对象含有纯滞后环节时，易使整个系统发生 振荡，可引入s i m t h 预估器。用论域缩小逼近法来消除模糊控制器的静差， 能在控制过程中自始至终按规则调整被控过程，不存在其他方法普遍存在 的积分饱和现象，适用于任何特点的模糊控制系统。 卢朝曦，石光明m 对时变对象提出采用分档控制和辨析补偿被控对象 的慢变规律两种方法提高模糊控制精度；李洪兴”2 一基于模糊控制器的插 值机理，提出了通过缩小论域的方法来提高稳态精度，并给出3 种变论域 自适应模糊控制方法；孔薇，谷丽娜n “在一般模糊控制器的基础上，引入 了智能积分环节，有效地抑制了系统误差的增加；何平m 采用将模糊控制 与p i d 控制相结合的方法来改善稳态性能。 2 3 模糊控制和p i d 控制的内在联系 近年来，模糊控制研究与应用已经得到了迅猛的发展。然而，在众多 新的模糊控制技术方法不断涌现之后，模糊p i d 控制技术依然扮演着重要 的角色，吴介一m 介绍了当常规p i d 控制无法满足控制精度且系统稳定性 差时，可引入智能积分模糊控制器来提高系统动态精度。因此，寻找模糊 控制和p i d 控制的内在联系，对深入学习模糊控制规律，解决实际应用中 存在的问题都是大有裨益的。 2 3 1 从模糊控制器的工作原理出发说明模糊控制和p l d 控制的 内在联系 一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器输 入变量只选一个误差，它的动态控制性能不佳。所以，目前被广泛采用的 均为_ 罐模糊控制器这神控制器以偏差一和偏差变化卵作为模糊控制器 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的两个输入量，先对它们进行模糊量化处理，得到模糊变量e 和e c ，按 模糊控制规则进行模糊决策，再经过解模糊得到模糊控制量u f ，最后经 比例变换得到实际控制量“厂输出。 这里我们也以简单的二维模糊控制器为例，进行说明。 模糊控制是一种非线性控制，u f = f 占互c ，。但当e ，e c ，卯的论域 等级划分相同时，多数模糊控制器的查询表可归纳为： ( 2 - 3 ) 一般情况下，盯= 0 5 ，由解析式描述的模糊控制表如表2 2 所示 表2 2 解析式描述的模糊控制表 岬 一3- 2- 10123 砣l - 33322ll0 - 23221101 122l101l 02l1 0一l一1- 2 1l1ol一1 - 2- 2 210- 112- 2 3 30112 - 2- 3- 3 而其中，e = 也e ，e c = k 。e c ，u f = k 。析恕，k e 。分别为e ，e c 的模糊量化因子，觑为的量化比例因子，则 u f m k 。忽p + k 毛。( 8 ( p - e ( 砖1 ) ) ( 2 - 4 ) 一般在模糊控制查询表的中央区域( 稳态附近) 这种近似较好，即可把模 糊控制近似看成一种线性控制。这里基于以上分析来讨论模糊控制与p i d 控制的联系。 模糊控制的位置式相当于p d 控制 p d 位置式控制算法为 u ( i o = k p e ( k ) + k d e ( k ) 一e ( k - i ) ( 2 5 ) 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 把模糊控制作为位置式输出，即“( = 岍再利用( 2 4 ) 式的近似关系可得 到： “( = 啸。岛+ b + 屯恕。( p ( 功一e ( k - 1 ) ) ( 2 6 ) 比较式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) ，我们可以得出结论，模糊控制的位置式体现的是 具有非线性的p d 控制，不含有积分作用。具有p d 控制的基本特点，如动 态特性好，但有静差。 模糊控制增量式相当于p l 控制 p i 增量式控制算法为： ”( 功= 以k - 1 ) + k t p ( 的+ 知 e ( 句一e ( k - 1 ) 】 ( 2 - 7 ) 把模糊控制作为增量