（计算机应用技术专业论文）具有执行机构非线性的稳定自适应模糊控制研究.pdf

摘要( a b s t r a c t ) 中文摘要 对于具有执行机构非线性特性的不确定非线性系统的自适应控制研究。是智能 控制领域的研究热点之一。本文就此领域的相关问题展开系列研究。 第一，针对一类非仿射非线性系统，利用隐函数定理和泰勒公式，将系统由非 仿射型转变为仿射型，然后基于变结构控制原理，并运用模糊逻辑系统对未知函 数进行在线逼近，提出了一种具有监督控制器的自适应模糊控制方法。该方法在 考虑到外界干扰的情况下，通过监督控制器保证闭环系统所有信号有界，进一步 通过引入最优逼近误差的自适应补偿项来消除建模误差的影响通过l y a p u n o v 方 法，证明了跟踪误差收敛到零 第二，首先针对一类具有未知类反斜线回滞的非线性s i s o 系统，基于交结构 控制原理，利用模糊逻辑系统对未知函数进行在线逼近，提出了具有监督控制器 的自适应模糊控制器设计方案。该方案首先通过监督控制器保证闭环系统的稳定 性，由此确定出建模的有界区域，然后再通过引入最优逼近误差的自适应补偿项， 保证跟踪误差收敛到零的一个邻域。其次，将上述结果推广到非线性b i l m o 耦合 系统，提出了一种分散自适应模糊控制方案。对每一个子系统，仅通过子系统的 自身信息在线调节模糊系统的可调参数、增益，从而实现了对动态不确定性及建 模误差进行自适应补偿。通过李亚普诺夫方法证明了跟踪误差收敛到零的一个 邻域内。 第三，针对具有未知死区模型的两种结构不同的系统，分别提出了鲁棒自适应 模糊控制方案。首先，针对一类严格反馈的s i s o 时滞非线性系统，基于模糊系统 的逼近能力、后推设计方法和修改的积分型李亚普诺夫函数，运用简化死区模型及 n u s s b a u m 函数的性质，提出了一种自适应控制方案。该方法不需要控制增益符号 的先验知识且取消了和死区参数已知的条件。此外，该方法通过引入逼近误差的 自适应补偿项来消除建模误差和参数估计误差的影响。理论分析证明了闭环系统 分别是半全局一致终结有界。其次，研究了一类具有死区的w i m o 非线性系统的稳 定跟踪问题，提出了相应的具有监督控制器的控制方案，并从理论证明了闭环系 统分别是全局一致终结有界。 第四，针对具有未知非线性死区输入的线性非线性系统。分别提出了相应的 模糊控制方案。首先，针对一类具有未知非线性死区的s i s o 非线性系统，基于滑 模控制原理，利用模糊系统的逼近能力，提出了一种自适应模糊控制方案。该方 法利用一种简化非线性死区输入模型，取消了非线性死区输入模型的倾斜度相等 以及死区边界对称的条件此外，该方法还取消了非线性死区输入模型各种参数 摘要( a b s t r a c t ) l i 已知的条件。该方案通过引入逼近误差的自适应补偿项来消除建模误差和参数估 计误差的影响。通过李亚普诺夫综合方法，证明了闭环系统半全局一致终结有界。 跟踪误差收敛到零。其次，研究了一类线性时滞大系统的稳定控制问题，提出了 相应的自适应控制方案。最后，研究了一类具有状态时滞和未知非线性死区输入 时滞的不确定系统的模糊控制问题，利用并行分配补偿的思想，提出了一种状态 反馈模糊控制器，并基于线性不等式( l m i ) ，通过构造合适的l y a p u n o v k r a s o v s k i i 函数，给出了状态反馈模糊控制增益存在的充分条件。理论分析证明 了闭环系统是渐近稳定的。 第五，研究了一类具有死区饱和输入的不确定时滞混沌系统的跟踪问题。基 于滑模控制原理，提出了一种自适应控制的新方案，并从理论上分析证明了该控 制方案的有效性。 通过本文的研究，较好的解决了一些具有执行机构非线性特性的不确定非线 性系统的模糊控制问题。仿真表明所提控制方案的有效性。 关键词：执行机构非线性，不确定系统，模糊控制，自适应控制，鲁棒性 摘要( a b s t r a c t ) n i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a d a p t i v ec o n t r o lf o ru n c 矧t a i ns y s t e m sw i t ha c t u a t o rn o n l i n e a r i t y u s i n gf u z z ys y s t e m sh a sb e e nah o tt o p i c i nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 s o m e c o r r e l a t i v ep r o b l e m si nt h i sa r e aa r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , u s i n gi m p l i c i tf u n c t i o nt h e o r e ma n dt h et a i o rs e r i e se x p a n s i o n , t h ef o r mo f t h en o n a f f i n en o n l i n e a rs y s t e m si st r a n s f o r m e dt ot h ef o r mo fr f e l n en o n l i n e a rs y s t e m s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，a na d a p t i v ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y w i t hs u p e r v i s o r yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h et r a n s f o r m e dn o n l i n e a rs y s t e m w i t ht h e h e l po fas u p e r v i s o r yc o n t r o l l e r , t h er e s u l t i n gc 1 0 d | o o ps y s t e mi sg l o b a l l ys t a b l ei n t h es c p 塔et h a ta l ls i g n a l si n v o l v e da r eu n i f o r m l yb o u n d e d f u r t h e r m o r e t h ea d a p t i v e c o m p e m a t i o nt e r mo ft h eo p t i m a la p p r o x i m a t i o nc n o r si sa d o p t e dt or e d u c et h ee f f e c t s o fm o d e l i n ge r r o r b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ti ss h o w nt h a tt r a c k i n ge r r o r sc o n v e r g e st o z e r o s e c o n d l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o ia n dt h ec a p a b i l i t yo f t h ef u z z ys y s t e m sw i t hl i n e a ra d j u s t a b l ep a r a m e t e r s ，a na d a p t i v ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g y w i t hs u p e r v i s o r yc o n t r o l l e rf o rac l a s so f 山l c e n a i nn o n l i n e a rs y s t e m sw i t hu n k n o w n b a c k l a s h - l i k eh y s t e r s i si sd e v e l o p e d w i t ht h eh e l po fas u p e r v i s o r yc o n t r o l l e r , t h e r e s u l t i n gc l o s e d - l o o ps y s t e mi sg l o b a l l ys t a b l ei nt h es 髓l s et h a ta l ls i g n a l si n v o l v e da 砖 u n i f o r m l yb o u n d e d f u r t h e r m o r e ，t h ea d a p t i v ec o m p e n s a t i o nt e r mo ft h eo p t i m a a p p r o x i m a t i o ne r r o ri sa d o p t e dt or e d u c et h ee f f e c t so fm o d e l i n ge r r o r b yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s , i ti ss h o w nt h a t 拙a c k i n ge r r o rc o n v e r g e st oas m a l ln e i g h b o r h o o do f z e r o n e x t , t h ea b o v er e s u l ti se x t e n d e dt ot h em i m oi n t e r c o n n e c t e dn o n l i n e a rs y s t e m sw i t h u n k w nb a c k l a s h - l i k eh y s t e r e s i s ad e c e n t r a l i z e da d a p t i v ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi s d e v e l o p e d 1 1 托p l a n td y n a m i cu n c e r t a i n t y a n dm o d e l i n ge n - o l $ a f t a d a p t i v e l y c o m p e n s a t e db ya d j u s t e dt h ep a r a m e t e r sa n dg a i n so n - l i n ef o re a c hs u b s y s t e m su s i n g o n l yl o c a li n f o r m a t i o n b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ti ss h o w nt h a tt h ec l o s e d - l o o pf u z z y c o n t r o ls y s t e m sa r eg l o b a l l ys t a b l e ，w i t h 口a c k i n ge r r o rc o n v e r g i n gt oan e i g h b o r h o o do f z e m t h i r d l y , t w od e s i g ns c h e m e sa 地p r o p o s e df o rt w oc l a s so fs y s t e m sw i t hu n k n o w n d e a d - z o n e w h i c ht h e i rs n l l c n i 托sa r ed i f f e r e n t , r e s p e c t i v e l y b e g i nw i t h , b a s e do nt h e a p p r o x i m a t i o nc a p a b i l i t yo ff u z z ys y s t e m sa n db a c k s t e p p i n gt e c h n i q u e , a n db y i n t r o d u c i n gm o d i f i e di n t e g r a l - l y a p u n o vf u n c t i o n , a n db yu t i l i z i n gt h es i m p l i f i e dd e a d - z o u em o d e la n dt h ep r o p e r t yo f n u s s b a u mf u n c t i o n , ad e s i g ns c h e m eo f a d a p t i v ef u z z y c o n t r o l l e rf o rac l a s so fn o n l i n e a rt i m e - v a r y i n gt i m e - d e l a y e ds y s t e m sw i t hu l 妇o w n f u n c t i o nc o n t r o lg a i n , i sp r o p o s e d ma p p r o a c hd o e sn o tr e q u i r eap i i 硪k n o w l e d g eo f t h es i g no ft h ec o n t r o lg a i na n dr c m o v b 酷t h ec o n d i t i o n st h a td e a d - z o u em o d e l p a r a m e t e r sa r ek n o w nc o n s t a n t s i na d d i t i o n , t h ea d a p t i v ec o m p e n s a t i o nt e r mo ft h e a p p r o x i m a t i o na f f o ri sa d o p t e dt om i n i f yt h ei n f l u e n c eo f m o d e l i n ge r l d r sa n dp a r a m e t e r e s t i m a t i o ne r r o r s b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dt ob e 摘要( a b s t r a c t ) i v s e m i - g l o b a l l yu n i f o r m l yu l t i m a t e l yb o u n d e d t h e n , t h ep r o b l e mo f 缸l a 硼v ef u z z y c o n t r o lf o rac l a s so fm i m 0t i m e - d e l a y e dn o n l i n e a rs y s t e m sw i t hu n k n o w nd e a d - z o n e i sd i s c u s s e d , a n dad e s i g ns c h e m eo fa d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e rw i t ha s u p e r v i s o r y c o n t r o l l e ri sp r o p o s e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i st h e r e s u l t i n gc l o s e d - l o o ps y s t e mi s g l o b a l l yu n i f o r m l yu l t i m a t e l yb o u n d e dw i t ht r a c k i n g e r r o r 8c o n v e r g i n gt oz 芒l - o f o u r t h l y d i f f e r e n td e s i g ns c h e m e sf o rac l a s so fl i n e a ro rn o n l i n e a rs y s t e m sa 聆 p r o p o s e d ，r e s p e c t i v e l y f i r s t ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs l i d i n gm o d ec o n t r o l ，u s i n gt h e s i m p l i f i e dn o n l i n e a rd e a d z o n em o d e la n dt h ef u z z ys y s t e m sw i t hl i n e a ra d j u s t a b l e p a r a m e t e r sw h i c ha r eu s e dt oa p p r o x i m a t ep l a n tu i l k n o w uf u n c t i o n s ，ad e s i g ns c h e m eo f a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e rf o rac l a s so fs i s 0n o n l i n e a rs y s t e m si sp r o p o s e d t h e a p p r o a c hr e m o v e st h ec o n d i t i o n st h a tt h ed e a d z o n es l o p e sa n db o u n d a r i e sa r ee q u a l s y m m e t r y , r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，i td o e sn o tr e q u i r et h ea s s u m p t i o n st h a t a l l n o n l i n e a rd e a d - z o n em o d e lp a r a m e t e r sa r ek n o w nc o n s t a n t s t h ea d a p t i v ec o m p e n s a t i o n t e r mo ft h ea p p r o x i m a t i o ne l t o r si sa d o p t e dt om i n i f yt h ei r u q u e n c eo fm o d e l i n ge r r o r s a n dp a r a m e t e re s t i m a t i o ne r r o r s b yt f l e o r e t i c a la n a l y s i s t h ec l o s e d 1 0 0 pc o n t r o ls y s t e m i sp r o v e dt ob es e m i - 9 1 0 b a l l yu n i f o r m l yu l t i m a t e l yb o u n d e dw i t ht r a c k i n ge r r o r s c o n v e r g i n gt oz e r o t h e n 。t h ep r o b l e mo fa d a p t i v ef u z z yc o n t r o lf o rac l a s so f l a r g e - s e a et i m e - d e l a y e ds y s t e m sw i t hu l l f f l o w nn o n l i n e a rd e a d - z o n ei sd i s c u s s e d 。a n da d e s i g ns c h e m eo fa d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d l a s t l y , t h ec o n c e p to fp a r r a l l d i s t r i b u t e dc e m p e n s a t i o n ( p d c ) i se m p l o y e dt od e s i g nt h es t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l e rf o ra c l a s so fu n c e r t a i nt i m e - d e l a y e ds y s t e m sw i t hi n p u td e l a ya n du h k l l o w nn o n l i n e a r d e a d z o n e b a s e do nl m i b y c o n s t r u c t i n ga p p r o p r i a t el y a p u n o v - k r a s o v s k i i f u n c t i o n a l ( l k f ) ，s u f f i c i e n tc o n d i t i o i i , sf o rt h ee x i s t e n c eo ff u z z ys t a t ef e e d b a c kg a i na r e d e r i v e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dt ob eg l o b a l l y a s y m p t o t i c a l l ys t a b l e f i n a l l y , t h ec h a o st r a c k i n gc o n t r o lp r o b l e mi ss t u d i e df o rac l a s so fu n c e r t a i n t i m e - d e l a y e dc h a o t i cs y s t e m s w i t hd e a d - z o n ea n d s a t u r a t i n gi n p u t b a s e d o nt h e p r i n c i p l eo fs l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) ，an o v e la d a p t i v ed e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e d 1 1 垃a p p r o a c hn o to n l yo v e r c o m e st h ed r a w b a c ki nt h ee x i s t i n gl i t e r a t u r e b u ta l s o r e m o v e st h ea s s u m p t i o n st h a tt h ed e a d - z o n ei ss y m m e t r i ca n dt h es l o p e sa r ck n o w n b y t h e o r e t i e a la n a l y s i s i ti ss h o w nt h a tt r a c k i n ge l l o ra s y m p t o t i c a l l yc o n v e r g e st oz e r o t h r o u g ht h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r , s o m ef u z z yc o n t r o lp r o b l e m sf o rt m c e r l a i n n o n l i n e a rs y s t e m sw i t ha c t u a t o rn o n l i n e a r i t yh a v eb e e np r o p e r l ys o l v e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so f t h e s ec o n t r o ls c h e m e sd e m o n s t r a t et h e i re f f e c t i v e n e s s 。 k e yw o r d s ：a c t u a t o rn o n l i n e a r i t y , u n r t a i ns y s t e m ，嘞c o n t r o l ，a d a p t i v e c o n t r o l ，r o b u s t n e s s 沈启坤具有执行机构非线性的稳定自适应模期控制研究 符号说明与预备知识 现将本论文中用到的符号、数学概念，以及基本引理、定理介绍如下 0 1 符号 r 表示全体实数集合，r + 表示非负实数集合，r 一为r 上的一维欧氏向量空间， 矗一表示n x 维实数矩阵空间。 0 2 范数 如不特别声明，向量善= “，) 7e 矗。和矩阵彳= ( 嘞) e r 的范数分别定义 为 l l * l l = 仄，= 仄j 而 ( o 1 ) 其中a 一( 表示矩阵的最大特征值。如果z 是对移正定矩阵，贝l j 对所有工，正定对 称矩阵彳具有下列性质： ，i 嫡( a ) i i * i j 2 s x 7 。缸s 1 。 a ) i l xj 1 2 ( o 2 ) 其中丸。( 4 ) 表示矩阵彳的最小特征值。 0 3b a r b al a t 引理和推论“埘 引理o - 3 1 若函数，o ) 在区间【o 呦上一致连续，且熙i ，( f ) l 出存在且有界， 则当f - o o 时，朋) 啼o 推论o 3 1 如果函数烈r ) ，雪( f ) k ( g ( f ) 雪( ，) 有界) ，且g ( f ) e 上2 ( g ( o 平方可积) ， 则当，一时，g ( o - * o 。 0 4 连续时问动力学系统的稳定性 定义0 4 1 伽考虑连续时间非线性系统 j = ，“) ，y = j ；l ，)( o 3 ) 2扬州大学硕士学位论文 如果对任意x ( t o ) = x o ，存在f o 和“s ，x o ) 以致对所有，2 t o + 7 有) x ( 0 1 0 和m l ，x o ) 对所有 的，o + r 满足i x ( t ) l o ( o 5 ) 其中而罡，= l ，q 是欲求的实型变量，e = e 只，= l ，q 是给定的对称矩阵， ，( 习 0 表示矩阵，( x ) 是正定的。 如下形式的多个l m i f d x ) , ，c 0 ( o 6 ) 能被表示成等价的单个l m i 蛾g 【尼o ) l o ( o 7 ) 根据矩阵中变量的形式，一般的l g l 都可以写成与( 0 5 ) 式类似的形式 o 6 矩阵的$ o h u r 补定义及性质 1 ) 矩阵的s c h u r 补定义m 考虑一个矩阵s 胄”，并将s 进行如下分块； 拈臣s n m ” 沈君埠具有执行帆荷非线性静尊定宣透应摸期控制研究 其中的s 。是r x r 维的。若最是非奇异的，则翰- 8 ，s 矗s - ：被称为s ，在s 中的 s c h u r 扑。 2 ) 矩阵的s c h u r 补性质啪 对给定舶矩阵j = 陵乏 ，其中焉，是，x r 维的则以下三个条件是等价的： a ) s 0 b ， s i 。 o ，g 丝一s i 三研? s n o c )s 趋 o s i i s 1 2 s 嘉s 矗 o 着而。、占。都是矢量z 的溘i ，则由菲线性矩阵不等式b ) 式或c ) 式可化为 线性矩阵不等式 o 7n u s s b a t a n 函数及其性质肺” 定义0 7 1 如果连续函数0 ) ：五一足满足条件： ( 1 ) l i ms u p 三c ( f 肪= 佃，( o 9 ) ，_ j ” ( 2 ) l i mi n f - 1p g 胁= ， ( o 1 0 ) j j ” 则称o ) 是n u s s b a u m 函数。 对于n u s s b a u m 函数，我们有下列性质 定理0 7 已知p ( - x f ( ) 都是【o r ，) 上的光滑函数，且矿( f ) o e 【o 0 ) ，0 是n u s s b a u m 函数，如果下列不等式成立： v ( t ) c o + i ：( g ) + 1 ) 予咖 v f e 【o ，t ) ( o i i ) 其中g 是非零常数，岛是合适的常数，那么矿( f ) ，f ( ，) 和j c ：( g r ( 力+ 1 ) 咖一定在【o ，) 上有界。 定理o 7 2 已知p ( ) ，“都是【o ，) 上的光滑函数，r v ( o 毫o , v t e o , t ，) ，( ， 是n u s s b a u m 函数，如果下列不等式成立： v ( o 茎c o + p 叫j ：g ( f ) ( 饼矿4 d f + 口叫j ：乒叩d f v t e 【o ，t ) ( o 1 2 ) 其中常数q ，o ，g ( ，) 是在未知闭区间j # p 一，| 】o 叠，取值的时变参量，岛是合适 4 扬州大学硕士学位论文 的常数，那么y ( f ) ，f ( o 和r g ( 力( f ) 弘f 一定在【o o ) 上有界。 0 8 隐函数定理n 町 假设讹力：r 。詹。一足4 在一个开集s c x r 。中每一点似力都是连续可徽 的，对，帕) e s ，有f ( x o ，y o ) = o 成立且矩阵【可伍 ，( h ，h ) 】是非奇异的，那么存 在h 的邻域u c r “和的邻域v c r 。，对于任一x e u ，方程弛，= o 都有唯一解，且 其解可表示成y = g ，这里g o ) 满足在x = x o 时是连续可微的。 扰启坤具有执行机构非线性的稳定自适应楱期控制研究5 第一章绪论 1 1 智能控制概述 智能控制是一门新兴学科。主要解决对象及其环境、目标，任务具有不确定 性和复杂性时的控制问题 智能控制是有关自动化科学与技术问题的一个研究热点源于人工智能、自 动控制、运筹学等领域的许多学科知识和方法在这个热点上交叉结合，诸如智能机 器人系统、复杂工业过程控制系统、计算机集成制造系统( c i i s ) ，航天航空控制 系统、环境及能源系统，甚至社会经济管理系统等各种复杂系统控制问题，都期待 着这个热点萌发出更好的求解途径，无论从研究方面还是应用方面，都在探讨着智 能控制的理论和技术。 智能控制一人工智能与控制理论的结合到6 0 年代，自动控制理论和技术的 发展渐趋成熟，人工智能的研究开始兴起1 9 6 6 年j 乩门德尔( m e n d e l ) 首先主张 将人工智能用于飞船控制系统的设计。1 9 7 1 年傅京逊( k s f u ) 从发展学习控制的 角度首次正式提出智能控制这个新兴的学科领域。他在学习控制系统和智能控制 系统：人工智能与控制的交叉( l e a r n i n gc o n t r o ls y s t e m sa n di n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e m s ：a ni n t e r s e c t i o no fa r t i f i c i a la n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 ) 一文中，列举了以下三种智能控制的例子：( 1 ) 人作为控制器的控制系统；( 2 ) 人 帆结合作为控制器的控制系统：( 3 ) 无人参与的自主控制系统 g n 萨里迪斯( s a r i d i s ) 对智能控制的发展作出了重要的贡献。他在1 9 7 7 年出 版了随机系统的自组织控制( s e l f - o r g n i x i n gc o n t r o lo fs t o c h a s t i cs y s t e m s ) 一书，同年发表综述文章”朝向智能控制的实现( t o w a r dt h er e a l i x a t i o no f i n t e l l i g e n tc o n t r o l s ) 。在这两篇著作中，他从控制理论发展的观点。论述了从 通常的反馈控制到最优控制、随机控制，再到自适应控制、自学习控制、自组织控 制，并最终向智能控制这个更高阶段发展的过程。他首次提出了一种典型的智能控 制系统分层递阶智能控制。控制结构由上丽下分为三个层次：组织级、协调级 和执行级其控制精度由下而上逐级递减，智能程度由下而上逐级增加。他在理论 上的一个重要项献是定义了熵作为整个智能控制系统性能的度量，并对每一级 定义了熵的计算方法。证明了在执行级的最优控制等价于使某种熵最小的控制方 法。8 0 年代后期。他对原有的工作进行了重要的改进，在最新的研究中采用神经元 网络中的b o l t z m a n n 机来实现组织级的功能，并利用p e t r i 网为工具来实现协调级 的功能 6扬州大学硕士学位论文 k j 奥斯特洛姆( a s t r o m ) 在1 9 8 6 年发表的专家控制( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 的 蓍名文章中。将人工智能中的专家系统技术引入到控制系统中，组成了另外一种类 型的智能控制系统。借助于专家系统技术，将常规的p i d 控制、最小方差控制、自 适应控制等各种不同的方法有机地结合在一起，能根据不同的情况分别采用不同 的控制策略，同时也可以结合许多逻辑控制的功能，如起停控制、自动切换、越限 报警以及故障诊断等功能。 智能控制系统是实现某种控割任务的、具备一定智能彳于为的系统。即，若对于 个问题的激励输入( 任务要求和反馈的传感信息等) ，系统具备一定的智能行为。 它能够产生合适的求解问题的响应( 合适的决策和控制作用) 。从系统的角度，智能 行为也是一种从输入到输出的映射关系。这种映射关系往往不能用常规的数学方 法来精确地加以描述。因此它可以看成是一种不依赖于模型的自适应估计。 智能控制系统典型的原理结构如图所示。 图1 1 智毙控制系统的典型结拇 图中，广义对象包括通常意义下的控制对象和所处的外部环境传感器则包 括位置传感器、力传感器、触觉和视觉传感器等。感知信息处理将传感器得到的 原始信患加以处理。铡如视觉信息便要经过很复杂的处理才能获得有用信息。认 知部分主要接收和存储知识、经验和数据，并对它们进行分析、推理，作出行动 的决策，送至规划和控制部分。通讯接口除建立人机之间的联系之外，也建立系 统中各模块之间的联系。规划和控制是整个系统的核心，它根据给定的任务要求、 沈启坤具有执行机构菲线性的稳定自适应镶i 别空村研究 7 反馈的信息及经验知识，进行自动搜索、推理决策、动作规划，最终产生具体的 控制作用，经执行部件作用于控制对象。 智能控制是传统控制理论发展的高级阶段智能控制“。l 。主要用来解决那些用 传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。智能控制的研究对象往往具有以下特 征：( 1 ) 不确定性的模型；但) 高度的菲线性；( 3 ) 复杂的任务要求 一般说来，智能控制系统应该具有以下功能特点：( 1 ) 学习功能；( 2 ) 适应功能： ( 3 ) 组织功能 传统的控制理论主要采用微分方程、状态方程以及各种数学变换作为研究工 具，它们本质上是一种数值计算的方法：而人工智能则主要用符号处理、一阶谓词 逻辑等作为研究的数学工具，两者有着根本的区别。智能控制研究的数学工具则是 上述两个方面的交叉和结合它主要具有以下形式：( 1 ) 符号处理与数值计算的结 合：( 2 ) 离散事件系统与连续时间系统分析的结合；( 3 ) 神经元网络以及模糊集理 论 智能控制研究的主要理论内容：1 自适应、自组织和自学习控翎；2 知识工 程：3 信息熵；4 p e t r i 网；5 人机系统理论；6 形式语言与自动机；7 丈系统理 论：8 神经元两络理论；9 模颧集理论；l a 优化理论等。 如前所述，智能控制所研究的对象一般都具有高度的非线性，而在传统控制 理论中，有关非线性控制已有很多方法，如精确线性化方法、几何控制方法、变 结构控制以及反推设计等，将智能控制方法与传统方法相结合设计不确定非线性 系统的智能控制器已成为国际自控界的热点研究领域。 模期控制、神经网络控制及遗传算法是智能控制的主要组成部分。 1 2 模糊控制概况 模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是以 模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。 1 9 6 5 年，美国的l a z a d e h 创立了模糊集合论；1 9 7 3 年他给出了模糊逻辑控制的 定义和相关的定理。1 9 7 4 年英国的e h l l a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊 控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功这一开拓性的 工作标恚着模糊控制论的诞生。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一 大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初 在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推 8扬州大学硕士学位论文 广应用近几十年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成 为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生 产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸 尘器，照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程，化学反 应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾 驶、电梯，自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等 从广义上讲，模糊控制是指应用模糊集合理论，统筹考虑控制的一种方式， 模糊控制的基本组成由三个部分构成，首先将信息模糊化，然后经模糊推理规则， 给出模糊输出，再将模糊指令清晰化，控制操作变量。 一 翱 日 i 圈i 2 模糊控制器的结构 一般模糊化由隶属度函数完成，而隶属度并没有统一的表示，应根据实际情 况而定，模糊推理控制规则通常是由输出误差e ，误差变化率e 和控制输入u 组 成，其相应论域，一般是语言型变量，常把语言变量分为8 级，它们是正大( p b ) ， 正中( p m ) ，正小( p s ) ，正零( p z ) ，负零( n z ) ，负小( n s ) ，负中( n m ) ，负大( n b ) ，根 据工程经验，通过三个量的关系组成一系列控制规则，也可将其表示成控制规则 表，便于实时控制，模糊控制的输出仍是一个模糊量，并不能直接用于控制，乘以量 化因子转化成数值量进行控制。知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的 控制目标。 模猢控制器的设计流程如图1 3 ( 1 ) 系统分析对受控的工业对象进行系统分析，确定控制器的输入变量x 1 ， x 2 与输出变量y 及它们的数值变化范围和要求达到的控制精度等，根据实际过程 的需要建立物理模型，确定控制器结构总体设计方案 ( 2 ) 模糊化方法的选择与确定所谓模糊化，就是把输入变量数值，变换成模 糊语言变最的语言值，例如某燃烧炉温度9 1 0 1 2 ，变换成语言值( 温度“低”， “中”、“高”) ，在实际控制过程中，经常把一个物理量划分成正大( p l ) 、正 沈启坤具有执行机构车线性的稳定自适应模朔控制研究9 中( 蹦) ，正小( p s ) 、零( z e ) 负小( n s ) 、负中( 珊) ， 负大( n l ) 七级语言变量每一个语言值对应一个模 糊子集，其隶属函数通常选用三角形或梯形分布，如 某控制器输入变量如温度、压力模糊集的隶属函数， 由隶属函数可确定输入数值相应的隶属度。 ( 3 ) 模糊控制规则库的建立确定语言控制规则 是模糊控制器设计的核心工作，规则的形式很像计算 机程序设计语言常用的“i f t h e n ”条件语 句。控制规则的多少视输人及输出物理量数目及所需 的控制精度而定。值得注意的是，规则的数目是以语 言变量级数平方关系变化而迅速增加，规则越多，推 理的质量就会越下降。因此，在规则库的设计时，需 要确定合适的语言变量级数和控制规则的数目及建 立正确的规则形式。推理图l - 3 模糊控制器的设计流程 规则的运算涉及到模糊算子的确定。模糊理论的研究 系统分折 控制器结构确定 二 至三 确定隶属度函散 f = n 函赢面目 i 蓥算子的确定及 去梗瑚方台的选释 丙 求秒j 是 已