溫度控制系統(tǒng)智能控制器的設(shè)計與仿真

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：溫度控制系統(tǒng)智能控制器設(shè)計與仿真

目錄TOC\h\z\t"標(biāo)題1,1,標(biāo)題2,2,標(biāo)題3,3,1,1,2,1,3,1,4,1,5,1"摘要 3關(guān)鍵詞 3Abstract 4KeyWords 51緒論 61.1課題研究意義 61.2課題目標(biāo)及溫度控制數(shù)學(xué)模型 71.2.1課題目標(biāo) 71.2.2溫度控制數(shù)學(xué)模型 71.3研究方式 71.3.1PID控制 71.3.2含糊控制 82PID控制 92.1PID控制概述 92.2PID控制算法 102.3PID控制器參數(shù)整定 112.3.1Ziegler-Nichols整定公式 112.3.2Cohen-Coon整定公式 113含糊控制 133.1含糊控制概述 133.2含糊邏輯基礎(chǔ) 143.2.1含糊控制數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 143.2.2含糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 153.3含糊控制器設(shè)計 163.3.1含糊控制器設(shè)計要求 163.3.2含糊控制器設(shè)計流程 164溫度控制系統(tǒng)仿真研究 184.1仿真工具 184.2PID控制器仿真 184.3含糊控制系統(tǒng)仿真 195總結(jié) 23參考文件 24致謝 25

溫度控制系統(tǒng)智能控制器設(shè)計與仿真摘要在人類生活環(huán)境中，溫度飾演著極其主要角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見工藝參數(shù)之一,任何物理改變和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度親密相關(guān)，所以溫度控制是生產(chǎn)自動化主要任務(wù)。對于不一樣生產(chǎn)情況和工藝要求下溫度控制，所采取加熱方式，燃料，控制方案也有所不一樣。不論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。含糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在已出現(xiàn)一個高精度含糊控制器，能夠愈加好模擬人操作經(jīng)驗來改進(jìn)控制性能，從理論上講，能夠完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。含糊自動控制是以含糊集合論、含糊語言變量及含糊邏輯推理為基礎(chǔ)一個計算機(jī)數(shù)字控制，從線性控制與非線性控制角度分類，含糊控制是一個非線性控制。用含糊邏輯實現(xiàn)控制，只需要關(guān)心功效目標(biāo)而不是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究重點是控制器本身而不是被控對象。所以這種控制系統(tǒng)對被控對象參數(shù)改變不敏感，具備很強(qiáng)魯棒性，含糊控制因為有較快響應(yīng)，能夠克服非線性原因影響等優(yōu)點。本文工作主要是三個部分：介紹傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和含糊控制系統(tǒng)、提出溫度控制模型、進(jìn)行仿真和比較，最終得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：溫度控制；PID控制；含糊控制。

Thetemperaturecontrolsystemoftheintelligentcontrollerdesignandsimulation AbstractTemperatureplaysanextremelyimportantroleinthehumanlivingenvironment,Temperatureisoneofthecommonindustrialproductionprocessparameters,Anyphysicalchangesandchemicalreactionsarecloselyrelatedtotemperature,Temperaturecontrolisanimportanttaskforproductionautomation.Fortemperaturecontrolunderdifferentproductionconditionsandprocessrequirements,theuseofheatingmode,thefuelcontrolprogramalsovary.Nomatterwhereyoulive,whatkindofworkallthetimeandtemperatureofthenameofdealings.Fuzzytemperaturecontrolmethodhasbeenverywidelyusedinpracticalengineeringtechnology.Hasahigh-precisionfuzzycontroller,youcanbettersimulatethehumanexperiencetoimprovethecontrolperformance,Intheory,youcancompletelyeliminatethesteadystateerror.Fuzzyautomaticcontrolbasedonfuzzysettheory,fuzzylinguisticvariablesandfuzzylogicinferencebasedonacomputernumericalcontrol,Fromtheperspectiveoflinearcontrol,nonlinearcontrol,fuzzycontrolisanonlinearcontrol.Fuzzylogictoachievecontrol,Onlyneedtocareaboutthefunctionalgoalsratherthanthemathematicalmodelofthesystem,Thestudyfocusesonthecontrolleritselfratherthanthecontrolledobject.So,thiscontrolsystemisnotsensitivetotheparametersofthecontrolledobject,Hasastrongrobustness,Fuzzycontrolbecausethereisarapidresponse,Ispossibletoovercometheimpactofnonlinearfactors.Thisworkismainlyofthreeparts:TraditionalPIDcontrolsystemandfuzzycontrolsystem,Raisedthetemperaturecontrolmodel,Simulationandcomparison,andfinallyconcluded.KeyWords：Temperaturecontrol;PIDcontrol;fuzzycontrol.緒論1.1課題研究意義傳統(tǒng)溫度計采集信息，不但采集精度差，實時性差，而且操作人員勞動強(qiáng)度高，不利于推廣。另外因為環(huán)境原因造成數(shù)據(jù)難以采集問題，尤其是在工廠，火災(zāi)等現(xiàn)場，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察和采集溫度，就需要實現(xiàn)能夠?qū)?shù)據(jù)采集并將其傳送到一個地方集中進(jìn)行處理，以節(jié)約人力，提升效率，但這么就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸問題，因為廠房大，需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)方法輕易造成資源浪費而且可操作性差，精度不高，這都在不一樣程度上限制了工作進(jìn)行和展開。所以，高精度，低成本，實時性好溫度控制系統(tǒng)亟待人們?nèi)ラ_發(fā)。市場決定技術(shù)，技引導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)，在這么環(huán)境下，與溫度控制相關(guān)電子類產(chǎn)品開發(fā)成為當(dāng)今研究熱點。PID調(diào)整器模型中考慮了系統(tǒng)誤差，誤差改變及誤差積累三個原因，所以，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫法。其詳細(xì)電路能夠采取模擬電路或計算機(jī)軟件方法來實現(xiàn)PID調(diào)整功效。前者稱為模擬PID調(diào)整器，后者稱為數(shù)字PID調(diào)整器。其中數(shù)字PID節(jié)器參數(shù)能夠在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，所以具備較大靈活性，能夠得到很好控制效果。采取這種方法實現(xiàn)溫度控制器，其控制品質(zhì)好壞主要取決于三個PID參數(shù)（即百分比值、積分值、微分值）。只要PID參數(shù)選取正確，對于一個確定受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意。含糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在已出現(xiàn)一個高精度含糊控制器，能夠愈加好模擬人操作經(jīng)驗來改進(jìn)控制性能，從理論上講，能夠完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。含糊自動控制是以含糊集合論、含糊語言變量及含糊邏輯推理為基礎(chǔ)一個計算機(jī)數(shù)字控制，從線性控制與非線性控制角度分類，含糊控制是一個非線性控制。用含糊邏輯實現(xiàn)控制，只需要關(guān)心功效目標(biāo)而不是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究重點是控制器本身而不是被控對象。所以這種控制系統(tǒng)對被控對象參數(shù)改變不敏感，具備很強(qiáng)魯棒性，含糊控制因為有較快響應(yīng)，能夠克服非線性原因影響等優(yōu)點，在工業(yè)過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。含糊控制發(fā)展也為溫度控制提供了新控制伎倆。本課題著力于利用含糊控制這一新興控制伎倆處理傳統(tǒng)控制伎倆難以應(yīng)用溫度控制，并采取當(dāng)前國際最流行MATLAB軟件仿真分析系統(tǒng)性能。1.2課題目標(biāo)及溫度控制數(shù)學(xué)模型1.2.1課題目標(biāo)本論文以實際應(yīng)用為出發(fā)點，以溫度為控制對象，結(jié)合含糊控制與經(jīng)典PID控制理論，考慮控制器可實踐性，提出了多個控制器結(jié)構(gòu)，探索在結(jié)構(gòu)上消除穩(wěn)態(tài)誤差，提升控制精度方法。本文詳細(xì)內(nèi)容安排以下：第一部分介紹了傳統(tǒng)PID控制器和傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)對于溫度控制詳細(xì)操作方法。第二部分介紹了含糊控制器和含糊控制系統(tǒng)對于溫度控制詳細(xì)操作方法。第三部分總結(jié)仿真數(shù)據(jù)，分析仿真結(jié)果，提出性能指標(biāo)，比較各種控制器性能，得出結(jié)論。1.2.2溫度控制數(shù)學(xué)模型在熱交換過程中，經(jīng)常將被加熱物料輸出溫度作文被控制量，而把載熱介質(zhì)流量作為控制量，載熱介質(zhì)流量改變后，經(jīng)過一定時間才表現(xiàn)為輸出物料溫度改變。系統(tǒng)這種表現(xiàn)可用含有純滯后傳遞特征描述。故而選擇下面?zhèn)鬟f函數(shù)（1-2）作為研究函數(shù) （1-2）1.3研究方式1.3.1傳統(tǒng)PID控制1922年美國Minorsky在對船舶自動導(dǎo)航研究中，提出了基于輸出反饋百分比積分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）控制器設(shè)計方法，標(biāo)志了PID控制誕生。隨即，PID控制器就以其結(jié)構(gòu)簡單、對模型誤差具備魯棒性以及易于操作等特點，在大多數(shù)控制過程中能夠取得滿意控制性能，到了20世紀(jì)40年代就已在過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。PID調(diào)整器模型中考慮了系統(tǒng)誤差，誤差改變及誤差積累三個原因，所以，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫法。其詳細(xì)電路能夠采取模擬電路或計算機(jī)軟件方法來實現(xiàn)PID調(diào)整功效。前者稱為模擬PID調(diào)整器，后者稱為數(shù)字PID調(diào)整器。其中數(shù)字PID節(jié)器參數(shù)能夠在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，所以具備較大靈活性，能夠得到很好控制效果。采取這種方法實現(xiàn)溫度控制器，其控制品質(zhì)好壞主要取決于三個PID參數(shù)（即百分比值、積分值、微分值）。只要PID參數(shù)選取正確，對于一個確定受控系統(tǒng)，其控制精度是比較令人滿意。[1]1.3.2含糊控制含糊控制理論和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展30年來，雖歷史很短，但發(fā)展速度之快，結(jié)果之豐和世人之重視卻是少有。自從這門學(xué)科誕生以來，它產(chǎn)生了許多探索性甚至是突破性研究與應(yīng)用結(jié)果，同時，這一方法也逐步成為了人們思索問題主要方法論。為了使含糊控制理論繼續(xù)向工程化方向發(fā)展和推廣，仍必須處理許多理論問題。含糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析至今還沒完全處理，不過，實踐證實只要能準(zhǔn)確地模仿人類操作經(jīng)驗，便不會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。伴隨含糊集和含糊邏輯理論不停發(fā)展，含糊控制技術(shù)必將為工業(yè)過程控制中用常規(guī)方法難以處理或處理不好控制問題開辟嶄新路徑。尤其值得強(qiáng)調(diào)是，未來含糊系統(tǒng)與控制一個主要發(fā)展方向是自適應(yīng)含糊控制方法研究。含糊控制器因為不需要對象精準(zhǔn)模型，具備良好魯棒性以及具備非線性控制特征而得到廣泛應(yīng)用。不過，普通含糊控制器存在余差、穩(wěn)態(tài)控制精度低。伴隨被控對象工作性能要求不停提升，對控制精度要求越來越高，這一矛盾日益突出。所以高精度含糊控制是含糊控制研究當(dāng)中關(guān)鍵問題之一。[2]PID控制2.1PID控制概述當(dāng)今自動控制技術(shù)絕大部分是基于反饋。反饋理論包含三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心是變量，并與期望值相比較，以此偏差來糾正和調(diào)整控制系統(tǒng)響應(yīng)。反饋理論及其在自動控制中應(yīng)用關(guān)鍵是：做出正確測量與比很好，怎樣將偏差用于系統(tǒng)糾正與調(diào)整。PID控制器系統(tǒng)原理框架圖如圖2-1所表示。積分積分百分比微分d/dt被控對象e(t)r(t)u(t)y(t)_圖2-1經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)在圖2-1中，系統(tǒng)偏差信號為。在PID調(diào)整作用下，控制器對誤差信號分別進(jìn)行百分比、積分、微分運算，其結(jié)果加權(quán)和組成系統(tǒng)控制信號，送給被控對象加以控制。PID控制器數(shù)學(xué)描述為：（2-1）式中，為百分比系數(shù)，為積分常數(shù)，為微分時間常數(shù)。PID控制百分比-積分-微分分別作用：百分比控制作用?對當(dāng)前時刻偏差信號進(jìn)行放大或衰減后作為控制信號輸出。?百分比系數(shù)越大，控制作用越強(qiáng)，系統(tǒng)動態(tài)特征也越好，動態(tài)性能主要表現(xiàn)為起動快，對階躍設(shè)定跟隨得快。?但對于有慣性系統(tǒng)，過大時會出現(xiàn)較大超調(diào)，甚至引發(fā)系統(tǒng)振蕩，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。?百分比控制即使能減小偏差，卻不能消除靜態(tài)偏差。積分控制作用?積分控制作用是累積系統(tǒng)從零時刻（系統(tǒng)開啟時刻）起到當(dāng)前偏差信號歷史過程。?積分控制輸出與偏差存在全部時段關(guān)于，只要有足夠時間，積分控制將能夠消除靜態(tài)偏差。?積分控制不能及時地克服擾動影響微分控制作用?微分控制作用是由偏差信號當(dāng)前改變率預(yù)見隨即偏差將是增大還是減小、增減幅度怎樣。?微分控制作用正比于偏差信號當(dāng)前改變率，微分控制作用特點是只能對偏差改變速度起反應(yīng)，對于一個固定不變偏差，不論其數(shù)值多大，根本不會有微分作用輸出。?因為只能在偏差剛才出現(xiàn)時產(chǎn)生很大控制作用，微分控制能夠加緊系統(tǒng)響應(yīng)速度，降低調(diào)整時間，從而改進(jìn)系統(tǒng)快速性，而且有利于減小超調(diào)，克服振蕩，從而提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，但不能消除靜態(tài)偏差。2.2PID控制算法慣用PID控制算法：P、PI、PD、PID控制算法。1）百分比控制規(guī)律（P）采取P控制規(guī)律能較快克服擾動影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但有余差。它適適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷改變不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差場所。2）百分比積分控制規(guī)律（PI）在工程上百分比積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛一個控制規(guī)律。積分能消除余差，它適適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷改變不大、被控參數(shù)不允許有余差場所。3）百分比微分控制規(guī)律（PD）微分具備超前作用，對于具備容量滯后控制通道，引入微分控制規(guī)律（微分時間設(shè)置得當(dāng)）對于改進(jìn)系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)，有顯著效果。所以，對于控制通道時間常數(shù)或容量之后場所較大場所，為了提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選取百分比微分控制規(guī)律，如溫度或成份控制。4）百分比積分微分控制規(guī)律（PID）PID控制規(guī)律是一個較理想控制規(guī)律，它在百分比基礎(chǔ)上引入積分，能夠消除余差，再加入微分作用，又能提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。它適適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高場所。如溫度控制、成份控制等。2.3PID控制器參數(shù)整定2.3.1Ziegler-Nichols整定公式傳統(tǒng)PID控制經(jīng)驗公式是Ziegler與Nichols在20世紀(jì)40年代初提出。這個經(jīng)驗公式是基于帶有延遲一階傳遞函數(shù)模型提出。該對象模型能夠表示為：（2-3）在實際過程控制系統(tǒng)中，有大量對象模型能夠近似由這么一階模型來表示，假如不能物理建立起系統(tǒng)模型，我們還能夠由試驗提取對應(yīng)模型參數(shù)。假如試驗數(shù)據(jù)是經(jīng)過階躍響應(yīng)取得，我們能夠由表2-3-1給出經(jīng)驗公式來設(shè)計PID控制器。表2-3-1Ziegler-Nichols整定公式控制器類型由階躍響應(yīng)整定由頻域響應(yīng)整定KTLKTLPT/kL0.5KPI0.9T/kL3L0.4K0.8TPID1.2T/kL2LL/20.6K0.5T0.12T2.3.2Cohen-Coon整定公式傳統(tǒng)Ziegler-Nichols整定公式經(jīng)過改進(jìn)，出現(xiàn)了各種設(shè)計PID控制器不一樣算法，其中Cohen-Coon是一個類似于Ziegler-Nichols整定算法。若我們從階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)提取特征參數(shù)，則不一樣控制器能夠直接由表2-3-2中方法設(shè)計。表2-3-2Cohen-Coon整定參數(shù)控制器KpTiTdP[1+1.35τ/(1-τ)]/aPI0.9[1+0.92τ/(1-τ)]/a(3.3-3τ)L/(1+1.2τ)PD1.24[1+0.13τ/(1-τ)]/a(0.27-0.36τ)L/(1-0.87τ)PID1.35[1+0.18τ/(1-τ)]/a(2.5-2τ)L/(1-0.39τ)(0.37-0.37τ)L/(1-0.18τ)[3]含糊控制3.1含糊控制概述含糊控制理論是有美國加利福利亞大學(xué)自動控制理論教授L.Azadeh教授最先提出。1965年，他在《Information﹠Control》雜志上發(fā)表了《Fuzzyset》（含糊文）一文，首次提出了含糊集合概念，并很快被人們接收。1974年，英國Mamdani首先把含糊理論用于工業(yè)控制，取得了良好效果。從此，含糊邏輯控制理論和含糊邏輯控制系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展很快，展示了含糊理論在控制領(lǐng)域中良好發(fā)展前景。含糊控制已成為智能控制主要組成部分。含糊控制理論和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展30年來，雖歷史很短，但發(fā)展速度之快，結(jié)果之豐和世人之重視卻是少有。自從這門學(xué)科誕生以來，它產(chǎn)生了許多探索性甚至是突破性研究與應(yīng)用結(jié)果，同時，這一方法也逐步成為了人們思索問題主要方法論。為了使含糊控制理論繼續(xù)向工程化方向發(fā)展和推廣，仍必須處理許多理論問題。含糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析至今還沒完全處理，不過，實踐證實只要能準(zhǔn)確地模仿人類操作經(jīng)驗，便不會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。伴隨含糊集和含糊邏輯理論不停發(fā)展，含糊控制技術(shù)必將為工業(yè)過程控制中用常規(guī)方法難以處理或處理不好控制問題開辟嶄新路徑。尤其值得強(qiáng)調(diào)是，未來含糊系統(tǒng)與控制一個主要發(fā)展方向是自適應(yīng)含糊控制方法研究。含糊控制技術(shù)之所以具備如此強(qiáng)大生命力，是因為它具備其余控制方法不可代替優(yōu)點。其一設(shè)計時不需要建立被控制對象數(shù)學(xué)模型，只要求掌握人類控制經(jīng)驗。其二是系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)，尤其適適用于非線性時變、滯后系統(tǒng)控制。其三是基于模型控制算法及系統(tǒng)設(shè)計方法，因為出發(fā)點和性能指標(biāo)不一樣，輕易造成較大差異；但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具備相正確獨立性，利用這些控制規(guī)律間含糊連接，輕易找到折中選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。最終是由工業(yè)過程定性認(rèn)識出發(fā)，比較輕易建立語言控制規(guī)則，因而含糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特征不易掌握或改變非常顯著對象非常適用。不過含糊控制也有其本身缺點：其一是確立含糊化和逆含糊化方法時，缺乏系統(tǒng)方法，主要靠經(jīng)驗和試湊。其二是總結(jié)含糊控制規(guī)則有時比較困難。其三是控制規(guī)則一旦確定，不能在線調(diào)整，不能很好地適應(yīng)情況改變。最終是含糊控制器因為不具備積分步驟，因而穩(wěn)態(tài)精度不高。3.2含糊邏輯基礎(chǔ)3.2.1含糊控制數(shù)學(xué)基礎(chǔ)含糊控制是建立在含糊集合和含糊邏輯基礎(chǔ)上。含糊控制所用數(shù)學(xué)基本概念、運算法則以下：設(shè)U為一些對象集合，稱為論域，能夠是連續(xù)或離散；u表示U元素，記作U=｛u｝。含糊結(jié)合（FuzzySets）論域U到[0，1]區(qū)間任意映射，即：U→[0,1],都確定U一個含糊子集F，稱為F隸屬函數(shù)或隸屬度。也就是說，表示u屬于含糊子集F程度或等級。在論域U中，可把含糊子集表示為元素u與其隸屬函數(shù)序偶集合，記為：(3-1)若U為連續(xù)，則含糊集F可記作：(3-2)若U為離散，則含糊集F可記作：(3-3)含糊集運算設(shè)A和B為論域中兩個含糊集，其隸屬函數(shù)分別為和，則對于全部，存在以下運算：A與B并記為A∪B，其隸屬函數(shù)為：(3-4)A與B交（邏輯與）記為A∩B，其隸屬函數(shù)為：(3-5)A補(bǔ)（邏輯非）記為，其傳遞函數(shù)定義為：含糊邏輯推理含糊邏輯推理是建立在含糊邏輯基礎(chǔ)上，它是一個不確定性推理方法，是在二值邏輯三段理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來。這種推理方法以含糊判斷為前提，利用含糊語言規(guī)則，推導(dǎo)出一個近似含糊判斷結(jié)論。在含糊邏輯和近似推理中，有兩種主要含糊推理規(guī)則，即廣義取式（必定前提）假言推理法（GMP）和廣義拒式（否定結(jié)論）假言推理法(GMT)，分別簡稱為廣義前向推理法和廣義后向推理法。GMP推理規(guī)則可表示為：前提1：x為A’;前提2：若x為A，則y為B；結(jié)論：y為B’。GMT推理規(guī)則可表示為：前提1：y為B；前提2：若x為A，則y為B；結(jié)論：x為A’。3.2.2含糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)含糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所表示。其中，含糊控制器由含糊化接口、知識庫、推理機(jī)和含糊判決接口四個基本單元組成。它們左右說明以下。傳感器傳感器輸出含糊化接口推理機(jī)含糊判決接口過程數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫含糊控制器圖3-1含糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)含糊化接口：測量輸入變量（設(shè)定輸入）和受控系統(tǒng)輸出變量，并把它們映射到一個適宜響應(yīng)論域量程，然后精準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)變換為適當(dāng)語言值或含糊集合標(biāo)識符，本單元可視為含糊集合標(biāo)識。知識庫：包括應(yīng)用領(lǐng)域和控制目標(biāo)相關(guān)知識，它由數(shù)據(jù)庫和語言（含糊）控制規(guī)則庫組成，數(shù)據(jù)庫為語言控制規(guī)則論域離散化和隸屬函數(shù)提供必要定義，語言控制規(guī)則標(biāo)識控制目標(biāo)和領(lǐng)域教授控制策略。推理機(jī)：是含糊控制系統(tǒng)關(guān)鍵，以含糊概念為基礎(chǔ)，含糊控制信息可經(jīng)過含糊蘊涵和含糊邏輯推理規(guī)則來獲取，并可實現(xiàn)擬人決議過程，依照含糊輸入和含糊控制規(guī)則，含糊推理求解含糊關(guān)系方程，取得含糊輸出。含糊判決接口：起到含糊控制推斷作用，并產(chǎn)生一個精準(zhǔn)或非控制作用，次精準(zhǔn)控制作用必須經(jīng)行逆定標(biāo)（輸出定標(biāo)），這一作用是在對受控過程進(jìn)行控制之前經(jīng)過量程變換來實現(xiàn)。3.3含糊控制器設(shè)計3.3.1含糊控制器設(shè)計要求從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)來看，含糊控制系統(tǒng)與其余常規(guī)數(shù)字控制系統(tǒng)一樣，是用控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象、敏感元件和輸入輸出接口等步驟組成。在綜合設(shè)計階段，依照對系統(tǒng)控制品質(zhì)要求，自動操作約束條件和被控對象數(shù)學(xué)模型，設(shè)計出相匹配控制器，即定義控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，然后編制實現(xiàn)算法和仿真試驗驗證。因為對象復(fù)雜非線性，難以建立其精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，所以關(guān)于對象知識主要起源是領(lǐng)域教授或操作人員知識和經(jīng)驗。但這些經(jīng)驗并不都是以某種現(xiàn)成形式存在于這些知識源中而可供挑選。為了從中得到有用知識，需要做大量工作，即要把蘊涵于知識源知識經(jīng)過了解、選擇、歸納等過程抽取出來，用于形成經(jīng)驗型知識模型或知識庫，稱知識獲取，從而確定含糊控制器輸入變量和輸出變量以及它們數(shù)值改變范圍。在綜合設(shè)計時要調(diào)整參數(shù)有：1）控制器結(jié)構(gòu)2）隸屬函數(shù)形狀、位置3）規(guī)則和置信度4）含糊推理運算子5）清楚化方法3.3.2含糊控制器設(shè)計流程圖3-2給出了含糊控制器設(shè)計流程圖。設(shè)計要求設(shè)計要求系統(tǒng)分析輸入輸出物理量整定控制器結(jié)構(gòu)確實定隸屬函數(shù)確實定規(guī)則庫建立運算子確實定含糊推理方法選擇清楚化方法模擬試驗是否達(dá)成要求控制要求約束條件NY圖3-2含糊控制器設(shè)計流程[4]溫度控制系統(tǒng)仿真研究4.1仿真工具M(jìn)ATLAB介紹在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，為了克服通常語言對大量數(shù)學(xué)運算，尤其當(dāng)包括矩陣運算時，編程難、調(diào)試麻煩等困難，美國MathWorks企業(yè)于1967年構(gòu)思并開發(fā)了“MatrixLaboratory（縮寫MATLAB，即矩陣試驗包）”軟件包；經(jīng)過不停更新和擴(kuò)充，該企業(yè)于1984年推出了MATLAB正式版，尤其是1992年推出了具備劃時代意義MATLAB4.0版，并于1993年推出了其微機(jī)版，以配合當(dāng)初日益流行MicrosoftWindows一起使用。到為止先后推出了MATLAB4.x、MATLAB5.x、MATLAB6.x和MATLAB7.x版，使之應(yīng)用范圍越來越廣。[5]SIMULINK仿真工具介紹SIMULINK是MATLAB里仿真工具，具備相對獨立功效和使用方法，主要是用來實現(xiàn)對動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析。它支持包含線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且能夠支持具備多個采樣速率采樣系統(tǒng)。SIMULINK具備以下特點：1）基于矩陣數(shù)值計算；2）高級編程語言；3）圖形與可視化；4）工具箱提供面向詳細(xì)應(yīng)用領(lǐng)域功效；5）豐富數(shù)據(jù)I/O工具；6）提供與其余高級語言接口；7）支持多平臺；8）開放可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)。4.2PID控制器仿真在MATLAB命令窗口中運行命令simulink,打開simulink模塊。運行File-new-model,再執(zhí)行View菜單下LibraryBrowser打開模塊庫，在模型庫中選擇模塊，連接后就建立了一個PID仿真模型，如圖4-1所表示。由式1-2給出系統(tǒng)傳函結(jié)合表2-3-1Ziegler-Nichols整定公式可得出：k=1、T=0.4、L=0.76，Kp=0.63，微分時間τ=0.38，積分時間1/Ti=1.52。圖4-1傳統(tǒng)PID控制器仿真模型整定好各參數(shù)后就能夠進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4-2所表示圖4-2傳統(tǒng)PID仿真結(jié)果由圖形可得：系統(tǒng)延遲時間為1.9S,最大超調(diào)量σp=0.13%，延滯時間=2.4-1.9=0.5S，峰值時間=3.4-1.9=1.5S,調(diào)整時間=8.9-1.9=7S。無穩(wěn)態(tài)誤差。4.3含糊控制系統(tǒng)仿真因為要做PID含糊控制仿真，所以我們要先建立一個兩輸入、三輸出含糊控制器。圖4-3即為建立含糊控制器：圖4-3含糊控制器輸入e論域及含糊規(guī)則如圖4-4：圖4-4輸入e據(jù)圖參數(shù)然后依次輸入ec、kp、ki、kd參數(shù)，其余參數(shù)一樣，就是論域有不一樣，ec和kd論域為[-33]，kp論域為[-0.30.3]，ki論域為[-0.060.06]。然后建立含糊規(guī)則，含糊規(guī)則如圖4-5：圖4-5部分含糊規(guī)則如圖4-6所表示為PID含糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。PID含糊控制器選取輸入?yún)?shù)為偏差及偏差改變率，這兩個參數(shù)經(jīng)邏輯控制器推理出控制作用，經(jīng)輸出系數(shù)放大后作用與被控對象。圖4-6經(jīng)典含糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖FuzzyLogicController是含糊控制器，需雙擊輸入含糊控制器參數(shù)，本例設(shè)置為FD，其設(shè)置界面如圖4-7所表示。圖4-7含糊控制器模塊設(shè)置在MATLAB命令窗口輸入FD=readfis(‘fd.fis’)，“FD”為仿真模型中含糊控制器設(shè)置參數(shù)，“fd.fis”正是我們之前所建立含糊控制器。運行之后，仿真模型便與之前編輯含糊控制器聯(lián)絡(luò)起來。圖4-8就是PID含糊控制器仿真效果圖。 圖4-8PID含糊控制系統(tǒng)輸出曲線系統(tǒng)延遲時間為1.0S,最大超調(diào)量σp=0.0