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畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 中英文資料 信 電 系 工業(yè)電氣自動化 專業(yè) 03 級 1 班 課題名稱： 基于單片機的模糊 度控制系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )起止時間： 2006 年 2 月 15 日 ～ 6 月 8 日 (共 17 周 ) 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 20 指導(dǎo)教師： 報告日期： 2006 年 6 月 8 日 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 1 常規(guī) 模糊 法的分析比較 摘要 ：模糊 制器實際上跟傳統(tǒng)的 制器有很大聯(lián)系。區(qū) 別在于傳統(tǒng)的控制器的控制前提必須是熟悉控制對象的模型結(jié)構(gòu)，而模糊控制器因為它的非線性特性，所以控制性能優(yōu)于傳統(tǒng) 制器。對于時變系統(tǒng)，如果能夠很好地采用模糊控制器進行調(diào)節(jié)，其控制結(jié)果的穩(wěn)定性和活力性都會有改善。但是，如果調(diào)節(jié)效果不好，執(zhí)行器會因為周期振蕩影響使用壽命，特別是調(diào)節(jié)器是閥門的場合，就必須考慮這個問題。為了解決這個問題，出現(xiàn)了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一個固定的初始域，這樣相當(dāng)程度上簡化了模糊控制的設(shè)定問題以及實現(xiàn)。文中分析了振蕩的原因并分析如何抑制這種振蕩的各種方法，最后，還 給出一種方案，通過減少隸屬函數(shù)的數(shù)量以及改善解模糊化的方法縮短控制信號計算時間，有效的改善了控制的實時性。 1 引言 模糊控制器的一個主要缺陷就是調(diào)整的參數(shù)太多。特別是參數(shù)設(shè)定的時候，因為沒有相關(guān)的書參考，所以它的給定非常困難。眾所周知，優(yōu)化方法的收斂性跟它的初始化設(shè)定有很大關(guān)聯(lián)，如果模糊控制器的初始域是固定的，那么它的控制就明顯的簡化了。而且我們要控制的參數(shù)大多有其實際的物理意義，所以模糊控制器完全可以利用 法的控制規(guī)律進行近似的調(diào)整。也就是說最簡單的模糊 法（ P+I+I+D），控制過程中它會根據(jù)控制要求，做出適當(dāng)?shù)倪x擇，保證在處理跟蹤以抗階躍干擾問題上，其控制性能接近于任何一種 制。假設(shè)模糊集的初始域是對稱的，兩個調(diào)節(jié)器的參數(shù)采用法。 為了改善上述設(shè)計的模糊控制器，我們有必要考模糊控制器的參數(shù)問題，有兩種方法可以采納，一種采用手動的方法改變，另一種就是采用一些相關(guān)的優(yōu)化算法。其中遺傳算法就是一種?？刂破鞑捎玫膮?shù)不同，其收斂的優(yōu)化值也會不一樣。這些參數(shù)包括模糊集的分布，模糊集的個數(shù)，映射規(guī)則，基本模糊控制器的參 數(shù)和不同的算法組合等。要注意的是在優(yōu)化前必須選定模糊推理及解模糊的方法。很明顯，優(yōu)化過程很耗時，更有甚者，有些優(yōu)化方法要已知系統(tǒng)的精確模型，但是實際過程中難以得到系統(tǒng)的精確模型，所以在大多數(shù)情況下，這些優(yōu)化算法不能直接應(yīng)用在實際過程。也就是說模型不精確直接影響優(yōu)化成敗。模糊控制的主要思想就是針對那些傳遞函數(shù)未知的或者結(jié)構(gòu)難以辨識的系統(tǒng)進行控制，這也是模糊控制的性能為什么優(yōu)于傳統(tǒng)方法的原因。同時，把模糊控制和傳統(tǒng)的 制算法結(jié)合起來，更能體現(xiàn)這種算法的優(yōu)點，因為它大大簡化實際過程的調(diào)整。 圖 1 隸屬函數(shù) 圖 圖 2 映射規(guī)則圖 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 2 參數(shù)集的啟發(fā)式優(yōu)化法也適用于模糊 制器，它采用固定的定義域，其參數(shù)的選取和傳統(tǒng)的 制器都一樣。我們采用的控制方法是結(jié)合模糊 法和 法并利用啟發(fā)式優(yōu)化法處理參數(shù)集，特別要注意這里的調(diào)節(jié)器出現(xiàn)了兩個比例環(huán)節(jié)，所以它的控制可能不同于傳統(tǒng)的 法。但是我們調(diào)整的參數(shù)它們本身具有實際的物理意義，值得一提的是前面所提到的控制可以通過改變采樣時間而不改變定義域的范圍實現(xiàn)調(diào)整。 2 模 糊 制器設(shè)計 控制信號由模糊控制器得到（參考文獻 [2]）： 模糊 制器的一種實現(xiàn)過程如圖 3 所示： 圖 3 模糊 制器結(jié)構(gòu)（區(qū)域單位化） 現(xiàn)在我們假設(shè)控制對象的傳遞函數(shù)如下描述，然后通過仿真圖比較模糊 制器和傳統(tǒng) 制器的控制性能： 采用 [6]中所用的調(diào)節(jié)方法，我們可得參數(shù) ，其響應(yīng)如圖 4 和圖 5 所示。干擾作用于系統(tǒng)的輸入，模糊控制器如圖 3 所示，映射規(guī)則如圖 2 所示，隸屬函數(shù)如圖 1 所示。 圖 4 傳統(tǒng) 制 圖 圖 5 模糊 制 圖 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 3 同理取相同的參數(shù)集合 ，但是采用不用的模糊推理和解模糊化方法進行優(yōu)化，我們把最大值設(shè)為 10，即 ，采用周期 ，則，輸出響應(yīng)如圖 5所示，下面的集合已經(jīng)在 [3]中測試過了，模糊推理方法采用 模糊部分采用 法，隸屬函數(shù)采用三角形分布或單值分布，把定義域單位化，然后從七個模糊集中任取三個，進行仿真，如果隸屬函數(shù)是單值分布，也一樣。 把傳統(tǒng)的 制算法和模糊 制算法的結(jié)果進行比較并討論。我們發(fā)現(xiàn)采用模糊控制的系統(tǒng)輸出超調(diào)量雖然很 小，但是抗干擾能力并不比傳統(tǒng)的 制器好。 圖 6 有 7 個隸屬函數(shù)的模糊控制 圖 7 有 3 個隸屬函數(shù)的模糊 制器采用最小 參考文獻 [6]，看圖 5，發(fā)現(xiàn)給系統(tǒng)的輸入端加上幅度為 階躍干擾，系統(tǒng)輸出響應(yīng)趨向振蕩地很厲害。假設(shè)這里所有響應(yīng)采用的集合都是一樣的，我們看圖 6，它的響應(yīng)曲線沒有明顯的振蕩。但是，我們還不能分析 [6]所提供導(dǎo)致振蕩的可能原因，因為這里沒有文 [6]提供的模糊控制的所需的實驗數(shù)據(jù)集。 我們發(fā)現(xiàn)，即使采用遺傳優(yōu)化算法 ，其控制結(jié)果也沒有遠遠勝過模糊 制的近似調(diào)整結(jié)果。但是我們可以通過減少隸屬函數(shù)的個數(shù)達到縮短計算控制量所需時間?？墒?，減少隸屬函數(shù)個數(shù)的同時，也會伴隨著動態(tài)性能的降低，但是這種品質(zhì)的降低完全可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)來彌補。從仿真結(jié)果來看，文獻 [6]中的結(jié)論沒有理論證明。 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 4 3．模糊 I 控制器的設(shè)計 讓我們先給出一個模糊控制器，它是由模糊 模糊 制器并聯(lián)在一起組合而成。 其中，圖 9 是傳統(tǒng)的 制器的輸出，它采用 法（ ? ）。 而模糊 制的設(shè)定參考文獻 [2] （ 4?? K ， ， ? ，10?? M ， ，模糊推理采用最小 模糊采用 法，有 7 個隸屬函數(shù)）。其中 隸屬函數(shù)的分布以及采用的模糊規(guī)則分別如圖 1、圖 2 所示。唯一的區(qū)別在于控制增量的 變化，如圖 11 所示，圖 10 是仿真結(jié)果，而圖 12 給出了采用不同的三個集合的系統(tǒng)輸出，實線表示采用前面文章所用的調(diào)整方法，但模糊推理方法采用 線表示采用 3 個隸屬函數(shù)，最小最大模糊推理、解模糊采用 屬函數(shù)為三角形分布）的仿真的結(jié)果，點劃線表示采用 3 個隸屬函數(shù)，最小最大模糊推理、解模糊采用 屬函數(shù)為單值分布）的仿真的結(jié)果。 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 5 圖 13 表示系統(tǒng)輸入加入 階躍干擾后對系統(tǒng)的輸出影響。 采用模糊控制的系統(tǒng)輸出或多或少都會有振蕩，其原因不僅僅受參數(shù)的調(diào)節(jié)的影響，還有所用的最小最大模糊推理的影響。但是如果采用 模糊推理，解模糊時采用單值法，這種振蕩可以大大的抑制。但是造成振蕩的另一個可能原因就是推理機構(gòu)的錯誤動作。 從圖 14 我們發(fā)現(xiàn)，如果兩個相鄰的隸屬函數(shù)的最值的距離只有 用的區(qū)域已經(jīng)單位化 ,如圖 15 所示），在沒有其他干預(yù)的情況下，就會出現(xiàn)等幅振蕩。眾所周知， 制會有初始誤差， 制會有振蕩。但是如果采用單值隸屬函數(shù)而不是三角形分布的隸屬函數(shù)，上述的振蕩現(xiàn)象就可以抑制。從圖 14 中可以看出，采用單值隸屬函數(shù)，在剛開始，系統(tǒng)輸出振蕩最厲害的 時候采用單值隸屬函數(shù)，等到等幅數(shù)振蕩輸出之后就不采用單值隸屬函數(shù)（虛線表示），之后采用三角形隸屬函數(shù)和 模糊方法。（兩種情況都沒有穩(wěn)定誤差）。所以我們可以下結(jié)論：即使采用相同的解模糊方法（ 如果隸屬函數(shù)不一樣，控制結(jié)果也會不同的。 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 6 F A ID to ID of on ID of be On is it of is is of be of to of it to to of by of by 1. ne of of is of to be It is to is no to do it is of is on of is a is to be be to ID is to it as a of P+I+D [4] I+D [5]). of is to of ID to of To of it is to of or to do be be to of of be to It is of a of is on of of in of it is to of on to of of to it at is no of of be to it to be to it of of is I as of I of I D be of it be of of in of ID is of is in 息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 7 it is to to of 2. I he by I 2]) of I is 3. us by to to of I I 6] we = 5.8 s. of 4. on of 3 2. as of = 5 to of = 10 = 0.1 s. 5. 3]. OG or as an of in in of 1). I I of it is 息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 8 is of I In 6] 5 in of to as in to As it be 6, no it to of in 6] to of of I It is to by of to of of 7). be by of As a of we in 6] 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 9 3. D+et us as a of I D 9. K = 2.8 s, 0.7 s). of is up 2] ( 4, 2, 10, T = 0.1 s, 7 I D 1 2 is in of is as 11. be 10. 12 as OG of of at of is 13. 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計（中英文資料） 10 is to of is of is of is of of of on 15) to 14) is D I of of 14 it be as an at OG in As a we is a if OG is