滑模變結(jié)構(gòu)控制在過程控制中的應(yīng)用

1、滑模變結(jié)構(gòu)控制在過程控制中的應(yīng)用專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化 學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 職稱： 講師 摘要 滑?？刂剖且环N比較有效的魯棒控制方法，并且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性可以通過滑模設(shè)計(jì)來預(yù)先設(shè)定，無論對線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，滑?？刂贫硷@示出良好的控制特性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制出現(xiàn)在50年代，由于變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)對于系統(tǒng)的參數(shù)攝動(dòng)、外界的擾動(dòng)、系統(tǒng)不確定模態(tài)和模型不確定性具有不變性，也就是完全魯棒性，滑?？刂撇盼巳藗兊臉O大關(guān)注。它的不足主要是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到達(dá)滑動(dòng)平面后，會(huì)在滑動(dòng)平面附近產(chǎn)生高頻抖振，同時(shí)系統(tǒng)的控制量也產(chǎn)生高頻振蕩。目前，變結(jié)構(gòu)控制已形成系統(tǒng)、成熟的理論，但一直未被廣泛應(yīng)用，其原因就是在數(shù)字實(shí)

2、現(xiàn)時(shí)存在抖振。工業(yè)生產(chǎn)過程中普遍存在一類具有多變量、非線性特性的復(fù)雜對象，對此類對象尋求合適的控制策略和高效的實(shí)現(xiàn)方法是工控鄰域的熱門課題之一。目前多變量非線性控制理論正快速發(fā)展，如變結(jié)構(gòu)控制理論、模糊控制理論等。本文主要介紹了模糊滑?？刂圃谶^程控制中的應(yīng)用，在變結(jié)構(gòu)控制理論的基礎(chǔ)上，以NEWAUTO公司的EFPT-1型過程控制裝置為被控對象，采用滑?？刂评碚撆c變結(jié)構(gòu)滑模控制相結(jié)合的控制策略以有效的抑制消弱抖振，顯示良好的魯棒性，并通過MATLAB仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制方案的正確性和有效性。關(guān)鍵字： 變結(jié)構(gòu)控制；模糊控制；滑?？刂?；抖振；魯棒性The Application of Slide M

3、ode Variable Structure Theory in the Process Control Abstract Sliding mode control is an effective and robust control methods， the dynamic system can be designed to predetermined by sliding， no matter for linear or non-linear systems， sliding mode control system shows good control properties.The sli

4、ding mode variable structure control that is brought in 50s is attention-getting because of its ideal robustness. The sliding mode movement of variable structure system holds the invariance for the change of system parameters，outside disturbance，uncertain mode and model uncertainty of the system.Its

5、 flaw is that after the system state getting to the slidingplane，it will produce high frequency chattering around the sliding plane and the control variable of the system will also produce high frequency chattering.Currently， the variable structure control system， has formed the theory， but has not

6、been widely applied， its reason is existing in digital chattering.In the domain of industrial control，one hot focus is to find appropriate control strategy and effective method to deal with the multivariate nonlinear objects. The control theory of multivariate nonlinear system has developed quickly，

7、and lots of algorithms come out，such as Variable Structure Control (VSC)，fuzzy Control，etc.This paper mainly introduces the fuzzy sliding mode control in process control applications.Based on the variable structure control system(VSC)， by using the process control experiment EFPT-1 of NEWAUTO compan

8、y as an object，combining fuzzy control and slide mode control，the chattering of the system is eliminated efficiently. This method exhibits strong global robustness against parameter variations and external disturbance.And through MATLAB simulation results prove that the control scheme design of corr

9、ectness and effectiveness.Keywords variable structure control； fuzzy control； sliding mode control； chattering； robustness目 錄第一章緒 論11.1過程控制概述1過程控制的發(fā)展概況11.1.2 過程控制系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及性能指標(biāo)2過程控制策略與算法的進(jìn)展41.2變結(jié)構(gòu)控制理論概述5變結(jié)構(gòu)控制理論的起源51.2.2 變結(jié)構(gòu)控制理論的發(fā)展61.3 變結(jié)構(gòu)控制器的抖振問題及目前國內(nèi)外抑制抖振的主要方法8變結(jié)構(gòu)控制器的抖振問題8目前國內(nèi)外抑制抖振的方法91.4 本文的研究內(nèi)容及章節(jié)安

10、排9第二章滑模變結(jié)構(gòu)控制理論112.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的理論11滑模變結(jié)構(gòu)理論概述11滑模變結(jié)構(gòu)控制的概念、原理與性質(zhì)112.2模糊控制理論13模糊控制的原理142.2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟142.3模糊控制的應(yīng)用192.4模糊控制的特點(diǎn)及其問題分析202.5模糊控制的發(fā)展趨勢21第三章被控對象和參考模型的建立223.1 被控對象數(shù)學(xué)模型建立223.2參考模型的建立24第四章 模糊控制在過程控制中的應(yīng)用254.1滑模模塊的模糊控制結(jié)構(gòu)254.2變結(jié)構(gòu)模型跟蹤控制器的設(shè)計(jì)264.3 的模糊化27第五章模糊滑模控制系統(tǒng)的仿真305.1 計(jì)算機(jī)仿真軟件概述305.2系統(tǒng)基本仿真模型305.3系統(tǒng)

11、的仿真及結(jié)果分析31第六章 結(jié)論36致 謝37參考文獻(xiàn)38第一章緒 論1.1過程控制概述過程控制的發(fā)展概況 過程控制通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。 在20世紀(jì)40年代前后，工業(yè)生產(chǎn)非常落后，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程均處于手工下操作狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗(yàn)、用于手工方式去控制生產(chǎn)過程。例如生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)靠人工觀察生產(chǎn)過程中的操作也靠人工去執(zhí)行、當(dāng)時(shí)的勞動(dòng)生產(chǎn)率是很低的。 40年代以后，工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快。尤其是近些年來，過程控制技術(shù)發(fā)展更為迅猛?？v觀過程控制的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷以下幾個(gè)階段1第一個(gè)階段，50年代前后一些工廠企業(yè)的生產(chǎn)

12、過程實(shí)現(xiàn)丁儀表化和局部自動(dòng)化。這個(gè)階段的主要特點(diǎn)是：過程檢測控制儀表普遍采用基地式儀表和部分單元組合式儀表(多數(shù)是氣動(dòng)儀表)，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多數(shù)是單輸入、單輸出系統(tǒng)；被控參數(shù)主要是溫度、壓力、流量和液位四種參數(shù)，控制的目的是保持這些過程參數(shù)的穩(wěn)定，消除或減小主要擾動(dòng)對生產(chǎn)過程的影響；過程控制理論足以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，主要解決單插人、單輸出的定位控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。第二個(gè)階段，自60年代來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對過程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，也為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善創(chuàng)造了條件。在儀表方面，開始大量采用氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表。為了滿足定型、靈活、

13、多功能的要求，又開發(fā)了組裝儀表它將各個(gè)單元?jiǎng)澐譃楦〉墓δ軌K，以適應(yīng)比較復(fù)雜的模擬和邏輯規(guī)律相結(jié)合的控制系統(tǒng)的需要。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制與設(shè)定值控制。在過程控制系統(tǒng)方面，為了提高控制質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)一些特殊的工藝要求，相繼開發(fā)和應(yīng)用了各種復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)，諸如串級(jí)控制、比值控制和均勻控制。在過程控制理論方面，除了仍然采用經(jīng)典控制理論解決實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中遇到的問題外，現(xiàn)代控制理論得到應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)高水平的過程控制美定了理論基礎(chǔ)，從而過程控制由單變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)向多變量系統(tǒng)。但是，由于過程機(jī)理復(fù)雜，過程建模困難等等原因，現(xiàn)代控制理論時(shí)還難以應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程

14、。在此期間， 工廠企業(yè)實(shí)現(xiàn)廠車間或大型裝置的集中控制。第三個(gè)階段，70年代以來，過程控制得到很大發(fā)展。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，隨著大規(guī)模集成電路制造成功與微處理器的相繼間世，使功能豐富的計(jì)算機(jī)的可靠性大大提高。而性能價(jià)格比又大大提高，尤其是工業(yè)控制機(jī)采用了冗余技術(shù)和軟硬件的自診斷措施，使其滿足工業(yè)控制的應(yīng)用要求。隨著微型計(jì)算機(jī)的開發(fā)、應(yīng)用和普及，使生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的水平。過程控制發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段計(jì)算機(jī)時(shí)代。80年代以后，工業(yè)過程控制得到了一個(gè)飛躍的發(fā)展。一方面現(xiàn)代控制理論從本質(zhì)上解決了一般多變量系統(tǒng)的控制問題，包括線性系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、微分差分系統(tǒng)等，從

15、而大大促進(jìn)了過程控制的發(fā)展。另一方面，過程控制的結(jié)構(gòu)已從包括許多手動(dòng)控制的分散局部控制站改變?yōu)榫哂懈叨茸詣?dòng)化的集中、遠(yuǎn)程控制中心。使得過程控制的概念有了很大的發(fā)展，它不僅包括數(shù)據(jù)采集與管理、基本過程控制，而且包括先進(jìn)的管理系統(tǒng)、調(diào)度和優(yōu)化等。柔性化、分散化和集成化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，已被應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過程。專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、過程監(jiān)督和在線診斷等理論已經(jīng)大大地促進(jìn)了過程控制的發(fā)展。過程控制在近20年來的發(fā)展，又取得了許多新的進(jìn)展，比如PID算法、模型預(yù)測控制算法（MPC）等，這些算法都已經(jīng)在過程控制中的有了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，過程控制仍然面臨著許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，比如金屬鈦氣溶反應(yīng)器的控制

16、【2】、基于多尺度模型的材料微結(jié)構(gòu)控制【3】、納米合成和加工過程中的控制問題等等。 過程控制系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)一般由以下幾部分組成： (1) 被控過程(或?qū)ο?； (2) 用于生產(chǎn)過程參數(shù)檢測的檢測與變送儀表； (3) 控制器； (4) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)； (5) 報(bào)警、保護(hù)和連鎖等其他部件。圖1-1表示了過程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。控制器(或稱調(diào)節(jié)器)根據(jù)系統(tǒng)輸出量檢測值與設(shè)定值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量，對被控過程進(jìn)行控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如：調(diào)節(jié)閥)接受控制器送來的控制信息調(diào)節(jié)被控量，從而達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。過程的輸出信號(hào)通過過程檢測與變送儀表，反饋到控制器或稱調(diào)節(jié)器)的輸入端

17、構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 圖1-1 過程控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 由于過程控制主要是指連續(xù)過程工業(yè)的過程控制，故過程工業(yè)的特點(diǎn)主要指連續(xù)過程工業(yè)的特點(diǎn)。 過程工業(yè)伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞，是一個(gè)十分復(fù)雜的大系統(tǒng)，存在不確定性、時(shí)生性以及非線性等因素。因此，過程控制的難度是顯而易見的，要解決過程控制問題必須采用有針對性的特殊方法與途徑。 過程工業(yè)常常處于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，同時(shí)常常要求苛刻的生產(chǎn)條件，如高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆或有毒等等。因此，生產(chǎn)設(shè)備與人身的安全性特別重要。 由連續(xù)生產(chǎn)的特征可知，過程工業(yè)更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和整體性。協(xié)調(diào)復(fù)雜的精臺(tái)與制約因素，求得全局優(yōu)化，也是十

18、分重要的。因此，有必要采用智能控制方法和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。過程控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： (1) 被控過程的多樣性 過程工業(yè)涉及到各種工業(yè)部門，其物料加工成的產(chǎn)品是多樣的。同時(shí)，生產(chǎn)工藝各不相同，如：石油化工過程、冶金工業(yè)中的冶煉過程、核工業(yè)中的動(dòng)力核反應(yīng)過程等等，這些過程的機(jī)理不同，甚至執(zhí)行機(jī)構(gòu)也不同。因此，過程控制系統(tǒng)中的被控對象(包括被控量)是多樣的，明顯地區(qū)別于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 (2) 控制方案的多樣性 由過程工業(yè)的特點(diǎn)以及被控過程的多樣性決定了過程控制系統(tǒng)的控制方案必然是多樣的。這種多樣性包含系統(tǒng)硬件組成和控制算法以及軟件設(shè)計(jì)。觀察圖1-1所示過程控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，早期的控制器是模擬調(diào)節(jié)儀

19、表，如果將控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如：調(diào)節(jié)闖)和檢測與變送儀表統(tǒng)稱為過程檢測控制儀表，則一個(gè)簡單的過程控制系統(tǒng)是由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成，也稱之為儀表過程控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)過程越來超復(fù)雜，對過程控制的要求也越來越高，傳統(tǒng)的模擬式過程檢測控制儀表已經(jīng)不能滿足控制要求，因而采用計(jì)算機(jī)作為控制器組成計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。從控制方法的角度看，有單變量過程控制系統(tǒng)，也有多變量過程控制系統(tǒng)。同時(shí)，控制算法多種多樣，有PID控制、復(fù)雜控制，也有包括智能控制的先進(jìn)控制方法等等。 (3) 被控過程屑設(shè)過程且多屆參數(shù)控制 連續(xù)工業(yè)過程大慣性和大滯后的特點(diǎn)決定了被控過程為慢過程。被控過程是

20、物流變化的過程，伴隨物流變化的信息(物性、成分、溫度、壓力、流量、液位或物位)表征為被控過程狀態(tài)的參數(shù)，也是過程控制系統(tǒng)的被控量。 (4) 定值控制是過程控制的主要形式 在多數(shù)生產(chǎn)過程中，被控參數(shù)的設(shè)定值為一個(gè)定值，定值控制的主要任務(wù)在于如何減小或消除外界干擾，使被控量盡量保持接近或等于設(shè)定值，使生產(chǎn)穩(wěn)定。 (5) 過程控制有多種分類方法。 1）按被控參數(shù)分類，可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、液位或物位控制系統(tǒng)、物性控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)； 2）按被控量數(shù)分類，可分為單變量過程控制系統(tǒng)、多變量過程控制系統(tǒng)， 3）按沒定值分類，可分為定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)(伺服)控制系統(tǒng)； 4）按參

21、數(shù)性質(zhì)分類，可分為集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)； 5）按控制算法分類可分為簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)或高級(jí)控制系統(tǒng)；6）按控制器形式分類，可分為常規(guī)儀表過程控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。工業(yè)過程對控制的要求，可以概括為準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性。另外，定值控制系統(tǒng)隨動(dòng)(伺服)控制系統(tǒng)對控制的要求既有共同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。定值控制系統(tǒng)在于恒定，即求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準(zhǔn)、快地保持接近或等于設(shè)定值。而隨動(dòng)(伺服)控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是跟蹤，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快地跟蹤設(shè)定值。根據(jù)過程控制的特點(diǎn)，主要討論定值檢測的性能指標(biāo)。圖1-4為一個(gè)過程控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線【4】。圖1-2 過程控制統(tǒng)階

22、躍響應(yīng)曲線過程控制策略與算法的進(jìn)展 幾十年來，過程控制策略與算法出現(xiàn)了三種類型：簡單控制、復(fù)雜控制與先進(jìn)控制。通常將單回路PID控制稱為簡單控制。它一直是過程控制的主要手段。PID控制以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，主要用頻域方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)與綜合。目前，PID控制仍然得到廣泛應(yīng)用。在許多DCS和PLC系統(tǒng)中，均設(shè)有PID控制算法軟件，或PID控制模塊。從20世紀(jì)50年代開始，過程控制界逐漸發(fā)展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制和Smith預(yù)估控制等控制策略與算法，稱之為復(fù)雜控制。它們在很大程度上滿足了復(fù)雜過程工業(yè)的一些特殊控制要求。它們?nèi)匀灰越?jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，但是結(jié)構(gòu)與應(yīng)用上各有特色

23、，而且目前仍在繼續(xù)改進(jìn)與發(fā)展，20世紀(jì)70年代中后期，出現(xiàn)了以DCS和PLC為代表的新型計(jì)算機(jī)控制裝置，為過程控制提供了強(qiáng)有力的硬件與軟件平臺(tái)。從20世紀(jì)80年代開始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的理論基礎(chǔ)上，針對工業(yè)過程本身的非線性、時(shí)變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之有效的解決方法，如解藕控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，常統(tǒng)稱為先進(jìn)過程控制。近十年來，以專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法為主要方法的基于知識(shí)的智能處理方法已經(jīng)成為過程控制的一種重要技術(shù)。先進(jìn)過程控制方法可以有效地解決那些采用常規(guī)控制效果差，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程的控制問題

24、。實(shí)踐證明，先進(jìn)過程控制方法能取得更高的控制品質(zhì)和更大的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。1.2變結(jié)構(gòu)控制理論概述變結(jié)構(gòu)控制理論的起源 1948年維納的 控制論奠定了控制理論的基礎(chǔ)，開創(chuàng)了工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防建設(shè)等科技發(fā)展的自 動(dòng)控制時(shí)代。半個(gè)世紀(jì)以來，控制理論以驚人的速度呈現(xiàn)出百花齊放的局面：多變量、不確定性、未建模動(dòng)態(tài)、魯棒性、最優(yōu)化、自適應(yīng)、系統(tǒng)辨識(shí)；魯棒控制、預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論等等新的概念、新的策略、新的理論層出不窮，并逐漸應(yīng)用于實(shí)踐，大大推動(dòng)了科技的進(jìn)步。經(jīng)典控制理論主要研究線性定常系統(tǒng)，被控對象幾乎全部是單輸入-單輸出系統(tǒng)。采用的方法通常以

25、傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布為理論基礎(chǔ)的Bode 圖法和的根軌跡法，包括勞斯赫爾維-茨代數(shù)判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)、期望對數(shù)頻率特性的分析和綜合等方法。到六十年代后，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和航天飛行器等高科技的推動(dòng)，產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的現(xiàn)代理論。它主要研究多輸入-多輸出的線性系統(tǒng)被控對象，用狀態(tài)方程代替經(jīng)典控制理論中的高階微分方程進(jìn)行系統(tǒng)描述，并把系統(tǒng)中的各個(gè)變量均取為時(shí)間t的函數(shù)，因而它屬于時(shí)域分析法，有別于經(jīng)典控制理論中的頻率方法，這樣更有利于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和控制。現(xiàn)代控制理論的主要研究內(nèi)容有： 系統(tǒng)狀態(tài)空間建模和能控性、能觀性分析： Lyapunov穩(wěn)定性理論和Lyapunov

26、函數(shù)； 系統(tǒng)辨識(shí)和卡爾曼濾波理論：基于龐德里亞金極大值原理和貝爾曼于1957年根據(jù)Hmilton-Jacobian方程提出的動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理的最優(yōu)控制原理等。 然而，經(jīng)典控制理論是基于傳遞函數(shù)模型的精確描述，現(xiàn)代控制理論是基于狀態(tài)空間模型的精確描述。在實(shí)際應(yīng)用過程中，許多被控對象很難精確地描述，如衛(wèi)星的定位與姿態(tài)控制、機(jī)器人控制、精密數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制等，各變量間-存在強(qiáng)禍合，參數(shù)時(shí)變，不確定的內(nèi)外干擾等因素，從而使得在系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模中不可避免地存在各種形式的不確定性，和系統(tǒng)表現(xiàn)為非線性形態(tài)。為了解決不確定非線性系統(tǒng)的控制問題，人們致力于尋求性能良 好、能克服系統(tǒng)各種不確定性而又保持穩(wěn)定的控制算法，

27、這樣就產(chǎn)生了自 適應(yīng)理論、魯棒控制理論等非線性控制理論。魯棒控制理論的發(fā)展，一定程度上解決了性能魯棒性和穩(wěn)定魯棒性之間的矛盾。以參數(shù)空間為基礎(chǔ)的魯棒控制系統(tǒng)理論，解決了參數(shù)有界的不確定性系統(tǒng)的綜合問題，對于結(jié)構(gòu)不確定性系統(tǒng)或者參數(shù)、結(jié)構(gòu)不確定性系統(tǒng)，基于算子或魯棒控制理論通過求解靈敏函數(shù)。 范數(shù)的極小值問題，給出了穩(wěn)定魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法。但是魯棒控制、自適應(yīng)控制、古典控制等等，每一種理論都局限于各自的結(jié)構(gòu)，只有變結(jié)構(gòu)控制【-】作為非線性控制的綜合方法，突破了固定的控制結(jié)構(gòu)，給人們以新的思路和方案，是伴隨著“ 魯棒控制”等策略而產(chǎn)生的。從目前看，變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)存在兩種類型：一種是不具有滑動(dòng)模態(tài)

28、的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)；另一種是具有滑動(dòng)模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，通常也稱為滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，這種變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于滑動(dòng)模態(tài)的存在，使系統(tǒng)對不確定性因素具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性，在國際上受到了廣泛的重視。 變結(jié)構(gòu)控制理論的發(fā)展變結(jié)構(gòu)控制理論誕生于前蘇聯(lián)。五十年代前蘇聯(lián)學(xué)者Emelyanov V.S. 首先提出了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng) ( Variable Structure Control System，VSCS) 的概念，并且逐步形成了控制系統(tǒng)的綜合方法，Utkin V.I.等在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展、 完善了 變結(jié)構(gòu)控制理論， 使得變結(jié)構(gòu)控制理論成為控制科學(xué)中的一個(gè)重要的分支。七十年代中，歐美學(xué)者開始研究這

29、一理論。八十年代中，此理論引起了我國學(xué)者的重視，以高為炳為代表。 根據(jù)Utkin V.I.的看法變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究歷史可劃分為三個(gè)階段9101) . 滑模變結(jié)構(gòu)理論的誕生到單輸入控制系統(tǒng)階段 ( 1955-1970) 這期間的研究主要是由前蘇聯(lián)學(xué)者集中在規(guī)范空間中進(jìn)行的，他們所研究的變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有以下幾個(gè)主要特證：第一是所給的系統(tǒng)為單輸入高線性微分方程： （1.1）第二是切換平面被定義為如下的二次型： （1.2）第三是系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)被選為： （1.3）式中 總的來說在此期間研究的重點(diǎn)主要為以下幾方面： ( 1 ) 滑動(dòng)模態(tài)的存在性； ( 2 ) 滑動(dòng)模態(tài)的穩(wěn)定性； ( 3 ) 參數(shù)隨時(shí)間變化的系

30、統(tǒng)； ( 4 ) 系統(tǒng)參數(shù)變化與外干擾的影響： ( 5 ) 狀態(tài)非完全可測系統(tǒng)。2). 多輸入多輸出系統(tǒng)的滑?？刂齐A段 （1970-1980）這一期間，一般線性系統(tǒng)的滑動(dòng)模態(tài)控制理論得到了進(jìn)一步確定。設(shè)一般系統(tǒng)為：(1.4)其中，。對于滑?？刂?，要求有一個(gè)階線性切換函數(shù)，且個(gè)輸入分別存在下列輸入結(jié)構(gòu)： (1.5)此期間多數(shù)是理論上的成果，很少應(yīng)用于實(shí)際，原因有三點(diǎn)：一是滑模變結(jié)構(gòu)控制在滑模切換面上存在抖動(dòng)：二是滑?？刂葡到y(tǒng)的強(qiáng)魯棒性沒有得到充分認(rèn)識(shí)；三是當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度還不能滿足滑模控制系統(tǒng)的切換要求。3). 高速發(fā)展的階段(1980現(xiàn)在)進(jìn)入八十年代以后，變結(jié)構(gòu)控制理論得到了迅速發(fā)展。其

31、表現(xiàn)有兩個(gè)方面：第一是從理論上對十分復(fù)雜的系統(tǒng)確立了滑?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；第二是完全闡明了滑?？刂葡到y(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外干擾的魯棒性。其結(jié)果是從理論和應(yīng)用兩方面都加速了滑模控制系統(tǒng)的發(fā)展。特別是八十年代后半期，隨著科技進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展以及高速切換電路的產(chǎn)生，使滑?？刂葡到y(tǒng)容易得到實(shí)現(xiàn)，而廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在這個(gè)階段滑模控制系統(tǒng)理論的研究成果主要表現(xiàn)有： ( 1 ) 系統(tǒng)控制對象擴(kuò)大?，F(xiàn)在的變結(jié)構(gòu)控制不僅僅用于正定調(diào)節(jié)， 還推廣到系統(tǒng)的伺服調(diào)節(jié)、模型跟蹤、最優(yōu)與自適應(yīng)控制以及狀態(tài)觀測器和系統(tǒng)辨識(shí)等領(lǐng)域中。 ( 2 ) 在一些不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的發(fā)展。其中包括對離散時(shí)間系統(tǒng)， 輸出反饋系統(tǒng)

32、以及大系統(tǒng)的滑?？刂啤?( 3 ) 向其它控制系統(tǒng)滲透。其表現(xiàn)有：a . 非線性系統(tǒng)的滑?？刂?；b . 具有概率分布參數(shù)系統(tǒng)的滑模控制； c . 時(shí)間延時(shí)系統(tǒng)的滑?？刂?；d . 復(fù)合系統(tǒng)的滑模控制。 ( 4 ) 對滑模變結(jié)構(gòu)控制理論新特性的探索。這些特性包括滑動(dòng)模態(tài)對系統(tǒng)攝動(dòng)的不變性，系統(tǒng)在到達(dá)滑模區(qū)或在非滑模區(qū)的魯棒性以及對系統(tǒng)抖振的減少與消除。 ( 5 ) 在機(jī)器人、電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)、宇宙空間站以及各種機(jī)械減振系統(tǒng)和工業(yè)過程系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.3 變結(jié)構(gòu)控制器的抖振問題及目前國內(nèi)外抑制抖振的主要方法變結(jié)構(gòu)控制器的抖振問題變結(jié)構(gòu)控制由于其滑動(dòng)模態(tài)對加給系統(tǒng)的干擾和系統(tǒng)的攝動(dòng)具有完全的自適應(yīng)性，而且

33、系統(tǒng)的狀態(tài)一旦進(jìn)入滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，便快速的收斂到控制目標(biāo)范圍，因此引起了人們的極大興趣，單同時(shí)由于變結(jié)構(gòu)控制在獲得滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也伴隨著高頻抖振的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，成為制約變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用的主要問題。實(shí)際中系統(tǒng)不可避免的抖振對于變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生如下的有害后果：(1) 影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，還可能破壞系統(tǒng)滑動(dòng)模態(tài)的運(yùn)行條件，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)過大、過渡過程增長、甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；(2) 平衡點(diǎn)附近的抖動(dòng)，會(huì)使系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)降低，產(chǎn)生靜態(tài)誤差；(3) 給系統(tǒng)帶來機(jī)械磨損，增加能量的消耗；(4) 高頻抖振可能激發(fā)系統(tǒng)未建模部分的強(qiáng)烈振蕩，成為振源，從而使系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)。因此變結(jié)構(gòu)控制的主要任務(wù)有以下三點(diǎn)

34、：(1) 盡量削弱或消除滑?？刂频亩墩駟栴}；(2) 在削弱系統(tǒng)抖振時(shí)必須要考慮控制器設(shè)計(jì)的簡潔性和控制器的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)。(3) 注意到目前滑模控制氣的實(shí)現(xiàn)一般采用計(jì)算機(jī)，必須考慮控制器用軟件算法實(shí)現(xiàn)時(shí)控制延遲對系統(tǒng)性能的不利影響，并在設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施避免。目前國內(nèi)外抑制抖振的方法抖振問題已成為滑模變結(jié)構(gòu)控制在工程應(yīng)用中的突出障礙，近年來，學(xué)術(shù)界對變結(jié)構(gòu)控制理論的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)移到如何削弱并防止抖振發(fā)生的研究上來，很多學(xué)者都在尋求能夠消除控制信號(hào)抖動(dòng)的近似變結(jié)構(gòu)控制算法，1983年SlotienJ.E.提出了一種平滑控制算法，在切換函數(shù)的邊界層對控制的不連續(xù)性進(jìn)行平滑；羅寧蘇等提出了一種具有擬滑

35、動(dòng)特性的抖振消除法；高為炳提出利用趨近律削弱抖振的方法；NasabT.M.提出了一種在被控對象中增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)或低通濾波器的方法，通過對象增廣并結(jié)合自適應(yīng)等方法抑制抖振；1988年Shtesse等利用滑動(dòng)模態(tài)的有限時(shí)間要求，提出了另一種連續(xù)的近似變結(jié)構(gòu)控制算法11。本文將引進(jìn)模糊控制理論來解決變結(jié)構(gòu)控制的抖振問題。1.4 本文的研究內(nèi)容及章節(jié)安排本文以討論過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置為研究對象，針對一些非線性系統(tǒng)，運(yùn)用先進(jìn)的非線性系統(tǒng)控制理論，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，解決系統(tǒng)難于控制的問題。本文的主要內(nèi)容有：1. 探討多變量非線性系統(tǒng)的特性、控制理論和方法，并著重分析了滑模變結(jié)構(gòu)控制與模糊控制理論，得出滑

36、模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和一般步驟。2. 在實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)兩輸入輸出的非線性液位控制系統(tǒng)，并采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，解決系統(tǒng)相互干擾，難于控制的問題。運(yùn)用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，設(shè)計(jì)開發(fā)雙容液位滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行和仿真分析。本文章節(jié)安排如下：第1章 是緒論部分，簡單介紹了過程控制、變結(jié)構(gòu)控制的相關(guān)知識(shí)，并提出了變結(jié)構(gòu)控制中抖振問題。第2章 主要介紹模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制的相關(guān)知識(shí)，如基本原理、定義、性質(zhì)和設(shè)計(jì)等。第3章 介紹了被控對象數(shù)學(xué)模型的建立方法和參考模型的建立。第4章 是模糊滑?？刂频倪^程控制應(yīng)用及其設(shè)計(jì)過程。第5章 通過Matlab

37、仿真及其結(jié)果分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性及控制策略的有效性。第6章 結(jié)論及對本文的回顧。第二章滑模變結(jié)構(gòu)控制理論2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的理論滑模變結(jié)構(gòu)理論概述變結(jié)構(gòu)控制是一類特殊的非線性控制系統(tǒng)，其非線性表現(xiàn)在控制的非連續(xù)性，這種非連續(xù)性在實(shí)際上是對控制函數(shù)的一種開關(guān)切換動(dòng)作。系統(tǒng)在整個(gè)控制過程中通過開關(guān)的切換，改變系統(tǒng)在狀態(tài)控制中的切換面兩邊的結(jié)構(gòu)。開關(guān)切換的法則稱為控制策略，它保證系統(tǒng)具有滑動(dòng)模態(tài)，帶有滑動(dòng)模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制叫做滑模變結(jié)構(gòu)控制?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的概念、原理與性質(zhì)(1)滑?？刂苹驹碜兘Y(jié)構(gòu)控制原理在于，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)穿越狀態(tài)空間的滑動(dòng)超平面時(shí)，反饋控制的結(jié)構(gòu)就發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)性

38、能達(dá)到某個(gè)期望指標(biāo)。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)能夠通過控制本身結(jié)構(gòu)變化使系統(tǒng)高于一般固定變結(jié)構(gòu)控制所能達(dá)到的性能，突破了經(jīng)典線性控制系統(tǒng)品質(zhì)限制，較好的解決了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)之間的矛盾。變結(jié)構(gòu)控制實(shí)質(zhì)上是一種設(shè)計(jì)方法，它的運(yùn)動(dòng)軌跡由兩個(gè)過程組成：趨近模態(tài)和滑動(dòng)模態(tài)。變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)也分為兩個(gè)步驟：切換面的設(shè)計(jì)和控制率的設(shè)計(jì)。對此參考論文1有詳細(xì)的講解，在此不在贅述。 (2)滑模變結(jié)構(gòu)控制的概念與性質(zhì)考慮一般的情況，在系統(tǒng) (2.1)的狀態(tài)空間中，有一個(gè)超平面，如圖2-1所示，圖2-1切換面上三種點(diǎn)的特性它將狀態(tài)空間分成0和0上下兩部分，在超平面上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)有三種情況【】：通常點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到超平面=0附近

39、時(shí)穿越超平面而過如圖2-1上的A點(diǎn)；起始點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到超平面=0附近時(shí)，向超平面的兩邊離開，如圖2-1上的B點(diǎn)；終止點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到超平面=0附近時(shí)，從超平面兩邊趨向該點(diǎn)，如圖2-1上的C點(diǎn)。在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，通常點(diǎn)和起始點(diǎn)無多大意義，而終止點(diǎn)確有特殊的含義，因?yàn)槿绻诔矫嫔夏骋粎^(qū)域內(nèi)所有的點(diǎn)都是終止點(diǎn)的話，則一旦運(yùn)動(dòng)點(diǎn)趨向該區(qū)域時(shí)，就被“吸引”在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，又由于系統(tǒng)存在慣性，將會(huì)使運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在切換面上下作小幅度高頻振動(dòng)，如圖2-2所示，這種運(yùn)動(dòng)稱之為“滑模運(yùn)動(dòng)”或“滑動(dòng)模態(tài)”，這個(gè)區(qū)域稱之為“滑動(dòng)模態(tài)區(qū)”或簡稱“滑模區(qū)”，滑模變結(jié)構(gòu)控制就是根據(jù)控制目標(biāo)設(shè)計(jì)滑模切換面（=0），然后使

40、控制系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)到達(dá)滑模切換面，在切換面上形成滑模運(yùn)動(dòng)而不離開切換面，從而達(dá)到控制目的。圖2-2切換面的滑模運(yùn)動(dòng)從圖2-2也可以看出，抖振問題也是滑模變結(jié)構(gòu)控制理論在實(shí)際工程中應(yīng)用的突出障礙，近年來的學(xué)術(shù)界尋找出來的消除和削弱抖振的主要方法有以下幾種：1) . 邊界層法變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的抖振就是由控制輸入中不連續(xù)部分造成的，邊界層法就是利用飽和函數(shù)代替符號(hào)函數(shù)來平滑控制輸入的不連續(xù)部分。其中定義如下： (2.2)2) . 趨近律法從物理意義上理解，產(chǎn)生抖振的原因是由于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)以其固有的慣性沖向切換面時(shí)具有較大的速度，因此，可以為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換面設(shè)計(jì)各種趨近率。較好的趨近率應(yīng)該在離切換面遠(yuǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)

41、點(diǎn)向切換面運(yùn)動(dòng)的速度大，而接近切換面時(shí)，其速度漸進(jìn)趨近于零，現(xiàn)在運(yùn)用最多的趨近率是指數(shù)趨近率 (2.3)如果取值較小，值相當(dāng)大，則可保證趨近速度在理切換面遠(yuǎn)時(shí)速度大，而在切換面附近時(shí)漸進(jìn)于很小的速度，從而使該系統(tǒng)具有抖振小、過度時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。3) .單位矢量的連續(xù)化對標(biāo)量控制函數(shù)： (2.4)代之以光滑函數(shù)： (2.5) 這是一種高增益反饋，對抑制抖振顯然有利，因?yàn)橄到y(tǒng)稍微偏離切換面=0時(shí)，大的控制力很快將其拉回到切換面上。4). 頻域近似法頻域近似法所設(shè)計(jì)的滑模VSC控制器由濾波器和近似的相校正器組成，因此具有平滑濾波的作用，對抑制抖振很有效。5). 積分滑模面法應(yīng)該說這是一種較好的方法。通

42、過設(shè)計(jì)具有積分性質(zhì)的非線性滑模面，使得控制輸入中包含有積分成分，則控制信號(hào)總體上說比線性滑模要連續(xù)得多。6). 智能控制法引入模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制策略構(gòu)成混合變結(jié)構(gòu)控制器。由于智能系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性逼近能力、很強(qiáng)的非線性平滑能力，所以引入智能系統(tǒng)來逼近滑?？刂频姆蔷€性部分，或直接用智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滑模控制，都能獲得很好的效果。變結(jié)構(gòu)控制智能化已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，是變結(jié)構(gòu)控制理論發(fā)展的一個(gè)趨勢。本文正是通過引入模糊控制理論來解決滑模變結(jié)構(gòu)控制所產(chǎn)生的抖振問題，來實(shí)現(xiàn)有效的控制。2.2模糊控制理論 自從1965年美國自動(dòng)控制理論專家Zadeh L A提出用模糊集合描述客觀世界中存在的不確

43、定性信息以來，模糊邏輯理論有了飛躍性的發(fā)展，并得到了廣泛的應(yīng)用。模糊控制(fuzzy control)是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊控制邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，從行為上模擬人的思維方式，對難建模的對象實(shí)施模糊推理和決策的一種控制方法，實(shí)際上是一種非線性控制。模糊控制作為智能領(lǐng)域中最具有實(shí)際意義的一種控制方法，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域、家用電器自動(dòng)化領(lǐng)域和其他很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效，引起了越來越多的控制理論的研究人員和相關(guān)領(lǐng)域的廣大工程技術(shù)人員的極大興趣。模糊控制的原理模糊控制算法的工作過程可以描述如下：微機(jī)通過中斷采樣獲取被控制量的精

44、確值，并將此量與給定值比較得到一誤差信號(hào)，一般選誤差信號(hào)作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差的模糊語言集合的一個(gè)子集(是一個(gè)誤差的模糊矢量)，再由和模糊關(guān)系根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量，即：.模糊控制的框圖如圖2-3所示：圖2-3模糊控制原理框圖 由圖2-3可知，模糊控制系統(tǒng)與通常的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了模糊控制器。模糊控制器是整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)，所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法及模糊決策的方法等因素。 模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟一、模糊

45、控制器基本結(jié)構(gòu)模糊控制器的原理框圖如圖2-4所示，它包括模糊化接口、知識(shí)庫、推理機(jī)和解模糊接口等部分。圖2-4模糊控制器的組成框圖一般的模糊控制基本過程如下12： 1. 確定量的模糊化 模糊化就是將基礎(chǔ)變量論域上的確定量變換成基礎(chǔ)變量論域上的模糊集的過程，模糊化的步驟如下： (1) 把精確量離散化，其主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)模糊矢量。在進(jìn)行模糊化之前，先需對輸入量進(jìn)尺度變換，使其變換到相應(yīng)的論域范圍。變換的方法可以是線性的也可以是非線性的。 (2) 確定輸入值相對于相應(yīng)語言變量語言值的隸屬度。在一個(gè)模糊控制系統(tǒng)中，隸屬函數(shù)的形狀和位置直接影響著系統(tǒng)的性能。 2. 模糊控制知識(shí)庫的

46、生成 模糊控制的知識(shí)庫主要由2部分組成，即：數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。 (1) 數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值(即經(jīng)過論域等級(jí)離散化以后對應(yīng)值的集合)，若論域?yàn)檫B續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。數(shù)據(jù)庫的作用是在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。 (2) 規(guī)則庫。規(guī)則庫包含與生產(chǎn)過程有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)型知識(shí)，在設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則時(shí)，必須考慮控制規(guī)則的完備性、交叉性和一致性。模糊控制規(guī)則的生成大致有以下4種方法：根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過程知識(shí)生成；根據(jù)過程模糊模型生成；根據(jù)對手工操作的系統(tǒng)觀察和測量生成；根據(jù)學(xué)習(xí)算法生成。模糊控制規(guī)則建立完之后，還必須對規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化處理，從本質(zhì)

47、上解決控制規(guī)則的數(shù)量與質(zhì)量問題。 3. 模糊控制算法 模糊控制算法的目的就是從輸入的連續(xù)精確量中，通過模糊推理的運(yùn)算過程，求出相應(yīng)的清晰量的控制量。模糊控制算法有多種實(shí)現(xiàn)形式，目前常采用的算法有：CR I推理法；函數(shù)型推理法；Mamdani直接推理法后件函數(shù)法；特征展開推理法。除此之外，水本雅晴還提出了“(+，-)重心法”的推理方案，他認(rèn)為該方法在使用中要比Man2dani推理法來得方便。 4. 模糊量的清晰化 非模糊化處理是將模糊推理中產(chǎn)生的模糊量轉(zhuǎn)化為精確值，常見的清晰化方法有以下幾種：最大隸屬度值法(MC)；最大隸屬度平均值法(MOM)；面積平均法(COA)；重心法(COG)左取大(LM

48、)和右取大(RM)。由于以上這些清晰化方法在不同程度上都具有一定的局限性，F(xiàn)ilev和Yager采用學(xué)習(xí)機(jī)制提出了一種基本非模糊化分布函數(shù)法(BADD)，對COG中的加權(quán)因子進(jìn)行了修正，在此基礎(chǔ)上又提出了半線性非模糊化方法(SL IDE)以及改進(jìn)半線性非模糊化方法(MSLIDE)。J iang和L i對常見非模糊化方法進(jìn)行了總結(jié)，提出了基于廣義傳遞函數(shù)的非模糊化方法?？傮w來講，模糊控制就是這樣一個(gè)過程，根據(jù)規(guī)則庫中設(shè)置的隸屬度函數(shù)、尺度變換因子以及模糊空間劃分把實(shí)際輸出的物理量進(jìn)行模糊化，然后通過規(guī)則庫中既定的規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到相應(yīng)的輸出模糊量，然后把輸出模糊量變換為實(shí)際用于控制的清晰量。2

49、、 模糊控制器的設(shè)計(jì)過程(1) 精確輸入量的模糊化運(yùn)算模糊化運(yùn)算是將輸入空間的觀測量映射為輸入論域上的模糊集合，模糊化在處理不確定信息方面具有重要的作用，在模糊控制中，觀測到數(shù)據(jù)常常是清晰量，由于模糊控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是基于模糊集合的方法，因此對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化是必不可少的一步。在進(jìn)行模糊化運(yùn)算之前，首先要對輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到相應(yīng)的論域范圍。下面討論模糊化運(yùn)算中的輸入量均假定為已經(jīng)經(jīng)過尺度變換的量。在模糊控制中主要采用以下兩種模糊化的方法：1 單點(diǎn)模糊集合如果輸入數(shù)據(jù)是精確的，則通常將其模糊化單點(diǎn)模糊集合，設(shè)模集合用A表示，則有 (2.6)其隸屬度函數(shù)如圖2-5所示，這種模糊化

50、方法只是形式上將清晰量轉(zhuǎn)化成模糊量，而實(shí)質(zhì)上它表示的仍是準(zhǔn)確量。在模糊控制中，當(dāng)觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確時(shí)，采用這樣的模糊化方法是十分自然和合理的。2 三角形模糊集合如果輸入量數(shù)據(jù)存在隨機(jī)測量噪聲，這時(shí)模糊化運(yùn)算相當(dāng)于將變化量變換為模糊量。對于這種情況，可以區(qū)模糊量的隸屬度函數(shù)為等腰三角形，如圖2-6所示，三角形的頂點(diǎn)對應(yīng)于該隨機(jī)數(shù)的均值，底邊的長度等于，表示該數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。 (2.7) (2) 數(shù)據(jù)庫正如前面所講到的，模糊控制器中的規(guī)則庫是由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫組成的，其中，數(shù)據(jù)庫中包括了與模糊控制規(guī)則及模糊數(shù)據(jù)處理有關(guān)的各種參數(shù)，其中包括尺度變換變換參數(shù)、模糊空間分割和隸屬度函數(shù)的選擇等。1 輸入量

51、的尺度變換對于實(shí)際的輸入量，首先第一步要進(jìn)行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍，變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的，例如若實(shí)際輸入量為，其變換范圍為，采用線性變換，則可得 (2.8) (2.9)其中為比例因子。2 輸入和輸出空間的模糊分割模糊控制規(guī)則中前提的語言變量構(gòu)成模糊輸入空間，結(jié)論的語言變量構(gòu)成模糊輸出空間，每個(gè)語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構(gòu)成了語言名稱集合，每個(gè)模糊語言名稱對應(yīng)一個(gè)模糊集合，其個(gè)數(shù)決定了模糊控制精細(xì)化的程度以及最大可能的模糊規(guī)則個(gè)數(shù)。這些語言名稱通常均為具有一定的含義，如NB：負(fù)大；NM：負(fù)??；ZE：零；PS：正?。籔M：正中；PB：正大等。圖2-7表示

52、兩個(gè)模糊分割的例子，論域均為(-1,1)，且，糊分割是完全對稱的。這里假設(shè)尺度變換時(shí)已經(jīng)作了預(yù)處理而變換成這樣的標(biāo)準(zhǔn)情況。一般情況下，模糊語言名稱也可以是非對稱和非均勻分布的。圖2-7模糊分割的圖形表示對于任意的輸入，模糊控制器均給出合適的控制輸出，這個(gè)性質(zhì)稱為完備性。模糊控制的完備性對于數(shù)據(jù)庫的要求是：對于任意的輸入，若能找到一個(gè)模糊集合，使該輸入對于該模糊集合的隸屬度函數(shù)不小于零，則稱該模糊控制器滿足完備性。(3) 模糊控制規(guī)則庫模糊控制規(guī)則庫是由一系列的IF-THEN型的模糊條件所構(gòu)成。條件句的前件是輸入和狀態(tài)，后件是控制變量1 模糊控制規(guī)則的前件和后件變量的選擇模糊控制規(guī)則的前件和后件

53、變量也稱為模糊控制器的輸入和輸出的語言變量。輸出量為控制量，它一般比較容易確定。輸入量選擇什幺以及選幾個(gè)則需要根據(jù)要求來確定。其選擇和確定主要依靠經(jīng)驗(yàn)和工程知識(shí)。2 模糊控制規(guī)則的建立模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心，其建立通常有4種方法：基于專家經(jīng)驗(yàn)、基于控制工程知識(shí)、基于操作人員的實(shí)際控制過程和基于過程的模糊模型。(4) 清晰化計(jì)算對模糊量進(jìn)行處理，求取一個(gè)能恰當(dāng)反映模糊量的精確值的過程稱為清晰化計(jì)算，清晰化計(jì)算有很多方法，目前常用的較有效的方法有三種：即最大隸屬度平均法、中位數(shù)法和重心法。1 最大隸屬度平均法設(shè)模糊控制器的推理輸出是模糊量，其隸屬度最大元素就是精確化所得到的對應(yīng)準(zhǔn)確值，這種方

54、法稱為最大隸屬度法，并且有： (2.10)如果出現(xiàn)多個(gè)最大隸屬度元素，則取它們的平均值，這種判決方法在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中有良好的實(shí)用性，并且設(shè)計(jì)的信息量少，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)方法根本不考慮隸屬度小的其它元素，也不管模糊推理輸出結(jié)果的隸屬度函數(shù)的形狀和分布情況，這種方法的最大缺點(diǎn)是精度低，丟失了許多有效的信息。2 中位數(shù)法中位數(shù)法就是把隸屬度函數(shù)的橫坐標(biāo)所圍成的面積分成兩部分，在兩部分相等的條件下，兩部分分界點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值為反模糊化后的精確值。設(shè)模糊推理的輸出為模糊量，如果存在，并且使 (2.11)取為反模糊化所得的精確值。中位數(shù)法考慮了所有信息的作用，但是由于計(jì)算過程比較麻煩，在實(shí)際應(yīng)用中并不普遍。3

55、 重心法重心法把模糊量的重心元素化為反模糊化之后得到的精確值，求取公式為： (2.12)采用重心法來確定模糊量中能反映整個(gè)模糊信息的精確值，是目前控制文獻(xiàn)中應(yīng)用最多的模糊判決方法。2.3模糊控制的應(yīng)用模糊控制作為21世紀(jì)的一種新技術(shù),被廣泛的，用于各種行業(yè),主要有家，、機(jī)電、工業(yè)生產(chǎn)的過程控制、航空航天的各種控制器的設(shè)計(jì)等。其中在家電中的應(yīng)用主要有模糊電視機(jī)、模糊空調(diào)器、模糊洗衣機(jī)等；在機(jī)電行業(yè)中的應(yīng)用主要有集裝箱吊車的模糊控制、單片機(jī)溫度模糊控制、快速伺服系統(tǒng)定位的模糊控制、直流無刷電機(jī)調(diào)速的模糊控制等。下面就模糊控制在航空航天中各種控制器的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用加以詳細(xì)介紹。就模糊控制的改進(jìn)方法,模糊控制的應(yīng)用大致可分為以下幾種： (1) Fuzzy和PID復(fù)合控制。通常由簡單模糊控制器、PI和PID控制器組成。利用模糊控制器對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非線性的智能控制,利用PI，制器克服模糊控制器在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)可能產(chǎn)生的震蕩及穩(wěn)態(tài)誤差大的問題。Fuzzy