（机械电子工程专业论文）岸边桥式起重机智能防摇控制机理研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 影响集装箱岸边桥式起重机装卸效率的因素很多，但其中一个非常重要的 因素是小车到达目标位置停止时，货载不能立即停下来，即会不停的“摇摆”。 为了提高装卸效率，人们研究了众多的“防摇”方法，譬如：机械、液压以及 电子防摇，其中机械与液压方式大多因外围设备太多，结构复杂，可靠性差， 维修保养上作量大且价格昂贵而逐步被电子防摇所取代。目前在电子防摇研制 方面，能够应用于实际的基本上是国外产品。集装箱岸桥装卸系统为一个带有 惯性的非线性时变不确定系统，用经典控制方法难以实现系统的有效控制，因 此传统的控制方法是采用自动加手动的控制模式，在该种控制模式下操作员的 操作熟练程度将直接影响到装卸效率。如果有一种控制系统既能全自动控制， 又能模仿熟练操作工的控制模式，那么装卸效率将有大幅度的提高，而模糊智 能控制系统就具有这种功能。 本论文的研究遵循：首先对岸桥小车及货载的运行工况进行了分析，接着 对防摇的机理进行研究并通过多次的物理试验加以验证，取得了较好的效果， 最后列岸桥智能电子防摇系统进行了设计与研制工作。 本论文的撰写遵循：首先对整个智能电子防摇系统的研究意义、国内外研 究动态以及本论文的主要工作作了介绍，接着介绍了防摇理论基础( 模糊逻辑、 模糊控制、计算机视觉测量及在防摇中的应用等) ，然后对岸桥运行状态下小车 及货载的工况进行了分析，最后对集装箱岸桥智能电子防摇系统的实现进行了 设计。 本论文的研究内容有： 1 模糊智能控制防摇机理的研究； 2 模糊控制算法研究； 3 抓斗和集装箱摆动的数学模型研究； 4 岸桥智能电子防摇系统的研制； 5 小车钢丝绳偏摆角及角加速度的测量研究； 本文设计的智能电子防摇系统具有可行性、实用性、先进性和新颖性，其 优点表现在： 1 有效地解决集装箱岸桥装卸定位过程中吊具的摇摆问题，实验表明其控制效 武汉理工大学硕士学位论文 果较好，能应用于实际，其方法具有可行性与实用性； 2 解决集装箱岸桥电子防摇数据采集困难，且设备易受外界干扰以及价格昂贵 等缺点，本人将最新的计算机视觉检测方法引入到防摇系统中，彻底解决了 这些缺点，其方法具有新颖性和先进性： 3 传统的机械减摇系统相比，它减少了许多大型机械设备，避免了安装、维修 等棘手问题，具有经济性和实用性。 4 它在解决吊具摇摆问题的同时，还能解决循环时间最小、准确定位等问题， 有利于实现系统优化运行。 把模糊智能控制用于电子减摇系统。是一次有益的探索和成功尝试，进 步的工作足将本系统用于工程实际，反复调试各软硬件，并不断完善。 关键词：智能电子防摇，模糊控制，集装箱装卸，计算机视觉 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r eal o to ff a c t o r st oi n f l u e n c et h el o a d i n ge f f i c i e n c yo fc o n t a i n e rb a n k b r i d g e ，b u to n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si st h a tw h e nt h ec a rr e a c h e st h eg o a l p o s i t i o na n ds t o p s ，t h eg o o d s c a n tb es t o p p e di m m e d i a t e l y , n a m e l y “s w a y i n g ”i n o r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，p e o p l eh a v es t u d i e d n u m e r o u s “p e n d u l u mc o n t r o l ”m e t h o d s ，s u c ha sm a c h i n e ，h y d r a u l i cp r e s s u r ea n d e l e c t r o n i cc o n t r o lm e t h o d s t h em a c h i n ea n dh y d r a u l i c p r e s s u r e m e t h o d sa r e g r a d u a l l yb e i n gr e p l a c e db y e l e c t r o nc o n t r o l s y s t e m ，b e c a u s e t h e r ea r em a n y d i s a d v a n t a g e sf o rt h e m ，f o re x a m p l e ，t o om u c ha n c i l l a r ye q u i p m e n t s ，c o m p l i c a t e d s t r u c t u r e ，b a dr e l i a b i l i t y ，h e a v ym a i n t a i n i n gw o r ka n dh i g hc o s t a tp r e s e n t ，t h e e l e c t r o np e n d u l u mc o n t r o lp r o d u c t sw h i c hc a nb eu s e di np r a c t i c em o s t l yc o m ef r o m f o r e i g nc o u n t r i e s t h el o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e mi s an o n l i n e a rt i m e v a r y i n g i n d e t e r m i n a t es y s t e mw i t hi n e r t i aw h i c hc a n tb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e db yc l a s s i c c o n t r o lm e t h o d s s oi to r d i n a r ya d o p t sa u t o m a t i ca n da r t i f i c i a lc o n t r o l l i n gm o d e o n t h i sm o d e ，t h eo p e r a t i n gs k i l lb yd r i v e rw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ee f f i c i e n c yo f l o a d i n ga n du n l o a d i n g i f t h e r ei sa c o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c h n o to n l yc a ns i m u l a t e t h ec o n t r o l l i n go f p r a c t i c e dw o r k e rb u ta l s oh a v ef u l la u t o m a t i cc o n t r o l l i n g ，t h e nt h e e f f i c i e n c y o fc o n t m n e ru n l o a d e rc a nb ep r o m o t e dh e a v i l y i t sf u z z yi n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n gs y s t e mh a s t h ef u n c t i o n i nt h ec o u r s eo f s t u d y i n g ，if i r s t l ya n a l y z et h et r o l l e ya n du n l o a d i n go p e r a t i n g m o d e ，t h e ns t u d yt h ep r i n c i p l eo fp e n d u l u mc o n t r o la n dc e r t i f i c a t ei tb yn u m e r o u s p h y s i c a lt e s t sa n dh a v em a d eb e r e rr e s u l t ，f i n a l l yd e v e l o pt h ee l e c t r o np e n d u l u m c o n t r o ls y s t e m t h ew r i t i n go ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ：f i r s t l yi n t r o d u c e ss i g n i f i c a n c eo f t h e i n t e l l i g e n t e l e c t r o n p e n d u l u m c o n t r o l s y s t e m ，d o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c h i n g s t a t u sa n dt h ed i s s e r t a t i o n sm a i nc o n t e n t ；s e c o n d l yi n t r o d u c e st h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fa n t i s w i n g ( f u z z yl o g i c ，f u z z yc o n t r o l ，c o m p u t e rv i s i o n m e a s u r e m e n ta n dt h eu s ei nt h ep e n d u l u mc o n t r o ls y s t e mf o rt h e m ) ；t h e na n a l y z e s t h et r o l l e ya n d g o o d s o p e r a t i n gm o d e u n d e rt h eb a n k b r i d g e so p e r a t i o ns t a t e ；f i n a l l y i i i 武汉理工大学硕士学位论文 d e s i g n st h ei n t e l l i g e n te l e c t r o np e n d u l u m c o n t r o ls y s t e m t h ec o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： 1 r e s e a r c ho nt h et h e o r yo f f u z z yi n t e l l i g e n tp e n d u l u mc o n t r o l ； 2 r e s e a r c ho n f u z z y c o n t r o la l g o r i t h m ； 3 r e s e a r c ho nm a t h e m a t i cm o d e lo f t h ep e n d u l u mo f h o o ka n dc o n t a i n e r ； 4 d e v e l o p m e n to f t h ei n t e l l i g e n te l e c t r o np e n d u l u m c o n t r o ls y s t e m ； 5 r e s e a r c ha n dm e a s u r e m e n to nt h et i g h t w i r e sb e a ta n g l ea n da n g u l a ra c c e l e r a t i o n o ft h et r o l l e y l h e i n t e l l i g e n te l e c t r o np e n d u l u m r e d u c es y s t e mi nt h ed i s s e r t a t i o ni sf e a s i b l e ， p r a c t i c a l ，a d v a n c e da n d n o v e l i t sm e r i t si n c l u d e sf o u rp o i n t s ： 1 i tc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ep e n d u l u m ss w i n gd u r i n gc o n t a i n e ri sl o a d e d 、 u n l o a d e da n dl o c a t e d t h et e s th a sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mh a sb e t t e rc o n t r o l e f f e c ta n dc a nb eu s e di np r a c t i c e t h ec o n t r o lm e t h o di sf e a s i b l ea n d p r a c t i c a l 2 t h i ss y s t e mu s e st h em o s ta d v a n c e dm a c h i n ev i s i o nt e s tm e t h o dt ot h o r o u g h l y s o l v et r a d i t i o n a le l e c t r o nc o n t r o ls y s t e m sd i s a d v a n t a g e ，s u c ha sd i f f i c u l t t o g a t h e rd a t at o g e t h e r , a p tt o e x t e r n a li n t e r f e r ea n dh i g hc o s te t c i t sm e t h o di s n o v e la n da d v a n c e d 3 c o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a lm e c h a n i s mp e n d u l u mc o n t r o ls y s t e m s ，i tr e d u c e s m a n yl a r g ee q u i p m e n t sa n da v o i d s l o t so fp r o b l e m ss u c ha s a s s e m b l ya n d m a i n t e n a n c ee t c s oi ti se c o n o m i c a la n dp r a c t i c a l 4 s o l v i n gt h ea n t i - s w i n gp r o b l e mo fp e n d u l u m ，i tc a nr e a l i z et i m em i n i m u ma n d a c c u r a t el o c a t i o n ；w i t c hi sg o o df o ro p t i m i z i n gt h es y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ni sas u c c e s s f u lr e s e a r c ho nf u z z yi n t e l l i g e n tc o n t r o lu s e df o r p e n d u l u m c o n t r o l s y s t e m t h e n e x t s t e p i s a p p l y i n g t h i s s y s t e m t o p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ，a d j u s t i n gt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dg r a d u a l l y p e r f e c t i n g k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n t e l e c t r o n p e n d u l u mc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l c o n t a i n e ru n l o a d e r ，c o m p u t e rv i s i o n i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出与研究意义1 5 1 随着工业生产规模的扩大和自动化程度的提高，物料搬运费用在工业生 产成本中所占比例越来越大。提高物料搬运和存放过程的自动化程度对改 进物流管理、提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期、加速资金周转 和提高整体效益有重要的意义。物料搬运技术( 起重运输技术) 是物流的重要 组成部分，是实现物流过程的必要条件，欧洲著名物流专家j e u n e m a n n 认为： 起重运输技术、信息技术和经济( 企业经济、国民经济) 是物流的三大支柱。 物料搬运技术的需求与发展又取决于各个经济部门目前和将来的机械化和 自动化的程度。制造业的机械化与自动化程度最高，达5 0 一7 5 。其次是仓 储业和建筑业，而运输、废料处理和商品零售业领域还主要是人工作业。预 计在中、长期内，制造业和仓储业的机械化与自动化程度可达7 5 一1 0 0 。 其它各行业中，建筑业和运输业的机械化与自动化程度发展较快，而废料处 理的机械化与自动化将进一步得到广泛的重视。面向2 1 世纪的高度发达的 物流技术，当然离不开高度发达的物料搬运技术( 起重运输技术) 。在物料搬 运中，水上运输在世界整个物流系统中占有相当大的比例，而港1 ；3 岸边桥式 起重机( 岸桥) 在港口物流中又起着特殊重要的作用。因此，研究如何提高 港口岸桥生产率就显得相当的重要。 自6 0 年代起，世界上许多设计者和生产厂家一直致力于提高岸桥生产 效率的研究、设计和制造，通过提高小车横移、起升速度和加减速性能，提 高了生产率。但同时也引起吊具摆动性的增加。不但对装卸效率有影响，而 且增加了操作者的劳动强度。虽然摇摆引起每个循环的定位延迟只有数秒 钟，但对装卸一条船来说，累计结果就不是那样简单了，甚至以小时计算， 这种结果无论对船务公司还是对码头经营者都是不利的。摇摆是影响装卸效 率的因素之一，根据统计，传统的装卸设备在每个集装箱起卸时，平均约有 超过百分之三十的时间浪费在以固定其摇晃不定的落点，因此必须想法减少 直至消除摇摆。 岸边桥式起重机的“防摇”控制方式，已经经历了人工手动方式、机械 武汉理工大学硕士学位论文 分离小车方式、多功能液压方式、带吊具角度检测传感器的电子方式，人多 因外围设各太多，结构复杂，可靠性差，维修保养工作量大且价格昂贵( 4 5 力美金) 。因而实际应用存在诸多问题。如机械分离小车控制摇摆，它是通 过横移小车上的分离小车将两组起升绳的上端向两边分离，产生两个方向相 反的水平分力，牵制集装箱前后摆动，以达到控制集装箱摇摆的目的。然而， 因绳索长度影响仍存在相当的摆动，加上货物和起升绳弹性影响了摆动周 期，并引起不希望的运动；因附加了牵制绳和滑轮，无疑增加了设备的复杂 性。而日为了分离小车，必须增加许多设备，随之增加了额外重量。传统的 机械防摇设备从实质上看都是通过机械手段来消耗摆动的能量以达到最终 消除摇摆的目的的，因而并不是真正意义上的防摇，在实际应用中仍存在停 机时振动太大等不足。 随着国际航运迅猛发展，货物吞吐量剧增，各港口对岸边桥式起重机提 出了更大型、更高效的要求。目前已经出现了小车速度达2 4 0 m m i l 3 ，并j f 向3 0 0 3 5 0 m m i n 的速度发展，起升额定载荷最大已达6 5 吨。起升高度已达 轨上4 0 m ，币向4 7 5 m 的高度发展，起升速度满载达9 0 m m i n ，空载2 0 0 m m i n ， 外伸距达6 5 米，由于悬吊的钢丝绳的长度增大，钢丝绳在垂直和水平两个 方向的速度提高，司机视距的不断加大，跟钩操作越来越困难，如何稳定吊 具、平稳操作是人们共同关注的问题。对小车防摇系统的要求也越来越迫切。 能够有效提高岸边桥式起重机作业的“防摇”控制技术也得到了各起重机制 造厂家的重点关注和研究。目前，大多数厂家都倾向于采用智能电子防摇。 智能电子防摇效果明显，相比于机械、液压防摇方式，智能电子防摇附加设 备少，防摇时间短，基本不增加额外重量，它能将减摇和小车的运行控制结 合起来考虑。但智能电子防摇所需技术含量高，做得比较成功基本上都是国 外厂家。 这种现状提示人们构造一种新型、有效的智能电子防摇系统的必要性。 然而，防摇研究却不是一个简单的课题。装卸桥在工作时，主电机牵引小车 在衍架上运动，小车与吊具通过柔性钢丝绳连接，并随小车的运动而运动， 这种系统可简化地看作一个固定点移动的单摆的运动。由于单摆的运动本身 就是个非线性时变运动，再加上固定点不断加速、减速，这就使系统变得 非常复杂，难以获得精确的数学模型。在这种情况下，传统控制理论就显得 无能为力。传统控制理论包括经典反馈控制、近代控制和大系统理论等在应 2 武汉理工大学硕士学位论文 用中遇到不少难题，而造成传统控制理论少有成果的主要原因是： ( 1 ) 传统控制系统的设计与分析是建立在已知系统精确数学模型的基 础上，而实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性 等，一般无法获得精确地数学模型。 ( 2 ) 研究这类系统时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假 设在应用中往往与实际不相吻合。 ( 3 ) 刺于某些复杂的和包含不确定性的对象，由于无法解决建模问题， 所以根本不能以传统数学模型来表示。 ( 4 ) 为了提高性能，传统控制理论可能变得非常复杂，从而增加了设备 初始投资和维修费用，降低了系统的可靠性。 与此同时，在控制界人们开始认识到，许多系统中复杂性不仅仅表现在 高维性上，更多的则是表现在系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完 全性上，而近二十年来兴起的模糊控制能不依赖精确的数学模型，用模仿人 工手动控制的方法解决复杂系统的控制问题，往往取得了意想不到的效果。 本论文将结合具体实际工程( 武汉港迪自动化公司生产的5 4 0 t h 卸船机智 能电子防摇新技术研究) 研制基于智能控制技术的岸边桥式起重机智能电子 防摇新技术。 1 2 国内外研究动态删r ， 目前，国内岸桥防摇方式主要有机械式防摇( 包括机械液压式) 和电子 式防摇两大类。主要有以下几种形式： 国内发展概况： 1 机械式防摇 ( 1 ) 交叉钢丝绳减摇装置： 在行走小车上沿小车运行方向装设两组交叉悬挂的减摇钢丝绳及其驱 动装置，分别驱动液压泵，由于液压回路中安全阀的阻力，使钢丝绳产生张 力，从而防止岸桥吊具摇摆。这种装置当小车停车后5 秒内，摇摆幅度可减 到l o c m ，不影响起升绳的使用寿命，当减摇钢丝绳万一发生折断时，集装箱 也不至于掉下。但这种减摇装置增加了一套减摇钢丝绳卷绕系统，同时吊货 物和不吊货物时，减摇性能差异很大。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 分离小车式减摇装置： 这种减摇装置的工作原理是，当小车行走时，前后两组小车通过螺杆驱 动机构向两头分离，使起升钢丝绳形成v 字型，从而起到减摇效果。当行走 小车停止运行后，起升或放下货物时，前后两组小车自行靠拢，使起升钢丝 绳和不起升钢丝绳都不致碰撞船舱。这种减摇装置使小车重量增大，构造也 较为复杂。 ( 3 ) 跷板梁3 式减摇装置： 它由跷板梁和装在行走小车上的液力缓冲缸组成。当行走小车以额定速 度行走时，集装箱将大致位于行走小车的中心线上。当行走小车减速时，山 于惯性的作用，集装箱将摆向前方，从而使跷板梁也跟着倾斜，在这种情况 下，跷板梁的倾斜能量将由液力缓冲缸吸收。由于货物往前进方向的摆动受 到阻力，于是货物将向相反的方向摆动，此时，跷板梁也跟着向相反的方向 倾斜，并迅速吸收货物的摇摆能量。如此往复数次，便将货物的摇摆能量转 化为跷板梁的转动能量，并迅速吸收而使其缓冲，以此达到减摇的目的。这 套系统结构复杂，可靠性差，维修保养工作量大，减摇效果并不十分理想。 目前国内的上海振华港机厂已研制出代替它的制动器机械阻尼式减摇装置， 听说取得了不错的效果。美中不足的是需要增加一套专用的机械装置。 2 电予式防摇和机械电子式防摇 国内，电子防摇在岸边桥式起重机上的应用，基本上还是靠引进国外技 术为主，象：上海海得，上海港机厂等，然后在此基础上进行- 次丌发。很 少有自己独立开发研制的。 除此之外，也有部分厂家正在研制机械和电子相结合新型防摇系统，如 上海振华l f 在研制的主动式防摇和对箱技术。其主要的工作原理是： ( 1 ) 在小车与吊具上架之问，用倒三角形式悬挂系统。当吊具升起一 定高度后，由于悬挂系统刚性大，小车与吊具问不能相对移动，小车停止， 吊具也就停止了，货物不会发生摇摆。 ( 2 ) 利用激光测距系统，测量目的点与小车间的水平和垂直距离。通 过p l c 控制小车的速度和停止位置。 ( 3 ) 提高起升和小车速度( 起升速度9 0 m m i n ，小车3 5 0 m m in ) 。山于 必须将货物提爿到一定高度，这个倒三角系统才起作用，解决货物的止摇问 题因而提高起升速度是完全必要的。 4 武汉理工大学硕士学位论文 此套防摇系统目前正在研发之中，具体应用效果如何，还得等待实际检验。 国外发展概况： 目前，国外岸桥防摇方式主要采用电子式防摇装置。其工作原理是： 在小车架下安装一个发射装置( 有的用激光发射器，有的用一摄像头) 和一个接收装置，在吊具上架安装一个反射器。当吊具前后摆动时，接收装 置检测到吊具前后摆动的角度，从而控制小车的运行方向和速度，将这个摆 动角度限制到最小，达到肪摇的目的。西门子、a b b 、t e 和安川i 等电器公司 均采用这种方式。此种方法防摇的效果明显。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文的研究目标是： 通过对集装箱起重机运动特性及工况的分析研究，建立高效简单的起重 机运动的力学模型和模糊数学模型并对其进行分析计算，结合传统控制理 论，设计出能应用于具体工程实际但价格比较低廉的岸边桥式起重机智能电 子防摇系统，力争使港口的起重运输效率提高2 0 以上。 研究内容包括： 1 模糊智能控制防摇机理的研究 2 模糊控制算法研究 3 抓斗和集装箱摆动的数学模型研究 4 岸桥智能电子防摇系统的研制 5 小车钢丝绳偏摆角及角加速度的测量研究 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章模糊逻辑基础 研究模糊控制，首先必须学习模糊逻辑的有关知识。本章的主要内容是 简单介绍模糊数学的基本概念及模糊集、模糊关系及其运算等。 2 1 模糊集合与隶属函数 2 1 1 模糊集合的基本概念及表示方法 人们为了识别事物，需要对事物按不同的属性进行分类，依据一定的标 准把不同的事物归于这一类或不归于这一类。在数学上，把其有特定属性的 对象的全体称为普通集合。对于一个元素x ，它要么属于集合a ，要么不属 f 集合a ，只有这两种可能性。 这个特征可以用特征函数心( 功来描述。函数卢。( x ) 只取o 或1 。 ，、fl 当x 属于集合a 时 p o 。产10 当x 不属于集合a 时 然而，自然界中很多事物和概念却并不能这样简单地描述。在人们的思 维中有许多没有明确外延的概念，即模糊概念。表现在语言上有许多模糊 概念的词，如以人的年龄为论域，那么“年青”、“中年”、“老年”都没有明 确的外延。 为了表示类似的这样一些模糊概念，模糊数学的创始人扎德( z a d e h ) 教授给出了模糊集合的定义： 设给定论域u ，u 到 o ，1 闭区间上的任一映射。都确定u 的一个模糊予 集a ：月：u 一 0 ，1 u 一月( u ) 。称为模糊子集的隶属函数，u 。( u ) 称为对于一的隶属度。隶属度也可记 为a ( u ) 。在不混淆的情况下，模糊子集也称为模糊集合。这样，一个元素x 属于某一个模糊集合的程度可取 0 ，1 之间的所有实数，以隶属度表示为： 6 武汉理工大学硕士学位论文 f1 表示z 完全属于集合a ( x ) = 0 表示x 完全不属于集合a。( x ) 0 ，1 一 l 其它值表示z 属于集合4 的程度一 模糊集有几种表示法，综合考虑通用性和合理性，本论文主要采用 z a d e h 表示法。 ( 1 ) u 为有限集合 “1 ，“2 ，“。 时的z a d e h 表示法如f ： a ( u 1 ) a ( u 2 )a ( u 。) a = - 二一+ _ = 一+ + - 二一 “l“2“h a ( u ) 其中兰并不表示“分数”，而是表示论域中的元素”，与其隶属度a ( u ) “ 之问的对应关系。“+ ”也不表示“求和”，而是表示模糊集合在论域u 上的 整体。 ( 2 ) u 为有限连续域时，z a d e h 给出如下记法： r h a ( ) 4 2l b a ”) 同样，产并不表示“分数”，而表示论域上的元素u 与隶属度! ( 。) 之 间的对应关系；“j 既不表示“积分”，也不是“求和”，而是论域u 上的 元素u 与隶属度肌) 对应关系的个总括。 2 1 2 模糊集合的运算 在对模糊子集进行变换以及实现各种模糊推理时，都要涉及模糊集合的 运算，我们将模糊集合逻辑运算的计算公式称为模糊算子。 对于普通集a 和b ，一般有它们的“并”、“交”、“余”等运算，同样， 对于模糊集合，也可以定义它们的“并”、“交”、“余”运算。在执行模糊集 合运算时，要求参加运算的集合的元素的个数要相等。 7 武汉理= 大学硕十学位论文 ( 1 ) a ，b 的逻辑交用爿n 占表示，其元素的隶属度为 。! ( 一) = m i n ( , u ! ( t ) ，绚( 一) ) ( 2 ) 粤，拿的逻辑并用g u 量表示，其元素的隶属度为 蚋( = 心( 钓( 勘饮( ) ) ( 3 ) 掣的逻辑余用4 。表示，其元素一的隶属度为 卢a ，( 一) = 1 一! ( ) 佃| ： 粤= 形+ 0 + m + o b = 0 2 a + o + 0 + o 则全u 皂= 形+ o ，+ o + o 全n 拿= n + o + o + o a 【= + o + 0 + o 除以上介绍的这三种逻辑运算外，还有其它形式的逻辑运算，根据本论 文的需要，在此不作一一介绍。 2 1 3 隶属函数 正确的确定隶属函数，是运用模糊集合理论解决实际问题的基础。隶属 函数是对模糊概念的定量描述。我们遇到的模糊概念不胜枚举，然而准确地 反映模糊概念的模糊集合的隶属函数，却无法找到统一的模式。隶属函数的 确定，一般是根据经验或统计进行确定，也可由专家、权威给出。 2 1 3 1 隶属函数的常用确定方法 ( 1 ) 模糊统计法 此方法采用抽样调查，然后进行模糊统计的方式确定隶属函数。如果调 查对象足够多，也会出现像概率统计一样的稳定性，用此方法求取隶属函数 是切实可行的，不足之处是工作量较大。 8 武汉理工大学硕士学位论文 隶属频率卢= 鱼鱼堑叠茎翥耋翥鬟塞絮暑燮 ( 2 ) 例证法 例证法是z a d e h 在1 9 7 2 年提出的，主要思想是从已知有限个胁的值， 来估计论域u 上的模糊子集a 的隶属函数，在此不作详细介绍。 ( 3 ) 专家经验法 根据专家的实际经验，加上必要的数学处理，确定隶属函数的方法。本 论文即为采用此方法。 2 1 3 2 隶属函数的类型1 9 1 1 ”1 隶属函数的类型众多，在实际控制问题中，一般我们都选三角形或梯形 函数作为模糊集合的隶属度函数，在此仅介绍一下本论文采用的隶属函数。 ( 1 ) 三角形函数 它是最简单的隶属度函数，在m a t a i b 中，其函数名是t r i m f ，如下图 2 1 所示，它的图形就是由三个点所决定的三角形，实际上也就是一种特殊 的分段线性函数。 ( 2 ) 梯形函数 它也是一种由直线构成的隶属度函数，在m a t l a b 中，其函数名是 t r a p m f ，如下图2 ，2 所示。 7 彤 爿 tr i m f ，p 368 】 图2 i 三角函数 9 图2 2 卜 15 78 梯形函数 叫 如 m 武汉理工大学硕士学位论文 实际应用表明，由于此两类函数的数学表达和运算简单，所占的内存空 m 小，并且与采用其它复杂形状的隶属度函数相比，在达到控制要求方面并 无大的差别，因此被广泛采用。 2 2 模糊关系及其合成运算r 2 2 1 模糊关系及其运算 语言控制规则中的模糊概念由模糊集合来描述，控制规则的推理则由模 糊关系来描述，模糊变换则是控制决策的基础。 221 1 模糊关系 模糊关系是普通关系的推广，在模糊集合论中，模糊关系占有重要的地 位。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。下面给出模糊关系的定义。 以集合a 和b 的直积a b ，即：a b = ( ( ，b ) i 口a ，b b 为论域的一 个模糊予集月，称为集合a 到b 的模糊关系。如果( d ，6 ) a b ，则称u 。( d ，6 ) 为( n ，6 ) 具有关系r 的程度。( 口，b ) 也可简记为r ( a ，6 ) 。 对于模糊关系，有如下几点： ( 1 ) 集合a 和b 相等时，即a = b 时，则称月为“a 上的模糊关系”。 ( 2 ) 当论域为1 1 个集合的直积，即a 。a ：a 。则称r 为n 元模糊关 系。 ( 3 ) 在一般情况，如不作特别声明，则r 表示二元模糊关系。 ( 4 ) 当。( 日，6 ) 只取值0 、l 时，模糊关系退化为普通关系。 对r 模糊集合a 和b 的直积湫曰，其中的子集r 称为a 到b 的模糊关 系。并i = l 定义：月( 口，6 ) = ( d ) au 。( 6 ) 或r ( 口，6 ) = m i n ( , u 。( 日) ，月( 6 ) ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 2 模糊关系运算 本论文所关心的模糊关系运算主要包括模糊关系的交、并、补运算。故 下面仅讨论此i 种算法。 设r 、s 是ax b 上的模糊关系，则定义如下： ( 1 ) 交：矗n s = 月( ，6 ) ，肛s ( ，6 ) 】，v ( a ，b ) a b ( 2 ) 并：r u s = v i # 月( d ，6 ) ，s ( d ，6 ) 】，v ( a ，b ) a b ( 3 ) l ：r 。= 。( ，b ) = l 一月( ，6 ) ，v ( a ，b ) a b 一 h 2 2 2 模糊关系合成运算 2 2 2 1 模糊关系合成的定义 设u ，v ，w 是论域，q 是u 到v 的一个模糊关系，r 是v 到w 的一个模 糊关系，o 对r 的合成q 。r 指的是u 到w 的一个模糊关系，它具有隶属函数： f i l q o r 一( “，w ) = 善【p 。o ，v ) ! d ，w ) 】 ( 2 4 ) 当论域u ，v ，w 为有限时，模糊关系的合成可用模糊矩阵的合成表示。 设q ，r ，s 三个模糊关系对应的模糊矩阵分别为 q ( q 。lr = ( r j l 。) 。s = s i k ) 。 则有s 。= b f “咏j ( 2 5 ) 即用模糊矩阵的合成o 。r = s 来表示模糊关系的合成o 。r = s 。 一 一 例：设有模糊关系矩阵s 和q 如下： 一 璺=量。g=l(。0。1a0。6。)vv(0。29a0。3，；：。0。1a0。7。)vv(0。2。a0。44) l 0 20 2l l 0 60 71 显然，上述运算只有量的列数和旱的行数相等才有意义a s 锄翻2 嚣翻 = o 3o 9 f2 = f o 3 o 4 j 武汉理工大学硕士学位论文 22 2 2 模糊亚换 当枣= ( a 。，a ，a 。) 是一个模糊子集，而 一。i n 盼l i lo n j 是一个m n 维模糊关系矩阵，则称 a o b = b 为一个模糊变换，它可以确定唯一的胛维模糊子集b = ( 岛，b 2 钆) 例：存在模糊集a 和模糊关系矩阵r 分别如下： i o 50 30 1 o 2 - 1 r ，2 1 0 6o 40o 1 l 垒= ( o 7 o 1 o 4 ) l 00 30 6 0 3 j 则合成运算b = 爿。只是把模糊集爿通过模糊关系变换为模糊集b ： 0 5 0 3o 1 o 2 b 2 4 。r 、= ( o 7 o 1 o - 4 ) i o 6o 4o o 】j 【0 0 30 60 3 l 。( ( o - 7 a 0 5 ) v ( o 1 a 0 6 ) v ( 0 4 o ) ，( 0 t a 0 - 3 ) v ( o 1 a 0 4 ) v ( o 4 a 0 3 ) ( 0 7 a 0 1 ) v ( 0 1 a 0 ) v ( 0 4 a 0 6 ) ，( 0 7 a 0 2 ) v ( 0 i a 0 1 ) v ( o 4 a 0 3 ) ) = ( 0 5 0 3o 4 0 3 ) 在上面求取b 的过程中，如果： 爿是输入量论域v 上的模糊集，占是输出量论域w 上的模糊集，r 是输 入和输出论域v 和之间的关系。 那么，上述b = 爿。r 过程就是从输入到输出的模糊变换过程，也就是输 入量a 通过输入输出关系r 求取输出量b 的过程，所得结果就是输出模糊控 制量。可见，模糊关系合成是得到模糊控制输出的关键，所执行的运算在控 制上意义重大。 】2 武汉理上大学硕士学位论文 第3 章模糊智能控制理论基础 3 1 模糊智能控制原理 3 1 1 模糊控制的基本思想u 2 h ”1 自1 9 6 5 年美国加州大学l a z a d e h 教授发表了关于模糊集的开创性论 文以来，模糊理论经历了三十多年的艰难发展，到今天已成为国内国际研究 的热点，并被权威人士评价为2 l 世纪的核心技术。 传统的控制理论( 经典的和现代的) 设计一个控制系统，需要事先知道 被控制对象( 或生产过程) 精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的 性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而，在许多情况下 被控对象( 或生产过程) 的精确数学模型很难建立。因为此类过程的变量多， 各种参数又存在不同程度的时变性，且过程具有非线性、强耦合等特点，因 此建立这一类过程的精确数学模型困难很大，甚至办不到。这样一来，对于 这类对象或过程就难以进行自动控制。 丽模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一 种计算机数字控制。从线性控制和非线性控制的角度分类，模糊控制是一种 非线性控制。从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴。它避丌 数学模型，直接用机器来模仿人的思维。由于模糊控制对被控数学模型的依 赖性不强，因此，对于那些因过程本身的不确定性、不精确性及噪声而难于 建立数学模型或数学模型粗糙复杂( 如非线性、具有大时滞时变及耦合十分 严重等) 的系统，用模糊控制更具优越性。 智能控制是人工智能、控制理论和管理科学相结合的产物。它依靠知识 模型，把人类社会数以千万计的技术和非技术的人类行为和经验，归纳为若 干系统化的规则( 或规律) ，实现对系统的“拟人智能”控制。 模糊控制作为智能控制的一种类型，是控制理论发展的高级阶段的产 物，其研究对象具备以下一些智能控制对象的特点： ( 1 ) 模型不确定性 ( 2 ) 非线性 ( 3 ) 复杂任务的要求 武汉理工大学硕士学位论文 模糊控制方法与通常分析系统所用的定量方法在本质上足不同的，它有 三个主要特点： ( 1 ) 用语言变量代替数学变量或者两者结合应用： ( 2 ) 闩= j 模糊条件语句来刻画变量问的函数关系： ( 3 ) 用模糊算法来刻画复杂关系。 3 1 2 模糊控制系统的基本组成 前面已指出，模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。因此，模糊控 制系统的组成类同于一般的数字控制系统，其方框图如图3 1 。 拿定 。一f 亚h 嘲匦卜吨画捌_ 睁斓孽爷基、 i 【 一一_ 1 堡竺塑f 1 图3 1 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般分为四个部分： ( 1 ) 模糊控制器： 实际上是一台微计算机，根据控制系统的需要，既司选用系统机，又可 选用单板机或单片机。 ( 2 ) 输入输出接口装置： 模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊 控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行 机构去控制被控对象。 在i o 接口装置中，除m d 、d a 转换外，还包括必要的电平转换线路。 ( 3 ) j 1 义对象： 包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的、定常或时 变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种 情况。被控对象缺乏精确数学模型的情