基于Simulink的时滞系统模糊控制器的设计毕业设计论文

1、北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目 的等。）工作基础：了解时滞系统的基本概念，熟练使用 MATLAB 7 软件。 研究条件： Smith 预估控制器的基本原理与模糊控制器的 MATLAB Fuzzy 工具箱。应用环境：基于模糊 Smith 控制器的大时滞被控对象的 Simulink 仿真。 工作目的：熟练掌握 MATLAB Simulink 工具箱。了解智能控制的基本概念， 模糊数学的基本内容以及模糊控制器 设计的基本方法。完成基于模糊 Smith 预估控制器的仿真设计。二、参考文献1 王志萍. 带有 Smith

2、预估器的模糊控制系统仿真研究 J. 上海电力学院 学报. 2004（02）. 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。2 储岳中,陶永华. 基于 MATLAB 的自适应模糊 PID控制系统计算机仿真J. 安徽工业大学学报 （自然科学版 ）. 2004（01） . 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。3 尹明,董振银,宋利君. 模糊 PID在电炉温度控制中的应用 J. 齐齐哈尔 大学学报 . 2003（02） . 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。4 张涛,李家启. 基于参数自整定模糊 PID控制器的设计与仿真 J. 交通与 计算机. 2001（S1）. 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。5 周荔丹,童调生.模糊 PID在电阻加热炉温控系统中的应用

3、J. 自动化与 仪器仪表 . 2001（05） . 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。6 饶翡鹏, 王东云, 凌德麟.模糊控制的发展和现状 J. 郑州纺织工学院 学报. 2000（03）. 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。三、设计（研究） 内容和要求 （包括设计或研究内容、 主要指标与技术参数， 并根据课题性质对学生提出具体要求。） 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1、了解模糊控制系统的基本概念与原理。2、用 MATLAB 7 中的 Fuzzy Control 工具箱完成基于某大迟滞环节的模糊 控制器的设计。3、对比分析传统 PID、Smith 预估控制器以及单纯模糊控制器的优缺点。4、在此基础上，完成模糊 PID 的算法仿

4、真。指导教师（签字）年月日审题小组组长（签字）年月日北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）北京理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称基于 Simulink 的时滞系统模糊控制器的设计系名信息工程系专业自动化学生姓名陈莹指导教师扈书亮、课题来源及意义在工业过程控制领域中， 许多被控对象都不同程度存在着时滞现象， 因此， 时滞系统是一种在工业生产中广泛存在的。 任何实际系统的过去状态不可避免地 要对当前的状态产生影响， 即系统的演化趋势不仅依赖于系统当前的状态， 也依 赖于过去某一时刻的状态，这类系统统称时滞系统。系统时滞产生的原因很多： 可能由测量元件或测量过程造成， 也可能由

5、控制元件和执行元件造成， 或者由它 们共同造成。1957年 O.J.M.Smith 首次提出预估控制器，这是一个时滞补偿的预估算法。 它通过估计对象的动态特性， 用一个预估模型作为补偿， 从而得到一个没有时滞 的被调节量反馈到反馈器，实现了将纯滞后环节移到闭环控制回 路之外，从而有效地消除了纯滞后对控制系统的影响。 但是它过分依赖于精确数 学模型，工业过程中不可能获得被控对象的精确数学模型，因此很难运用。1956年美国的 Zadeh首次提出模糊集合的概念， 1974 年伦敦大学的 Mamdani 成功地将模糊控制理论应用于锅炉和汽轮机的过程控制。 模糊控制主要是模拟人 的思维，推理和判断的一种

6、方法， 因其能很好的避免传统 Smith 预测控制的缺点， 所以已经广泛应用于各个领域。由于时滞的存在严重影响了系统的控制效果和稳定性，导致系统的超调变 大，调节时间变长， 甚至出现振荡和发散。 提高了系统的响应速度和系统的稳定 性,因此提出简单，有效，实用的大时滞控制方法是很有意义的。、国内外发展现状模糊控制技术是一项正在发展的技术，在短短 20 多年时间里，模糊控制得 到长足发展。 它的应用领域涉及各各方面， 控制方法也有广很大进展， 模糊控制 器的性能不断提高。 多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。 模糊芯 片也已研制成功且功能不断加强， 成本不断下降。 各种模糊产品充满了日本

7、、 西北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）欧和美国市场， 如模糊洗衣机、 模糊吸尘器和模糊摄像机等等， 模糊技术几乎变 得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。、研究目标熟练掌握 MATLAB Simulink 工具箱。了解智能控制的基本概念，模糊数 学的基本内容以及模糊控制器设计的基本方法， 完成基于模糊 Smith 预估控制器 的仿真设计。四、研究内容主要研究在工业过程中的得到大量应用的 PID 控制、Smith 预估控制和模糊 控制在多变量时滞系统中的应用。 了解模糊控制系统的基本概念与原理； 完成基 于某大迟滞环节的模糊控制器的设计；五、研究方法与手段在充分了解模糊控

8、制基本原理的基础上， 针对一典型带有大迟滞环节被控 对象数学模型，利用 MATLAB 的 Simulink 以及 Fuzzy Control 工具箱对比完成采 用传统 PID调节器、单纯采用模糊控制以及将模糊控制与 Smith 预估补偿原理相结合的方法之间控制效果的优劣。六、进度安排1、2014.12.102015.03.052、2015.03.062015.03.293、2015.03.302015.04.20查找资料，通过书籍和网络了解模 糊控制基本原理及研究方法，完成 开题报告。熟练掌握 MATLAB Simulink 工具箱 了解智能控制的基本概念，模糊数学 的基本内容以及模糊控制器设

9、计的 基本方法。完成基于模糊 Smith 预估控制器的仿北京理工大学 2014 届本科生毕业设计(论文)真。4、2015.04.212015.05.25对仿真结果进行分析，并得出结论。5、2015.05.262015.06.10撰写论文，准备答辩。七、主要参考文献1 王志萍.带有 Smith 预估器的模糊控制系统仿真研究 J.上海电力学院 学报. 2004(02).2 储岳中,陶永华 . 基于 MATLAB 的自适应模糊 PID控制系统计算机仿真 J. 安徽工业大学 学报(自然科学版 ). 2004(01) .3 尹明,董振银 ,宋利君.模糊 PID 在电炉温度控制中的应用 J. 齐齐哈尔大学

10、学报 . 2003(02) .4 张涛 ,李家启 .基于参数自整定模糊 PID 控制器的设计与仿真 J.交通计算机 . 2001(S1).5 周荔丹,童调生 .模糊 PID在电阻加热炉温控系统中的应用 J.自动化仪器仪表 . 2001(05) .6 饶翡鹏,王东云 ,凌德麟 .模糊控制的发展和现状 J. 郑州纺织工学院学报 . 2000(03).7 何明 . 工业自动化控制系统通讯网络的应用研究D. 合肥工业大学 .2009.8 卢娟. BP神经网络 PID 在三容系统中的控制研究 D. 合肥工业大学 .2009.9 方鹏 . 基于模糊 PID 算法的中央空调温度控制系统设计 D. 合肥工业大

11、学 .200910 李岩. 模糊 PID 控制在液位控制中的应用 D. 合肥工业大学 ,2008 .11 简珣. 模糊 PID 控制在三容水箱系统控制中的应用研究 D. 合肥工业大学 2007.选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能 指导教师(签字)年月日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能 审题小组组长(签字)年月日北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）摘要在工业过程控制领域中， 许多被控对象都不同程度存在着时滞现象。 随着科 学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统精度、响应速度、系统稳定性、自 适应能力的要求越来越高， 所研究的系统也日益复杂多变。 然而，在许

12、多情况下 精确数学模型很难建立。 即使对一些复杂对象建立数学模型， 模型也往往过于复 杂，既不利于设计也难以实现有效控制。 虽然常规自适应控制技术可以解决一些 问题，但其能力也是有限的。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。具有时间滞后特性的控制对象是非常普遍的， 由于时滞的存在严重影响了系 统的控制效果和稳定性， 导致系统的超调变大， 调节时间变长， 甚至出现振荡和 发散。提高了系统的响应速度和系统的稳定性 , 因此提出简单，有效，实用的大 时滞控制方法是很有意义的。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。本文针对具有时滞特性的控制对象， 主要研究在工业过程中的得到大量应用 的 PID控制、 Smith 预估控制和模糊控

13、制在多变量时滞系统中的应用。对现有的 模糊方法加以改进，形成更加完善的控制方法；与现有的 PID 控制，史密斯预 测控制相融合，构成综合控制法，通过这些来解决带有纯延迟环节的控制问题。 了解模糊控制系统的基本概念与原理； 完成基于某大迟滞环节的模糊控制器的设 计。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。关键字 ：模糊控制；大时滞对象；史密斯预估器； MATLAB 仿真北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）ABSTRACTIn the field of industrial process control, many of the controlled objects are different le

14、vel there is a time-delay phenomenon. With the rapid development of science and technology, the fields of automatic control system precision, response speed, system stability, adaptive ability of the demand is higher and higher, the study of the system are also increasingly complex and changeful. Ho

15、wever, in many cases it is difficult to establish accurate mathematical model. Even for some complex object to establish mathematical model, the model also are often too complex, is not conducive to design can also be difficult to achieve effective control. Although the conventional adaptive control

16、 technology can solve some problems, but its capacity is limited.預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。The essence characteristics of controlled object is a very, very common, but because of the lag seriously affect the control effect and the stability of the system, and the system overshoot, caused to adjust time, appear eve

17、n oscillation and divergence. Improves the response speed of system and the stability of the system, thus put forward the simple, effective, practical large time delay control method, it is very meaningful.渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。In view of the controlled object with time delay characteristics, this paper mainly

18、 studies to get a lot of application in industrial process of PID control, Smith prediction control and fuzzy control in the application of multivariable systems with time-delay. The existing fuzzy methods is improved, and form a more perfect control method; With the existing PID control, the integr

19、ation of Smith predictive control, constitute a comprehensive control method, through these to solve the control problem with pure delay link. Understand the basic concept and principle of fuzzy control system; Complete the design of fuzzy controller based on a large hysteresis lin。k 铙誅卧泻噦圣骋 贶頂廡。Key

20、 words: Fuzzy Control；Long time-delay；Smith predictive control ；MATLABsimulation 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）目录第一章 绪论 0 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.1智能控制的研究背景 0 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.2智能控制的主要形式 2 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.3智能控制的特点 2 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。1.4智能控制的应用 3 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。第二章 模糊控制 4 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.1模糊控制概况 4 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.2模糊控制的原理 4 锹籁饗迳

21、琐筆襖鸥娅薔。2.3模糊控制的国内外发展现状 5 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.4模糊控制器的设计 6 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.4.1定义输入输出模糊集 6 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.4.2语言值隶属函数的确定 6 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.4.3量化因子的精确化 8 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.4.4建立模糊控制规则 9 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.4.5建立模糊控制表 9 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2.4.6模糊推理 10 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2.5模糊控制的特点 11 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。2.6模糊控制的缺点 11 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。2.7模糊控制面临的主要任务 11 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘

22、。第三章 时滞系统 12 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）3.1时滞系统控制理论及发展现状 12 谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.1.1时滞的相关定义 12 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.1.2时滞的研究意义 13 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.2时滞系统的常规控制方法 14 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.2.1传统 PID 控制 14 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.2.2Smith 预估控制 . 17 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。第四章系统建模与算法仿真 20 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.1MATLAB系统概述 . 20 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.1.1MATLAB简介. 20 挤貼

23、綬电麥结鈺贖哓类。4.1.2MATLAB系统构成 . 20 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。4.2Simulink 仿真 . 21 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。4.2.1Simulink 仿真概述 . . 21 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。4.2.2Simulink 基本操作 . . 21 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。4.3使用 MATLAB图形界面工具建立模糊控制器 22 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。4.4模糊控制系统仿真结构图 24 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。4.5控制结果仿真图 25 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。第五章总结与展望 . 26 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。5.1总结 26 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。5.2展望 27 辔烨棟剛殓攬

24、瑤丽阄应。参考文献 . 27 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。外文资料 中文翻译北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）致谢北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 智能控制的研究背景什么是智能控制？简单地说，就是 “聪明的控制，灵巧的控制 ”。随着人工智 能和计算机的发展，智能控制已经有可能把自动控制、人工智能、系统论（如系 统工程、系统学及运筹学）、信息论、神经生理学、计划计算和计算机等多种学 科结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。从 1932 年奈奎斯特 （H.Nyquist）发表反馈放大器稳定性的论文以来，控制理论学科的发展已经走 过 80 余年的

25、历程，其中前 30 年是经典控制理论的成熟和发展阶段，后 50 年至 今是现代控制理论的星辰和和发展阶段。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。一、智能控制的萌芽期从 20 世纪 60 年代起，自动控制理论和技术的发展已渐趋成熟， 控制界学者 为了提高控制系统的自学习能力，开始注人工智能技术与方法应用于控制系统。 史密斯 （F.W.Smiths）首先采用性能模式识别器来学习最优控制方法， 试图利用模 式识别技术来解决复杂系统的控制问题。 1965 年美国著名控制论家扎德教授创 立了模糊集合论， 奠定了模糊的数学基础。 同年， 美国的费根鲍姆着手研制世界 上第一关专家系统。 1966 年，J.M.门德尔首先主

26、张人工智能应用于空间飞行器的 学习控制系统的设计，并提出了 “人工智能控制 ”的概念。 1967 年利昂兹等人首 次正式使用 “智能控制 ”。 1971 年，著名学者傅京孙从发展学习控制的角度首次 提出智能控制 “二元论 ”思想，开创了智能控制这个行星的学科领域。 这些标志着 智能控制的思想已经萌芽。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。二、智能控制的形成期20 世纪 70年代开始， 傅京孙等人从控制论的角度进一步总结了人工智能技 术与自适应、自组织、自学习控制的关系。 1974 年，英国工程师曼德尼将模糊 集合和模糊语言用于锅炉和蒸汽机的控制，通过实验取得了良好的结果。 1979 年，玛达尼成功地研制出自

27、组织模糊控制器，使得模糊控制具有了较高的智能。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。三、智能控制的发展期20 世纪 80年代，随着专家系统技术的成熟和微型计算机的迅速发展，智能 控制的研究和应用领域逐步扩大，智能控制的研究也进入了飞速发展的阶段。 1982 年， Fox 等人完成了一个称为智能调度系统（ ISIS）的加工车间的调度专家 系统，在生产中获得成功应用。 1983 年，萨里迪斯把智能控制应用于机器人系 统；1987 年，美国 Foxboro 公司发表了新一代 IA 智能控制系统。 1987年，在美北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）国费城由 IEEE 控制系统学会与计算机学会联合召开了

28、智能控制国际会议。此后，。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）IEEE 智能控制国际学术研讨会每年举行一次， 促进了智能控制系统的研究。1.2 智能控制的主要形式一、模糊逻辑控制 模糊逻辑控制在控制领域简称模糊控制。 模糊控制是智能控制的早期发展形 势，基于模糊逻辑推理和模仿人类思维具有模糊性的特点。 模糊控制器是迷糊控 制系统设计的关键，一般由模糊化、精确化计算、模糊决策三基本部分组成。 稟 虛嬪赈维哜妝扩踴粜。二、分层递阶智能控制 分层递阶智能控制是智能控制的最早理论之一， 是从工程控制角度总结人工 智能、自适应、自学习和自组织的关系后逐渐形成的。由组织级、

29、协调级、和执 行级组成。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。三、专家控制 专家控制是一种模拟人类专家解决问题的计算机软件系统。 具有全面的专家 系统结构、 完善的知识处理功能和实现控制的可靠性能。 这种系统采用黑板等结 构，知识库庞大，推理机制复杂。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。四、人工神经网络控制 人工智能网络采用仿生学的观点与方法研究人脑和智能系统中的高级信息 的处理。人工神经网络具有可以逼近任意非线性函数的能力， 因此既可以用来建 立非线性系统的动态模型也可以用于构建控制器。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。1.3 智能控制的特点一、智能控制是一门边缘交叉学科。是由自动控制、人工智能、运筹学等多 学科交叉组成的学科

30、，为智能控制的深入研究提供理论指导和技术支持。 懨俠劑鈍 触乐鹇烬觶騮。二、智能控制系统具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混 合控制过程，即在信息处理的方法上， 既有数学运算， 又有符号运算的逻辑推理。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。三、智能控制的核心在高层控制， 即组织级。 智能控制器具有分层信息处理 和决策机构。高层控制的任务在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划， 实现广义问题求解。 当然底层控制级也是智能控制必不可少的组成部分， 它一般 采用常规控制。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。四、智能控制具有自组织特点。在控制过程中，当多目标出现冲突时，它可 以在的任务要求范围内自行决策，主动

31、采取行动。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。五、智能控制具有优化能力。 它能够通过不断优化参数和徐兆控制器的最佳北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）结构形式，以获取整体最优控制性能。1.4 智能控制的应用一、在机器人控制中的应用由于机器人的工作经常处于动态、 不确定和非结构化的环境中。 这些环境要 求机器人具有高度的自制能力和对环境的感知能力。 20 世纪 80 年代初 E.H.Mamdan 首次将模糊控制应用于一台实际机器人的操作臂控制。 1975 年 J.S.Albus 提出小脑模型关节控制器， 它是仿照小脑如何控制肢体运动的原理而建 立的神经网络模型。 虽然目前工业上 90%的机器人都

32、不具有智能， 但随着智能技 术的迅速发展，需要各种具有不同程度智能的机器人 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。二、军事应用主要的应用是进行目标的探测、跟踪和识别，包括 C3I 系统、自动识别、遥 感、战场监视和自动威胁识别系统等。迄今为止，美国、英国、法国等国家已经 研制出了上百种军事数据融合与控制系统。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。三、在航天控制系统中的应用1977-1986 年美国 NASA喷气推进研究所在“旅行者”号探测器上采用人工 智能技术完成了精密导航和科学观测等任务。 智能控制的应用提高了航天航空器 的可靠性大幅度缩减了执行应用计划所需时间， 减少了差错， 降低了成本。此外， 在航天飞机的检测、发射

33、、和应用等过程中也大量采用了智能控制系统。 風撵鲔貓 铁频钙蓟纠庙。北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）第二章 模糊控制2.1 模糊控制概况 在工业过程控制领域中，许多被控对象都不同程度存在着时滞现象，因此， 时滞系统是一种在工业生产中广泛存在的。 任何实际系统的过去状态不可避免地 要对当前的状态产生影响， 即系统的演化趋势不仅依赖于系统当前的状态， 也依 赖于过去某一时刻的状态，这类系统统称时滞系统。系统时滞产生的原因很多： 可能由测量元件或测量过程造成， 也可能由控制元件和执行元件造成， 或者由它 们共同造成。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。1957年 O.J.M.Smith 首次提出

34、预估控制器，这是一个时滞补偿的预估算法。 它通过估计对象的动态特性， 用一个预估模型作为补偿， 从而得到一个没有时滞 的被调节量反馈到反馈器，实现了将纯滞后环节移到闭环控制回 路之外，从而有效地消除了纯滞后对控制系统的影响。 但是它过分依赖于精确数 学模型，工业过程中不可能获得被控对象的精确数学模型，因此很难运用。 铹鸝 饷飾镡閌赀诨癱骝。1956年美国的 Zadeh首次提出模糊集合的概念， 1974 年伦敦大学的 Mamdani 成功地将模糊控制理论应用于锅炉和汽轮机的过程控制。 模糊控制主要是模拟人 的思维，推理和判断的一种方法， 因其能很好的避免传统 Smith 预测控制的缺点， 所以已

35、经广泛应用于各个领域。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。模糊控制器是一种语言控制器， 采用模糊集合论， 无需被控对象的精确数学 模型，即能实现良好的控制。 但是传统的模糊控制器对于大时滞系统稳态精度效 果较差，控制动态响应品质也很差并且易出现振荡。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。2.2 模糊控制的原理 模糊控制是以模糊集理论、 模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能 控制方法， 它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。 模糊控制系统是利用计算 机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统， 基本原理框图 如图 2-1 所示。它的核心部分为模糊控制器， ，其控制规律由计算机的程序实现。 夹覡闾辁駁档

36、驀迁锬減。模糊控制系统由传感器获取被控量信息， 并将其转化为与给定值具有相同量北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）纲的物理量， 然后将此转化后的物理量与给定值进行比较后获得误差信号E，一般选误差信息号 E 作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号 E 的精确量进行 模糊化变成模糊量，误差 E 的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差 E 的 模糊语言集合的一个子集 e（e 是一个模糊矢量），经过 A/D 转化后变为数字信 号输入到控制器， 信号在模糊控制中经过模糊化、 模糊推理、 去模糊等过程成为 精确量由模糊控制器输出，再经过 D/A 转换为模拟信号推动执行元件控制被控 对此昂整个

37、过程反复循环， 从而实现了整个系统的反馈控制。 （ R 表示模糊关系， u 表示模糊控制量） 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。u e* R图 2-1 模糊控制器原理框图2.3 模糊控制的国内外发展现状 在应用方面，作为模糊控制理论的起源地美国已经成功地将该技术应用于人 工智能、信息工程、空间飞行、卫星与导弹等控制系统中，并成为军事工程的热 点。日本已成功地将模糊控制技术应用于家用电器中， 它对这一高新技术的应用 领先于美国各欧洲 4-5 年。同年，日本为确保在 21 世纪的竞争力，并为该技术 的开发研究制定了长远的规划。 模糊控制在英国、 德国等国也得到一定发展。 在 我国，该技术也得到发展和应用。 模

38、糊控制已成功地运用于纸张计算机控制系统、 4.4 万吨水泥窑煅烧过程、多温区加热炉等复杂工业过程，同时，春兰成功地生 产出了智能模糊取暖器、小天鹅生产出了模糊洗衣机等家用电器。 偽澀锟攢鴛擋緬铹 鈞錠。模糊控制技术是一项正在发展的技术，在短短 20 多年时间里，模糊控制得 到长足发展。 它的应用领域涉及各各方面， 控制方法也有很大进展， 模糊控制器 的性能不断提高。 多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。 模糊芯片 也已研制成功且功能不断加强， 成本不断下降。 各种模糊产品充满了日本、 西欧 和美国市场，模糊技术几乎变得无所不能， 各国都争先开发模糊新技术和新产品。北京理工大学 201

39、4 届本科生毕业设计（论文）緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。2.4 模糊控制器的设计模糊控制器也称为模糊逻辑控制器， 由于所采用的控制规则是由模糊理论中 的模糊条件语句来描述的， 因此， 模糊控制器是一种语言性控制器。 最简单的实 现方法是将一系列的模糊控制规则离线转化为一个查询表 （又称为控制表） ，存 储在计算机中供在线控制时使用。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。单变量二维模糊控制器是最常见的结构形式， 如图 2-2 所示。本文选用的也 正是二维模糊控制。其设计步骤如下： 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。图 2-2 二维模糊控制器2.4.1 定义输入输出模糊集对于误差 e、误差变化 ec及控制量 u 的模糊集及其论域

40、定义如下： e，ec和 u 的模糊集均为 NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB 。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。P表示“正”，Z表示“零”，N 表示“负”。如果需要描述得更准确， 还可以用“正 大”（PB）、“正中”（PM）、“正小”（PS）、“零”（Z）、“负大”（NB）、“复中” （NM）、“负小”（NS）七个语言变量值来描述。 e 和ec 模糊论域为 3，3， 分为 7 个等级，即 e 和 ec = 3， 2， 1，0，+ 1 ，+ 2，+ 3 榿贰轲誊壟 该槛鲻垲赛。任何物理系统总是有界的。 在控制系统中， 这个有界限一般称为该变量的基 本论域，它是实际系统的变化范围，通常，在模糊控制中取

41、为对称的形式，即取 模糊集合论域为 -n,-n+1,.， 0,.,n-1,n。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。2.4.2 语言值隶属函数的确定误差 e、误差变化 ec及控制量 u 的模糊集和论域确定后， 需对模糊变量隶属 函数的确定， 即对模糊变量赋值， 确定论域内元素对模糊变量的隶属度。 模糊控 制中隶属函数的选取没有统一的标准， 完全取决于控制对象的不同情况、 设计者 的习惯以及处理的简便程度等。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。隶属函数的形状越陡，分辨率越高，控制器的灵敏度越高；反之，平缓的形北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）状会使控制其的灵敏度降低。 一般来说，论域的量化等级越细， 控制进

42、度也越高， 但过细的量化等级将使算法复杂化。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。假设系统误差 E（或偏差变化语言能变量 EC ，输出语言变量 U）的模糊语 言值取（NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB）七个值，并取模糊集合的论域为 -6,6 ， 其隶属函数的定义如图 2-3； 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。图 2-3隶属函数的图形表示法模糊控制器采用常规的模糊控制器，即输入量为 E 和误差变化率 EC，输出 量为控制量 U;误差 E、误差变化率 EC及控制量的模糊词集为 NB 、NM、NS、ZO、PS、 PM、PB；E 和 EC 的论域为 -6 、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6 臠龍讹

43、驄桠业變墊罗蘄。U 的论域为 -7 、-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、 1、2、3、4、5、6、7图 2-4误差 E 的隶属函数如下图北京理工大学 2014 届本科生毕业设计(论文)下面介绍两种常见的隶属函数：(1) 三角形型：由于它的形状仅与直线斜率有关，因此适合于有隶属函数 在线调整的自适应模糊控制。一般可描述为： 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。(2-1)2)高斯型：是描述模糊子集一种比较合理的形式，这种函数的特点是连续且处处可导，适合自适应、自学习模糊控制隶属函数的修正。一般可描述为：穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。(2-2)(x) exp (x a)/b)22.4.3 量化因子的精确化根据以上描

44、述， 当基本论域和模糊论域的等级一经确定后， 其相应的量化因 子也随之确定，即：北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）KenaemaxnbKec其中 Ke 和 Kec 分别称为偏差量化因子和偏差变化量化因子， 如在实际过程 中采样值（精确值）为 ei，则其对应的模糊论域中的一个值 Ei=Kaei，对偏差 变化也可以做类似的分析 u Ku U 。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。量化因子是很关键的， 它不仅影响系统的动态品质， 也影响到系统的稳定性 和控制精度。概括来说， Ke 越大，系统的超调量越大，过渡时间就越长； Ke 越 小，则系统变化越慢， 稳态精度降低。 Kec 越大，则系统输出变化越

45、慢； Kec越小， 则系统反应越快，但超调量增大。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。2.4.4 建立模糊控制规则 模糊控制器的控制规则是以手动控制策略为基础的。根据人的直觉思维推 理，由系统输出的误差及误差变化趋势来设计消除系统误差的模糊控制规则。 模 糊控制规则语句构成了描述众多被控过程的模糊模型。 模糊规则通常由一系列关 系词链接而成，一般都可以用 “if the，n ”“or，”“and等”形式的条件语句来加以 描述。 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。模糊控制规则不是一成不变的。 在条件语句中， 误差 e、误差变化 ec 及控制 量 u 对于不同的被控对象有着不同的意义。模糊控制器控制规则的设计原则是： 当

46、误差较大时， 控制量的变化应尽力使误差迅速减小。 当误差较小时， 除了要消 除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。 惬 執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。2.4.5 建立模糊控制表上述的整个模糊控制规则也可采用模糊控制表来描述。（1）如表 2-7所示，标准共 49条模糊规则，各个模糊语句之间是 “或”的关系， 由第一条语句所确定的控制规则可以计算出 u1.同理，可以由其余各条语句分别 求出控制量 u2， .，u49，则控制量为模糊集合 U，可表示为： 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。表 2-7 模糊控制规则表北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）2.4.6 模糊推理模糊推理是模

47、糊控制的核心，它利用某种模糊推理算法和模糊规则进行推但是模糊系统最常用的方法有以即选取最大的论理，得出最终的控制量。 通过模糊推理可以得到模糊的输出量， 终执行机构的是一个清晰量， 因此需要将模糊量转化为清晰量。 下 3 种。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。1）最大隶属度法：选取推理结果的模糊集合中隶属度最大的元素作为输出值， 域元素 z0 为判决结果。 最大隶属度法不考虑输出隶属度函数的形式，只考虑 最大隶属度处的输出值。该方法的数学表达式为： 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。C(z0) z Z C(z)（2）中位数法 （ 面积法 ）：最大隶属度法主要只考虑主要的信息， 若要兼顾其它信息， 则可选取中位数 法

48、。中位数法是全面考虑推理结论模糊集合各部分信息作用的一种方法。 其原理 是将隶属函数曲线与横坐标所围成的面积平均分成两部分， 设输出判决的对应论 域元素为 z0。该方法的数学表达式为： 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。z0zmaxC（Z） C（Z）zminz0（2）重心法：这种方法也称为质心法或面积中心法， 是所有解模糊化方法中最为合理的方 法。权系数可根据设计要求和经验来选取，为了方便，取隶属度作为权系数，该10北京理工大学 2014 届本科生毕业设计(论文)方法的数学表达式为： 绅薮疮颧訝标販繯轅赛。nC(zi ) ziZ0i1nC(zi )i1综上所述，在上面提到的各种不同的解模糊判决方法中， 如

49、果考虑充分利用 模糊推理结果中模糊集合提供的有用信息量， 就会导致计算繁琐， 否则就会或多 或少丢掉一些有用的信息。 因此， 要根据系统的具体情况， 如系统哦复杂程度以 及控制精度等，适当地确定解模糊方法。 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。2.5 模糊控制的特点简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。 利用控制法则来描述系统变量间的关系。 不用数值而用语言式的模糊变量来描述 系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。模糊控制器是一语言控制器，使得操作人员易于使用自然语言进行人机对 话。模糊控制器是一种容易控制、 掌握的较理想的非线性控制器， 具

50、有较佳的适 应性及强健性 ( Robustness) 、较佳的容错性 ( Fault Tolerance) 。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。2.6 模糊控制的缺点一、模糊控制的设计尚缺乏系统性， 这对复杂系统的控制是难以奏效的。 所 以如何建立一套系统的模糊控制理论， 以解决模糊控制的机理、 稳定性分析、 系 统化设计方法等一系列问题； 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。二、如何获得模糊规则及隶属函数即系统的设计办法， 这在目前完全凭经验 进行；三、信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。 若要 提高精度则必然增加量化级数， 从而导致规则搜索范围扩大， 降低决策速度， 甚 至不能实时控制； 踪飯

51、梦掺钓貞绫賁发蘄。四、如何保证模糊控制系统的稳定性即如何解决模糊控制中关于稳定性和鲁 棒性问题。2.7 模糊控制面临的主要任务虽然模糊控制已获得了很多成功的应用，但是仍有很多问题等待解决。一、自学习模糊控制策略的实现。二、非线性系统应用中的模糊集建模， 模糊规则的建立和模糊推理算法的深 入研究。三、常规模糊控制系统稳定性的研究。11北京理工大学 2014 届本科生毕业设计(论文)四、模糊控制芯片、 模糊控制装置及通用模糊控制系统的开发及工程方面的 应用。五、模糊控制系统方法的研究。 现代控制论、 神经网络与模糊控制的相互结 合及相互渗透，可构成模糊集成控制系统。 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。第三章

52、时滞系统3.1 时滞系统控制理论及发展现状3.1.1 时滞的相关定义所谓时滞就是一种时间上的延迟， 是指从引起动态要素的时刻起到输出开始 发生变化之间的时间间隔。 事物的发展趋势不仅依赖于当前的状态， 而且还依赖 于事物的过去情况。 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。时滞的传递函数表示：若用 y( t)表示系统输出， r(t)表示系统输出， L 表示滞后时间，则：y(t) r(t L) (3-1) 对上边两式进行 Laplace 变换可得：Y(s) R(s)e Ls(3-2)因此，含有纯滞后环节的系统传递函数为：G(s) Y(s) e Ls(3-3)R(s)在工业自动调节系统中， 除被控对象外， 常常还包

53、括测量变送器、 调节阀和 传感器等。 此时被控对象动态特性通常近似为具有纯滞后的标准形式， 如下式所 示： 俦聹执償閏号燴鈿膽賾。G1(s)e (3-4)Ts 1式中，K 为系统稳态增益； T 为惯性时间常数。12北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）G2 (s)K(T1s 1)(T2 s 1)e Ls(3-5)式中： T1和 T2为惯性时间常数。(3-6)G3（s） K e LssG4(s)Ks(Ts 1)e Ls(3-7)其中， G1（s）为一阶惯性滞后系统； G2（s）为二阶惯性滞后系统； G3（s）为一 阶积分滞后系统； G4（ s）为二阶积分滞后系统。 G1（s）和 G2（

54、s）所描述的为 稳定系统； G3（s）和 G4（ s）所描述的为不稳定系统。 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。定义系统滞后时间 L 与惯性时间常数 T 的比值为 ，即：(3-8)那么我们可以定义 为时滞系统的难控程度。 一般我们认为 0.5是为大时 滞系统。3.1.2 时滞的研究意义 时滞系统的控制是控制理论应用中一个重要领域， 时滞系统是一种在工业系 统中广泛存在的系统。 具有时滞特性的控制对象是非常普遍的， 由于滞后环节的 存在，使得整个系统的控制品质变坏甚至引起闭环系统的不稳定， 控制量不能及 时的反映到被控对象上， 从而造成控制系统在超调量、 静态误差、 调节时间变长 等方面造成显著的影响。 所

55、以对于存在大滞后工业对象的控制一直是过程控制研 究中的热点问题。 骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。大滞后系统是一类常见的工业过程之一，许多工业过程都包含纯时间滞后， 克服纯滞后是改善滞后过程控制质量的一个关键性问题。 特别是一些大滞后系统 如 ：某些化工冶炼过程、电阻炉等更是工业控制中公认的难题之一。 癱噴导閽骋艳 捣靨骢鍵。另一方面，时滞工业对象本身往往为一个个分布参数系统， 数学模型难以确 定，又往往存在大量的不确定因素，如环境的动态变化大、强随机干扰、检测困 难、过程噪声难以消除、 难以保证长期运行的稳定性与可靠性等以上因素使得控 制非常困难。 鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。时滞对象的控制一种是人们研究的

56、重要课题， 为解决纯滞后时间对控制系统 性能带来的不利影响，自20世纪 70年代以来每年都有大量的论文和文献从各个 方面对之进行探讨，提出了很多行之有效的方法。 榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。13北京理工大学 2014 届本科生毕业设计(论文)3.2 时滞系统的常规控制方法3.2.1 传统 PID 控制由于 PID 控制器具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等特点，对于克服时 滞的不利影响有一定的效果，因而是工业生产过程中最常用的控制算法。 逊输吴贝 义鲽國鳩犹騸。比例、积分、微分控制简称 PID控制。 PID 控制由比例、积分、微分三个典 型环节组合而成。 PID 控制器的数学模型可以用下式表示： 幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。u(t) kpe(