（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊pid的恒压供水控制系统设计.pdf

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作善签名：鲰日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 ， 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) i 论文作者签名：匠孽整导师签名：毽玉暨# 二日期： ii r _ l i _j，班。 山东入学硕i j 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 供水控制系统的发展现状1 1 2 恒压供水控制系统国内外研究现状2 1 3 模糊控制在恒压供水控制系统中的应用2 1 4 模糊恒压供水控制系统的研究意义3 1 5 论文的主要研究内容4 1 6 本文的主要工作4 1 7 本章小结5 第二章系统的模糊控制及其算法一6 2 1 模糊控制理论的产生及发展6 2 2 模糊控制的特点6 2 3 模糊控制器的结构7 2 3 1 模糊控制规则。9 2 3 2 模糊化接口9 2 3 3 隶属度函数的确立9 2 3 4 去模糊化1 2 2 4 恒压供水控制系统模糊控制器设计1 2 2 5 量化因子及比例因子的选择1 5 2 6 本章小结1 6 第三章恒压供水控制系统理论分析与仿真1 7 3 1 恒压供水的原理1 7 3 1 1 j 叵压供水系统的特点1 7 3 1 2 供水系统的主要参数【1 9 】一1 8 3 2 变频恒压供水系统的数学模型1 9 3 3 系统的s i m u l i n k 软件仿真2 0 3 4 本章小结2 3 第四章系统的硬件电路设计2 4 4 1 系统的工作流程2 4 4 2 结构概述2 4 4 3 各部分硬件电路的结构设计及其功能概述2 5 4 3 1 电源电路、稳压电路及复位电路2 6 i 山东人学顾，l 学位论文 4 3 24 - - - 2 0 m a 电流转换到0 - 3 3 v 电压的电路2 7 4 3 3 信号输入电路_ = 2 8 4 3 4 键盘电路。2 9 4 3 5l c d 模块_ 3 0 4 3 6 信号输出电路3 l 4 4 控制结构图：31 4 4 1 变频恒压供水系统的控制流程3 2 4 4 2 控制系统_ o 。- 二_ i j 3 4 4 5 硬件电路抗干扰没计：3 5 4 6 本章总结_ 。3 6 第五章系统的软件设计3 8 5 1 集成开发环境a d s 3 8 5 2 软件设计- ：一o 3 9 5 2 1l p c 2 1 3 8 的初始化设计- = _ ：- ：4 0 5 2 2 液晶显示程序设计4 1 1 5 2 3 故障检测子程序4 2 5 2 4 按键设置程序设计。4 3 + 5 2 二5 串口通讯程序设计_ 4 4 ： 5 2 6 模糊控制程序算法4 5 5 3 本章总结：j ：4 7 总结与展望j j ：_ ：4 8 参考文献：_ 5 0 致 射。5 3 攻读学位期间发表的学术论文_ 二5 4 山东大学顽l ：学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i ) ，i a b s t r a c t i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n ：。1 1 1d e v e l o p m e n to fw a t e rs u p p l ys y s t e m 1 1 2t h es t a t u so f w a t e rs u p p l ys y s t e m j ：2 1 3a d a p t i v ef u z z yc o n t r o li nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m 二2 1 4f u z z yc o n t r o li nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m ：3 1 5t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 7 ! 4 1 6t h ew o r ko f t h i sp a p e r s ，：j ：z i 1 7c h a p t e rs u m m a r y ：；5 c h a p t e r2f u z z yc o n t r o la n da l g o r i t h m 一：；6 2 1t h eg e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff u z z yc o n t r o lt h e o r y ：6 2 2t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f u z z yc o n t r o l ；：j j 6 2 3f u z z yc o n t r o l l e rd e s i g n ：7 2 3 1f u z z yc o n t r o lr u l e s j ! ：。? j 9 2 ：；2f u z z i f i c a t i o ni n t e r f a c e ；：9 2 3 3m e m b e r s h i pf u n c t i o n s 9 2 3 4d e f u z z i f i c a t i o n i l ：2 1 2 4f u z z yc o n t r o la p p l i e di nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，12 2 5q u a n t i t a t i v ef a c t o r sa n dt h ec h o i c eo f s c a l i n gf a c t o r 1 5 2 6c h a p t e rs u m m a r y ：16 c h a p t e r3s i m u l a t i o no ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e m ：17 3 1t h ep r i n c i p l eo fc o n s t r a l tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m 17 3 1 1t h ef e a t u r eo fc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m 17 3 1 2t h em a i np a r a m e t e r so f t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m 18 3 2t h em o d e lo fc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m 19 3 3s i m u l i n ks o f t w a r es i m u l a t i o ns y s t e m 2 0 ：；4c h a p t e rs u m m a r y 2 3 c h a p t e r4h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n 2 4 4 1s y s t e mw o r k f l o w ：! z i 4 2s t r u c t u r eo v e r v i e w 2 4 4 3v a r i o u sp a r t so ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n 2 5 4 3 1p o w e rc i r c u i t ，v o l t a g er e g u l a t o ra n dr e s e tc i r c u i t 2 6 一一一坐奎查堂堡：! ：堂垡笙塞 一一- _ _ _ - - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。+ 一一。 4 3 2c u r r e n tt ov o l t a g ec o n v e r s i o nc i r c u i t 2 7 4 3 3s i g n a li n p u tc i r c u i t 2 8 4 3 4k e y b o a r dc i r c u i t 2 9 4 3 5l c dm o d u l e 3 0 4 3 6s i g n a lo u t p u tc i r c u i t ：3 1 4 4c o n n d lc h a r t ：3 1 4 4 1c o n t r 0 1p r o c e s s 3 2 4 4 2c o n t r o ls y s t e m 3 4 1 4 5a n t i - j a m m i n gd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t 3 5 4 6c h a p t e rs u m m a r y 3 6 c h a p t e r5c i r c u i td e s i g ns y s t e m s o f t w a r e 3 8 5 1i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta d s ：一3 8 5 2s o f t w a r ed e s i g n 3 9 5 2 1i n i t i a l i z e dd e s i g nl p c 2 1 3 8 ? 4 0 5 2 2l c dp r o g r a m m i n g - 4 1 5 2 3f a u l td e t e c t i o ns u b r o u t i n e ：4 2 5 2 4k e y b o a r dp r o g r a m m i n g 4 3 ：5 2 5s e r i a l p r o g r a m m i n g 4 4 5 2 6a l g o r i t h mf o rf u z z yc o n t r o l p r o c e d u r e s 4 5 5 3c h a p t e rs u m m a r y 4 7 s u m m a r ya n do u t l o o k ：4 8 r e f e r e n c e s 5 0 a c k n o w l e d g e m e n t 5 3 p u b l i s h e dp a p e r s 5 4 山东人学顾一f ：学位论文 摘要 随着经济社会的高速发展，能源的需求越来越大，人们对供水系统可靠性的 要求也不断提高，采用先进的自动化控制技术来设计高节能、高可靠性的恒压供 水系统成为必然趋势。由于供水系统具有严重的非线性和时变性，无法用线性化 方法近似，传统p i d 控制器的参数很难调整、适应性差。针对此问题，本文研究 了供水的恒压控制，分析了恒压供水出水压力变化的特点及控制难点。在参阅大 量的中外文献并结合实际控制要求的基础t ，对基于模糊控制的恒压供水控制系 统进行了理论研究和工程设计，提出了模糊控制的方法，对模糊控制进行了实验 研究，取得了理想的控制效果。 恒压供水系统的工作，水泵由初始状念向管网供水，一般分为压力上升过程 和恒压过程。压力上升过程可近似为一个大时间常数为t l 的一阶惯性环节；恒 压过程，压力可认为基本保持不变，是一个纯滞后过程。变频器和电机可近似等 效为带死区时间t 的一阶惯性环节。系统中的其它控制和检测环节，如继电器控 制等可以等效为放大环节。这样系统就可以等效为两个一阶惯性环节和纯滞后环 。 节组成的系统。 控制系统是以管网水压为设定参数，根据用水量的多少由单片机控制投入运，? 行的水泵数量及电机的转速，实现管网水压的闭环调节。即恒压供水。本文主要 工作包括： - 1 研究了恒压供水系统的系统构成及工作原理，并对各环节总结近似的数学 模型。 2 根据系统的工作原理和数学模型，设计模糊控制器，并利用m a t l a b 的， s i m u l i n k 仿真，验证系统的设计。 3 根据仿真结论，设计控制系统，给出了系统框图、控制原理图。研究了控 制系统的总体硬件结构，确立了各部分硬件模块的功能，给出了一些典型电路设 计和电动机的控制及电路原理图。 4 详细研究了p i d 控制算法以及程序总体设计思路，设计了主程序模块、p i d l 山东大学硕上学位论文 模块、检测模块、水泵控制等模块。 ： 。： 关键词：模糊p i d ；恒压供水；变频调速 山东人学硕i j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y ，e n e r g yr e s o u r c e sa r e s e r i o u s l yl a c k i n g a tt h es a m et i m e ，t h ed e m a n d sf o rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fw a t e r s u p p l ys y s t e ma r ei n c r e a s e dc o n t i n u a l l y s oi ti si n e v i t a b l et e n d e n c yt od e s i g no n e k i n do fw a t e rs u p p l ys y s t e mw h i c hi sh i g hr e l i a b l ea n ds a v e so ne n e r g yw e l l ，w i t ht h e h e l po fa d v a n c e dt e c h n i q u eo fa u t o m a t i o na n dc o n t r 0 1 t h em o d e lo ft h ew a t e rs u p p l y s y s t e mi si n t r i n s i cn o n l i n e a ra n d t i m ev a r i a n t ，w h i c hm a k e si td i f f i c u l tt ol i b e r a l i z et h e p l a n t t h u st h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rc a n n o ta d a p tt ot h ec h a n g e s t ot a c k l et h i s p r o b l e m ，w eh a v ed e s i g n e da na d a p t i v ec o n t r o l l e r t h ep a p e rr e f e r e n c e sal o to fc h i n e s ea n df o r e i g nl i t e r a t u r ea n dc o m b i n e s p r a c t i c a lc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，a n dc o n d u c tt h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r o j e c td e s i g no n c o m p u t e rc o n t r o l l e dc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m t h ep a p e rc o m b i n e s g e n e r a lc o n t r o lw i t hf u z z yc o n t r o l ，a n db r i n g sf o r w a r da ni n t e l l i g e n tc o m p l e xc o n t r o l s c h e m e ，a n dg i v e sad e t a i l e da n a l y s i sa p p r o a c h a n dc o n t r o la r i t h m e t i c t h i st h e s i s c o m p a r e sg e n e r a lc o n t r o lw i t hf u z z yc o n t r o la n da n a l y z e st h e mw i t hm a t l a b ( m a t r i x l a b o r a t o r y ) ，a n dt h e na p p l i e st h i s c o n t r o l l e rt ot h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y c o n t r o l ，a n da c h i e v e si d e a lc o n t r o le f f e c t t h es y s t e mi sb a s e do ns e t t i n gp a r a m e t e r sf o rt h ep i p e l i n ep r e s s u r e ，t h es i z ef o r u s a g ea r ec o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e ri no p e r a t i o no ft h ep u m pn u m b e ra n dm o t o r s p e e d ，t oa c h i e v ec l o s e d l o o pp i p en e t w o r kw a t e rp r e s s u r er e g u l a t o r ，t h a ti st oa c h i e v e c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y t h em a i nw o r ko ft h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，t h es y s t e m s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e c o m p o n e n t si nt h es y s t e m ，g i v e nt h es y s t e mb l o c kd i a g r a mo fc o n t r o lp r i n c i p l e ， a n dt h i ss y s t e mt h em a i nf u n c t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o t t w a r e ，ab r i e fi n t r o d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，s e to ff u z z yc o n t r o l l e r ，u s i n gm a t l a b s s i m u l i n ks i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o ns y s t e mw o r k s i l l 山东人学硕l ：学位论文 o ft h ec o n t r o ls y s t e m so v e r a l lh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，a n de s t a b l i s h e dv a r i o u s p a r t so ft h eh a r d w a r em o d u l ef u n c t i o n ，g i v e ss o m et y p i c a lc i r c u i t ：s t u d i e so ft h e m o d e la n dt h ed e v i c eo p t i o n s ，o nt h eu s eo fv a r i o u sc h i pf e a t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s d e s c r i b e di nd e t a i l ；o ft h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g nc i r c u i t ，g i v e nt h es y s t e mh a r d w a r e d e s i g nc h a r t sa n dm o t o rc o n t r o lc h a r t k e y w o r d s ：f u z z yp i d ；c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y ；f r e q u e n c yc o n t r o l i v 山东大学硕l ：学位论文 第一章绪论 供水系统是一个城市的重要组成部分，它关系到城市的生存和发展。由于供 水系统受到许多因素影响，因此，它是一个多目标、非线性、复杂的系统。在实 际的生活中，城市供水系统存在很多问题急需解决，像对多个水源多个水泵的优 化调度，管网压力的平衡，如何减少管网漏水量，降低水泵的耗电量，提高水泵 的效率；供水的水质如何保证，让人们饮用放心的自来水，提高人民的身体健康； 如何在发生意外情况时，进行有效的处理等【1 2 - 1 。本论文就供水系统中的管网压 力平衡问题，采用控制管网压力，利用模糊控制理论对管网进行恒压供水控制。 以前的供水系统在居民生活用水、工业用水、自来水厂、油田、锅炉定压供 热中大多采用高位水箱、老式的水塔、气压增压等，不仅占地面积大，投资大， 维护困难，而且不能满足高层建筑、高水压工业、大流量、快速供水的需要。同 时，由于供水量的随机性，采用这些设备难以保证水压的稳定性和供水的实时 性。 随着科学技术的进步以及微机技术和大规模集成电路的迅速发展，交流电机 的变频调速技术已经越来越完善，对交流异步电动机的调速也越来越先进，现在 利用变频调速器来调速，其性能优于以往的调速方式。最近几年，利用单片机设 计的变频调速恒压供水系统在我国逐渐盛行起来，它是变频调速技术和微机控制 技术在供水系统中最典型的应用，具有节能、造价低、自动化程度高、安全、供 水压力稳定等优点，适用于高层建筑、住宅小区的自动供水，同时安装调试方便， 可靠性高，抗干扰能力强，性能满足系统设计要求【3 1 。 1 1 供水控制系统的发展现状 现在的恒压供水系统所应用的电动机调速装置大多采用交流变频控制技术， 系统的控制装置采用单片机控制器，目前国内不少公司采用变频器控制水泵的转 速，做变频恒压供水工程。对于水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制 方案，有的采用可编程控制器p l c ，有的采用单片机。这两种控制方案从可靠性 方面讲，p l c 优于单片机；从经济性、优化、算法等方面看，单片机优于p l c 。 山东人学硕一k 学位论文 这两种方法，前者容易实现，软启动器一般为成品部件，但设备投资较大；后者 设备投资少，但频率波动大，易引起管网压力不稳定。这两种方法都可以实现水 泵的逻辑控制，并可完成系统的模糊逻辑p i d 控制，还可以对系统中的各种运行 参数、控制点的进行实时的显示，并完成系统运行的故障报警及打印报表等功能。 自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现 城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控。 1 2 恒压供水控制系统国内外研究现状 、 发达国家的供水控制技术比较成熟，并且在实践中得到了推广应用【4 j 。模糊 控制、专家系统等控制技术，在供水控制系统中进行了基础性研究。国内的恒压 供水控制装置大多采用p i d 控制或模糊控制，适应性不强，控制精度较低，参数 整定和调试麻烦。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软启动 器的方法进行降压起动；也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器的输 出为零，再切换到工频电源上。模糊控制变频调速恒压供水系统，是根据用水量 的多少，自动调整系统参数，实现恒压供水。 ， 1 3 模糊控制在恒压供水控制系统中的应用 模糊控制是指能适时地调节系统的控制参数，以适应外界变化、系统本身参 数变化，降低系统对外界干扰的影响，使整个控制系统能够以最佳的状态在某一 性能指标下运行。 在系统模型己知的情况下，可以采用模糊控制的方法；当然，系统模型未知 或者部分已知的系统，也可以采用模糊控制的方法，这是模糊控制方法最显著的 ，一个特点。 通过设计一个模糊控制器，使被控对象的输出满足其系统的动态性能。对于 一个控制系统，传统的控制方法，如p i d 控制、最优控制、状态反馈控制等，其 控制对象只能是一个参数和状态已知的系统，它的控制策略是建立在系统已知的 基础之上。而模糊控制的控制策略和控制规律是建立在系统未知的基础之上，他 不但能抑制外界干扰和环境变化对系统本身参数的变化，而且在某种程度上，还 2 山东大学颁 j 学位论文 能有效的消除模型化对系统误差的分析的影响。， ? 变频调速恒压供水控制系统由水泵、电机、变频器等多个环节所组成，整个 系统涉及的参数比较多，其中很多的参数都难以测定，而且有一部分参数在系统 运行的过程中发生变化。水泵的工作具有很强的非线性特性，管路术端用水量的 变化以及电力负载的波动及其特性的变化等都将导致水泵恒压运行的工况点发 生改变，从而影响系统的参数5 1 。 恒压变频供水在理论上是较为理想和先进的。首先恒压变频供水能够保证出 水压力不变，还可以根据终端用水量的大小进行变频恒压供水，不但能够节约电 能，而且保证水泵降压软启动，减少对电网电压冲击，各台水泵轮换使用，延长 水泵的使用寿命。大多数的系统采用先投入使用的水泵先退出运行的控制策略， 这样，各台水泵的使用时问均匀，而且，一旦水泵出现故障，该系统能跳过故障 t 泵运行。 对于供水这样的复杂控制系统，参数可变，理论上难以建立精确的数学模型， 利用常规的p i d 控制器，难以保证在任何工况条件下系统始终具有最佳的控制性 能。模糊控制是建立在人工经验基础之上，无需知道控制对象的数学模型，它采 用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制舰则进行推理以 获得合适的控制量，具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但缺点是控制精 度不高，研究表明，模糊控制和p i d 控制结合是提高控制性能的有效手段 6 。为 了有效地提高变频调速恒压供水系统的控制精度和鲁棒性，本文设计了 f u z z y p i d 控制器，利用模糊逻辑对p i d 参数进行在线调整，实现供水管道的压 力恒定。 1 4 模糊恒压供水控制系统的研究意义 p i d 控制算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控 制中。在可建立精确数学模型的确定性的控制系统中，用常规的p i d 控制就可达 到控制要求。然而对于非线性、时变、参数不确定、难以建立精确数学模型的生 产过程，由于参数很难确定，用常规的p i d 控制很难描述其生产过程。如果能够 不断的测量被控对象的性能和参数，并反馈到控制器中，就可以使系统运行在某 山东人学硕l ：学位论文 种意义下的最优状态a 在供水控制系统中；由于水泵工作特性具有很强的非线性 和管路的滞后特性，传统的p i d 控制方式存在着不同程度的超调或振荡现象。因 此，对供水系统采用模糊控制来达到最优的状态。 模糊恒压供水系统能够根据供水管网的用水情况，调整水泵投入台数及转 速，实行全自动恒压供水，达到高效节能的目的，对电网无冲击，能延长水泵的 使用寿命。 ： 基于单片机的智能控制供水系统，基本上可以实现无人值守的供水工作，造 价低，- 维护方便，寿命长，给学校、企事业单位带来较好的社会效益。 1 5 论文的主要研究内容 1 首先分析系统的工作原理，研究了恒压供水控制系统的控制算法，介绍了 模糊控制的基本原理及存在的问题，提出模糊p i d 控制器的设计，建立了供水系 统的近似模型，对其进行仿真。 2 介绍了基于a r m 控制系统的硬件电路结构框图，对信号输入电路、压力 检测电路、a d 转换电路、信号输出电路等进行了设计，并介绍了硬件电路设计 中采取的抗干扰措施。 3 设计了供水系统主程序流程图、串口通讯服务程序流程图、l c d 液晶显示 模块、模糊p i d 控制算法的软件设计，以设计的硬件为开发平台，进行初步的调 一 试。 1 6 本文的主要工作 第一章绪论中介绍了此系统的课题背景和当前的研究成果、国内国际的研究 现状，介绍了论文的主要工作。 第二章研究了模糊控制系统的理论，论述了模糊控制理论的发展、以及模糊 控制在供水系统中的运用，包括系统的模糊化理论、模糊控制规则的建立、解模 糊化等过程。 第三章中研究了恒压供水系统的系统构成及工作原理和系统的软件仿真。根 4 “j 东人学硕l ：学位论文 据系统的工作原理，设置模糊控制器，利用m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真，验证系 统的设计。 第四章论述了系统的构成，给出了系统框图、控制原理图，并对系统中的硬 件和软件的主要功能做了简要的介绍。在系统的硬件设计部分，介绍了系统硬件 设计过程，研究了控制系统的总体硬件结构j 并确立了各部分硬件模块的功能， 给出了一些典型电路：研究了机型及器件的选择和系统硬件设计电路，给出了系 统硬件设计原理图和多台电机的控制原理图。 、 第五章重点介绍了软件设计开发的过程，详细研究了p i d 控制算法以及程序 总体设计思路，设计了主程序模块、p i d 模块、报警检测模块、水泵控制等功能 模块。 1 7 本章小结 本章详细描述了恒压供水控制系统的国内外发展现状和恒压供水控制系统 的意义，叙述了模糊控制在恒压供水控制系统中的意义，交代了论文的主要研究 内容和工作。 山东人学硕l ：学位论文 第二章系统的模糊控制及其算法 ， 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计算机智 能控制技术，在无法获知系统精确的数学模型的情况下，模仿人的思维方式，以 操作人员的经验为基础，根据操作者的语言表达来确定系统的各个参数和控制规 律，然后在实际系统中进行调试和整定的一种智能控制。 2 1 模糊控制理论的产生及发展 作为研究事物模糊性的一种方法，模糊集合理论最早出现在2 0 世纪6 0 年代 中期f 7 1 。z a d e h 教授为处理人的思维中普遍存在的模糊性，提出了模糊集理论。 模糊控制的特点，在z a d e h 的“模糊集”理论的基础上，对那些难以用数学解析 式描述的系统特性，用语言变量描述出来，从而在控制过程中，用模糊控制把人 的智能体现出来，将智能控制的高层次决策和低层次控制结合于一体，实现模糊 控制在系统中的运用，这些也是模糊控制的优点。 如今，在各行各业中，都可以发现模糊控制技术应用，家用电器设备己成为 主攻市场，诸如智能洗衣机、微波沪、吸尘器、空调机、照相机和摄影机，在工 业闭环控制系统中则有水净化处理、发酵控制、化学反应釜、水泥窑炉等；在专 用系统和其他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控制等等。 2 2 模糊控制的特点 模糊控制采用语言型控制规则，模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统 的适应能力，使之具有一定的智能水平。在设计中不需要知道被控对象的精确数 学模型，依据现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，分析系统的动态和静 态特性，这有利于增强模糊控制系统的鲁棒性，干扰和参数变化对控制效果的影 响将被大大减弱，控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于应用，尤其 适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制【8 ，9 1 0 1 。 6 山东大学硕j ：学位论文 从工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对 那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。常 规的控制器的设计方法是基于模型的控制算法，由于出发点和性能指标的不同， 容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则具有相对的独立性，利用这些控制 规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 模糊控制与常规的p i d 控制相结合，以模糊集合论、模糊语言变量、模糊推 理为思想基础，根据不同的e 和e c ，对p i d 控制器参数k p 、k i 、盛行在线聱 _ 定。这种控制器与传统的控制器相比较，具有响应快、超调量小、鲁棒性强的特 点。 模糊控制的核心部分是模糊控制器，其核心的控制规律是由计算机的程序实 现的，实现模糊控制算法的过程如下：经采样获取被控量的精确值，然后将此值 与给定值比较得到误差信号e ，一般选取误差信号e 作为模糊控制器的一个输入 量，把误差信号e 的变化快慢作为模糊控制器的另外一个输入量e c ，把误差信 号e 的精确量和误差变化率e c 的精确量进行模糊化变成模糊量。误差e 和误差。 变化率e c 的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差e 和误差变化率e c 的 模糊语言集合的一个子集e 和e c ，在由e 和模糊控制规则r 根据合成推理规则 进行模糊决策，得到模糊控制量u 。 甜：pdr( 2 1 ) 。 模糊控制器的设计包括以下几项内容： ： 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) 设计模糊控制器的控制规则 一 一 确立模糊化和非模糊化( 又称清晰化) 的方法 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数 编制模糊控制算法的应用程度 2 3 模糊控制器的结构 7 4 j 5 ijg ，上式对应的模糊关系r 为 r = a b x c ( 2 石) ( 2 7 ) 变量为u ， 将实际输入量e 和e c 进行模糊化，得模糊输入量a + 、b ，则输出c 。可用 山东大学硕 ：学位论文 式中，“o ”为合成算子。 2 3 1 模糊控制规则 模糊控制规则是基于专家知识或操作人员长期积累的经验，它是按人的经验 知识推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关键词连接而成，常用 的关系词为i ft h e n 、a l s o ，对于多变量模糊控制系统，还有a n d 等，他们通过 关系词将这些规则数值化。对于一个输入变量为e ( 误差) 和e e ( 误差变化) 的 模糊控制系统，输入变量对应的语言变量为e 和e c ，可给出一组模糊规则： r j ：i fei sn ba n de ci sn bt h e nui sp b r 2 ：i fe i sn ba n de ci sn st h e nui sp m 通常把i f 的部分称为“条件”，而t h e n 的部分称为“结论”，基本的结构可归纳 为