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升降舞台模糊控制系统的设计摘要随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制准确度、响应速度、系统稳定性和适应能力的要求越来越高，所研究的系统也越来越复杂。本文以新建剧场所需为背景，用模糊控制技术及计算机控制技术，完成了一个具有升降舞台的模糊控制系统的软件设计。在硬件方面，升降舞台由9个升降块组成，控制系统软件可以使9个升降块在舞台台面以下一定范围内和台面以上一定范围内停在任意位置。并且要求系统启动和停止时不仅能够保持平稳、控制高度、显示状态，而且具有较小的停车误差和自我保护的报警功能。在应用方面，通过数据库，可以直接调用所存储的节目设定。软件的设计，是在Windows XP操作系统下，用C + Builder开发软件开发整个系统的控制软件。之所以选用C + Builder设计软件，是因为其软件的特点是使用面向对象的编程方法，简化设计，可以大大提高设计的可操作性，而且完成了对舞台系统的精确控制。本文应用模糊控制技术以及计算机控制技术，在很低造价的前提下，完成了复杂的舞台升降设备的控制，避免了进口昂贵的舞台控制系统，为舞台控制系统的设计提供了新的思路。 关键词 舞台；模糊控制；C + BuilderThe Design of The Fuzzy Control System of The Stage AbstractWith the fast development of the science and technology, each realm controls the accurate degree and responds to the speed, the system stability and adapts the request of ability to the automatic control system more and more higher, the system study is also more and more complicated. In this paper, it is designed a software of a fuzzy control system for the stage to rise and fall, using fuzzy control and computer technology for those theaters which are built nowadays. From the operating aspect of this system, the stage consists of 9 blocks to rise and fall. It is desired that the software can make the 9 blocks not only move and stop freely within demanded area, but also can control the height and show the state. The error doesnt exceed too much and also have the warning for protecting the system. From the applying aspect, the control software can directly use the program settings stored in the database of the control system.The control software of the whole system is developed by C + Builder under Windows XP operating system. The reason of using the programming software C + Builder is because of the characteristic of object-oriented programming method. It can not only simple the design, improve the operating, but also be controlled exactly. With fuzzy control system and computer control technology, the system can fulfill the control task and avoid expansive cost on importing equipments. It is important that this method offers a new idea for designing the control system of the stage. Keywords Stage ; Fuzzy Control System ；C + Builder不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 舞台控制系统的发展11.2.1 世界舞台控制系统的发展11.2.2 我国舞台控制系统的发展21.2.3 舞台控制系统的现状21.3 本文主要研究内容4第2章 舞台系统的硬件设计52.1 舞台构成简介52.1.1 舞台构成的平面图52.1.2 系统方案的确定52.2 硬件原理图62.2.1 升降块电器原理图62.2.2 现场检测元件示意图82.2.3 系统供电原理图82.3 系统信号类型92.4 本章小结10第3章 模糊控制策略研究113.1 模糊控制简介113.1.1 模糊控制发展简介113.1.2 模糊控制应用123.2 舞台升降模糊控制概述133.2.1 模糊控制的基本原理133.2.2 模糊控制器的设计143.3 本章小结17第4章 软件的实现184.1 C + Builder发展简介184.2 面设计及其制作184.2.1 界面设计184.2.2 制作步骤204.3 数据库的设计及其制作274.3.1 数据库简介274.3.2 数据库的设计及其制作284.3.3 管理程序的制作314.4 程序总体结构334.4.1 自动运行334.4.2 手动运行354.4.3 位置设定374.4.4 零位调整394.5 本章小结39结论40致谢41参考文献42附录43第1章 绪论1.1 课题背景本课题目地是建立一套自动控制的升降舞台系统用来满足各种文艺演出的需要，准确、合理的控制舞台按照预定的方式运动是设计的基本要求。鉴于国外舞台控制系统造价昂贵，本系统的设计原则是：能够完成演出的要求，保证机械设备运行安全、快速、准确，操作简单灵活、维护方便。1.2 舞台控制系统的发展1.2.1 世界舞台控制系统的发展舞台机械可以理解为用于舞台演出、服务于表演艺术和舞台美术的专用机械设备。简单、原始的机械装置出现在剧场，最早可以追溯到17世纪的欧洲。从古老的舞台机械装置到21世纪现代化大型复杂的机械化舞台系统，舞台机械的发展经历了近四个世纪。舞台机械的功能和作用随着舞台机械技术水平的发展得到了极大的丰富和发展。从最初简单的景片移动和布景的迁换，到实现复杂的变换和运动，舞台机械成为舞台艺术不可或缺的表演手段，与舞台灯光、音响等共同创造了令人惊叹不已的舞台艺术效果。现代舞美对艺术的不断追求与创新，对舞台机械系统提出了更高的要求，舞台机械系统作为现代舞美艺术的载体也在不断创新，而舞台机械的发展与创新始终得益于科学技术的发展。在舞台机械发展过程中，传动技术的发展对舞台机械产生了极大影响。在18世纪，舞台机械传动装置简单笨重而且粗糙，噪音很大。采用水压传动方式，通过水泵从水箱中抽水注入活塞产生的压力顶升舞台台板，实现升降运动，但整个水泵系统非常庞大。随着制造、控制和高压密封技术的发展，液压系统工作压力得到很大提高。由于传动介质液压油在高压下能量密度很大，做直线运动部件的油缸和做旋转运动的油马达体积可以很小，这样就缩小了舞台机械装置的体积，特别适合上部空间非常有限但又要布置数十台甚至上百台设备的舞台，加上液压系统动力源-泵站可以和运动部件分开设置在能够隔离噪音的地方，从而使舞台机械的传动装置噪音很小。另外，高压液压油刚度很大，液压比例控制和伺服控制技术也比较成熟可靠，可以获得较高的定位控制精度。在20世纪，液压传动方式在机械化舞台上得到了应用，但其昂贵的造价和较高的维护要求使得普遍推广应用受到了限制。20世纪后期，机械传动装置的精密化、低噪音性能的提高和变频调速技术的发展，专用直线运动装置的研究开发，使得机械传动方式在机械化舞台中的应用中又占据了主导地位1。1.2.2 我国舞台控制系统的发展近年来全国各地特别是经济发达地区，掀起了文化设施建设的热潮。大量新建改建的剧场急需用高技术设备来装备，成为文化设施建设中的主角。应该说，国家大剧院的建设促进和带动了剧场建设的发展，也大大推动了我国舞台机械及装备事业的前进步伐。国家大剧院舞台机械工程的技术文件已成为剧场建设中舞台机械设计的一个良好的例证，并为规范舞台机械行业的技术和商业活动起到较大作用。舞台设备发展到今天，与致力于这方面研究的众多科技工作者的辛勤努力分不开的，我们有必要先回顾一下我国舞台机械设备的发展进程：解放前我国舞台机械的发展非常缓慢，设备极其简陋；随着新中国的建立，在物质生活水平提高的同时，人们迫切需要提高精神文化水平。党和政府非常重视人民群众文化事业的发展，早在五十年代初就兴建了一批有代表性的典型剧场，配备了相当数量的舞台机械设备，如手动吊杆、假台口、电动垂直吊杆等。虽然控制手段还比较落后，但毕竟有了自己的舞台设备；到了六七十年代，我国建成了一大批相对规模较大的剧场，最典型的是北京的人民大会堂，另外还有广州的友谊剧院、长沙青年宫、杭州剧院等。这些剧院都设置了较先进的平衡手动吊杆和假台口，甚至还有升降乐池，但在舞台机械方面还没有什么突破。不可否认，在舞台机械方面的发展，我国与发达国家还有相当大的差距；进入八十年代以后，由于我国经济条件好转，先后根据各自不同的演出功能要求，设计了各种不同类型的舞台机械，用于戏剧表演的中央戏剧学院排演场，用于歌舞表演的中国剧院，用于话剧演出的中国少儿艺术剧院等。这些舞台机械适应了不同的演出要求，丰富了人们的业余文化生活；进入九十年代初，我国在舞台机械方面又有了长足的进步，先后建成了深圳大剧院等一系列大型的较先进的现代化影剧院。这些剧院的舞台机械已经较为齐全，如台上舞台机械有匀速吊杆、电动伸缩大幕、活动假台口，还有灯光渡桥、灯光调笼、天幕灯架等；台下舞台机械有升降乐池、乐池升降栏杆、舞台升降台、车台，特别是后舞台还有移动式转台，该设备具有可以电动行走到主台并可以旋转的功能，技术含量较高，应用较方便。国内的舞台机械化程度与世界先进水平之间的差距已逐渐缩小。近年来，由于科技的不断发展，特别是进入二十一世纪，计算机的迅猛发展，众多科技人员将计算机用于舞台机械的控制，逐渐形成了现代化的计算机舞台控制系统2。1.2.3 舞台控制系统的现状随着科学技术的进步，一些高新技术和设备在舞台机械和控制系统中得到了广泛的应用。机械化舞台则是由若干套舞台机械组合起来的，采用计算机控制系统进行集中控制，可以按设计程序实现多种复杂机械运动的机电一体化系统。从技术来分，主要包含机械和控制系统两个方面。20世纪以来，以计算机技术、信息技术为代表的高科技成果不断涌现，促进和带动了机械化舞台的发展。现代制造业发展使舞台机械设备性能不断提高，舞台机械作为一种专用设备，看起来和起重、升降、输送设备相似，但由于其参与表演载送演员和道具的特殊性，其安全性、可靠性、运动的平稳性、准确性、低噪音等特性都对其设计及其制造提出了很高的要求，不同于普通的起重、升降和输送设备。现代化的设计手段、精确数值计算、三维设计、计算机模拟仿真技术的应用，不但提高了工作效率，又使舞台机械的设计更加合理、安全。目前，主要有以下几种常用方法：1 采用STD工业控制机控制的舞台机械控制系统由于模板式结构使用方便，设计和制造成本较低，一跃成为十多年来发展最快的总线之一。它不仅极大地解决了结构简单的单处理机系统的性能价格比，而且解决了结构简单的多处理机系统的性能价格比问题。根据舞台机械设备的特性和STD总线控制机的特点，可以将具有高性能高抗干扰能力的STD工业控制机作为舞台机械设备控制系统的机型。2采用 PLC 控制的舞台机械控制系统近年来，由于可编程控制器PLC 具有操作简单、运行可靠、性能稳定、功能齐全等特点，除了具有基本的开关量输入、输出模块外，还有多点 I/O、A/D、D/A 、高速计数器、模拟定时器、温度传感器等模块。其内部一般还设有计数器、定时器、保持继电器、数据存储器，能够提供上千条指令完成数值计算功能和数据处理，具有响应速度快、实时性强、模块化结构组件灵活、可靠性高的优点，并具有多种与计算机通讯的联网模式。3 采用模糊控制的舞台机械控制系统在工业控制中，控制对象经常是时变的、非线性的。由于纯滞后参数存在未知或存在漂移，其数学模型很难建立，因此采用传统的控制方法对这类被控对象进行分析和综合是比较困难的。模糊控制作为一种语言控制器，近似地反映了最佳控制者人的行为，无需预先获知被控对象的精确数学模型，就可以获得满意的控制效果。模糊控制在实际中的应用越来越广，已经有将模糊控制应用于控制舞台的工程。4 采用控制组态软件FIX的舞台机械控制系统在计算机及相关技术飞速发展的今天，计算机控制在工业中的应用日渐广泛，舞台机械领域也不例外。随着用户对舞台设备使用功能以及安全性等方面的要求提高，在舞台机械控制中相应地采用了一些先进的控制技术，计算机软硬件、图形显示技术、局域网络技术以及通信技术等。由于其涉及面较广，全部硬、软件不可能出自一家公司，再加上每个用户的要求也不一样。面对这种情况，目前国际上逐渐流行的方式是硬件部分采用通用硬件，软件部分则采用开放的组态软件。这样做的优点在于通用硬件开放性好、通用性强、产品的成本和价格可以控制得较低，又便于维护和扩充。组态软件则是一种控制系统开发工具：用户只要根据应用对象和控制任务的要求，利用组态软件提供的工具，通过简单形象的组态工作，就可以得到所需要的软件功能，组态软件正在代替各种计算机语言的软件开发3。 1.3 本文主要研究内容本文主要有如下几个方面的工作需要完成：1 完成舞台系统硬件部分的设计。绘出电路图及原理图，选好所需用的电器元件。2 设计模糊控制器，制定模糊控制查询表，从而简化在线计算。3 选择合适的计算机类型作为控制的核心，采用简单合理的系统结构实现对舞台机械设备的控制。4 试验并选取合理的控制算法，使系统能够达到所要求的控制精度，并且保证舞台系统平稳、可靠的运行。5 采取措施保证舞台的安全运行，当威胁到安全的故障出现时能够在短时间内得到处理。6 增加手动运行的操作模式。7 在Windows XP环境下编制控制程序，力求操作简单方便。第2章 舞台系统的硬件设计2.1 舞台构成简介2.1.1 舞台构成的平面图首先简单的介绍一下升降舞台的机械构成，其机械设备都位于一定深度的底坑里。整个舞台的假设平面图如图2-1所示。A1A2A3B1B2B3C1C2C3图2-1升降块平面图升降舞台位于舞台的底坑内由9个升降块构成 其序号依次是从一到九如图2-1 所示。这9个升降块分为3排3列。每一个升降块具有相同的机械结构和部件，主要的部件有丝杠， 减速器，伞形齿，支架，矩形平台，配重，电机等等。2.1.2 系统方案的确定2.1.2.1 对控制系统的要求1. 根据论文任务书要求，本设计的控制系统要实现对升降舞台的自动控制要求有如下几条：2. 在舞台台面以下一定高度和舞台台面以上一定高度的范围内的任意位置可以自由定位。3. 可以设置各个升降块的高度组合。九个升降块可以同时升降。4. 整个升降舞台与舞台台面平齐时，每一个升降块距离舞台台面的高度误差不能太高。5. 升降舞台的上极限位置和下极限位置应该有电气和机械保护装置。6. 对于升降舞台运行中的各种错误和报警自动处理并有指示。7. 当前各个升降块的高度应有明确的显示。可以对每一个升降块做软手动的升降操作。附加手动操作模式，保证当自动系统出现问题时能够保证正常演出。8. 系统操作简单，不需要做大量的培训工作，维护方便。2.1.2.2 系统结构的确定升降舞台的运动是通过控制电机的转速调整升降块的位置，因此在控制上既有强电部分，也有弱电部分，设计系统结构时把这两个部分分开。因此，升降舞台控制系统的结构分为三个部分，这三个部分通过电缆线和信号线连接。这三部分为：1升降舞台机械设备上的电气元件这些元件主要用来采集升降块的高度信息以及升降块的极限和各种位置信息，这些设备安装在升降块的机械设备的适当地方，而且每一个升降块所需要的电气元件完全相同。2电气控制柜电气控制柜放在舞台的底坑，负责系统的强电控制，控制柜里面安装有继电器、接触器、断路器等元器件。由电气柜控制电机的启动、停止、减速、加速、正转、反转。3操作台操作台位于舞台台面两侧走廊的角落，操作人员在这里同过按钮，键盘鼠标来发出控制指令。通过控制程序使升降舞台安装朝着预定的高度运行。操作台由命令按钮，指示灯，微机，接口板以及相关外设组成，是系统的弱电部分。操作台部分是系统控制的核心部分，所有的逻辑判断，控制指令，转台指示，报警处理都是由操作台中的计算机程序实现的。该部分需要供给几种低压电源和不间断电源（UPS），为了提高抗干扰能力和具体要求，采用不同的电源对微机和各种板卡单独供电。另外，本设计中采用PC总线工控机作为核心，需要通过微机设计相应的软件。2.2 硬件原理图2.2.1 升降块电器原理图由于升降舞台控制系统涉及到的测量点和使用的元器件较多，为了叙述简单明了这里先给出总体的电器原理图，然后根据各个部分功能的不同逐一介绍。本节先对整体的控制原理图进行设计。对于升降舞台的 9个升降块的控制电路是完全相同的，因此只给出一个升降块的电路图即可，如图2-3所示。在本设计中变频器是控制系统的电机调速装置。首先介绍一下变频器的工作原理。我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p (1)式中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p电动机极对数。图2-2升降块电器原理图由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。本文采用的是日本富士变频器，表2-1简单说明设计中用到的端子。 表 2-1 变频器端口说明端子标记 端子功能 说明R，S，T主电路电源的输入连接3相电源U , V, W变频器输出连接连接3相电动机R0，T0控制电源辅助输入连接与和主电路一样的3相电源 C1电流输入按外部模拟输入电流设定频率11模拟输入信号公共端模拟输入信号的公共端子FWD正转运行/停止命令FWDCM闭合 正转运行REV反转运行/停止命令 REVCM 闭合 反转运行X8,X9选择输入频率和加速度选择30A30B30C总报警输出继电器选择在异常时激磁Y5A，Y5B可选信号输出继电器根据频率决定有无输出2.2.2 现场检测元件示意图根据控制要求中安全的要求，我们对升降舞台的机械设备上行程的极限和下行程的极限做限位保护。当某个升降块超过极限位置时应该通知用户，切断电源。现场检测元件示意图如图2-2所示。图2-3现场检测元件示意图2.2.3 系统供电原理图升降舞台控制系统都要从现场提供的总配电柜里面获取电源，控制系统的电气控制柜和操作台都需要使用交流电源，标有 N 的是从配电柜来的零线。为了让用户了是否加电正确 在 A B C 三相下各接了一个指示灯，用来指示各相线是否有电 。从配电柜来的三相电首先经过自动空气开关 QF 然后经过主接触器 KM 给电机系统供电。空气开关 QF 位于系统总电源的入口 当系统出现过流时自动跳闸保护其后的电器元件。空气开关的额定电流选择120A。主接触器 KM 通过启动和停止按钮的控制负责给系统上电或者关闭主电源。空气开关和主接触器都选择施奈德的产品能够保证系统可靠的供电。系统加电的过程是：合上配电柜的空气开关，如果 A B C 三相电源指示灯点亮，说明配电柜供电正常，然后合上空气开关 QF 会看到 电源指示 灯点亮。按下 启动 按钮，在主接触器自锁的作用下，主接触器会保持吸合同时 启动 指示灯点亮。说明系统上电成功可以开始运行。关闭系统电源的过程是 按下 停止 按钮。主接触器线圈回路失电。主接触器断开，系统的电机部分失去供电，停止运行。此时 启动 指示灯熄灭为了使在系统出现紧急故障时能够马上切断主电源，供电电路部分还增加了 急停 按钮 急停按钮是一个蘑菇头按钮，具有自锁功能，一旦按下就会一直保持被按下的状态，除非操作员手工进行复位。按下急停按钮后，主接触器断开系统失电。关于 UPS 和模板的供电电路原理如图2-4 所示。图2-4系统供电原理图2.3 系统信号类型根据控制要求，舞台控制系统中需要检测的信号比较多，按照各个信号的类型可以分为以下几种：1 开关量舞台控制系统中，要求对平层位置，极限位置做检测。因此有开关量输入。对接触器的操作需要中间继电器，因此系统中有开关量输出。2 脉冲量升降舞台的位置检测采用的方法是脉冲计数。根据机械传动比可以计算出每一个脉冲对应的距离。3 模拟量本设计所选用的变频器控制频率的方法有420mA 电流和0. 5V 电压可供选择。一般来说变频器所在的电气控制柜位于舞台底坑，而计算机位于舞台台面，它们直接的距离较远。因此0. 5V 的电压传送很容易被干扰,因此本文选择了 420mA 的模拟量电流传输。2.4 本章小结本章对舞台控制系统的方案进行了充分的论证，并从中选择了合理的控制方案和控制结构，解决了设计中的关键技术问题。确定了系统结构，电机和调速的方法，检测元件的类型，微机的型号，板卡的选择并给出了总体的设计思路。完成了舞台的硬件部分设计。第3章 模糊控制策略研究3.1 模糊控制简介模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。1965年美国的控制论专家L. A. Zadeh教授创立了模糊集合论，从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法模糊控制也随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机（单片机）上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制4。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。3.1.1 模糊控制发展简介1965年扎德在信息与控制杂志上先后发表了“模糊集”（Fuzzy Sets）和“模糊集与子系统”（Fuzzy Sets & Systems），产生了模糊集合论，奠定了模糊集理论和应用研究的基础。但“模糊”一词却在美国科技界遭到怀疑和反对，为此而影响了模糊逻辑在美国的研究和应用推广。1968年扎德首次公开发表其“模糊算法”。1973年发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法。1974年伦敦大学Mamdani博士首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸气引擎。19651974年是模糊控制发展的第一阶段，即模糊数学发展与成形阶段。其间于1972年，日本模糊系统研究基金会建立，后来成为国际模糊系统协会（IFSA）的日本办事处。第二阶段大约从19741979年，这是产生简单模糊控制器的阶段。在这期间，美国加州一公司率先生产了世上第一只模糊逻辑芯片。1980年丹麦的斯密司公司首次应用芯片在水泥烘干机中成功地实现了模糊逻辑控制，但其自适应能力和鲁棒性有限，稳态精度也不够理想。1979年至今是发展高性能模糊控制的第三阶段。1979年T. J. Procky和E. H. Mamdani共同提出了自学习概念，使系统性能大为改善。1983年日本富士电机开创了日本第一项应用水净化处理。1987年日本仙台地铁线采用了模糊逻辑控制器。1989年日本把模糊逻辑消费品推向高潮，同年，扎德教授出任OMRON（立石）公司高级顾问。1993年，扎德教授应OMRON之请，在ISA/93博览会的新闻发布会上作了以“软计算”为题的发言。扎德曾获得日本企业家赠与的15万美元的本田奖。今天，模糊逻辑控制技术已经应用到相当广泛的领域之中。在日本，家用电气已成为其主攻市场，诸如智能洗衣机（日立）、微波炉（夏普）、吸尘器、空调机（三菱）、照相机和摄录机（立石）等等；在工业闭环控制系统中有水净化处理、发酵控制、化学反应釜、水泥窑炉等等。在专用系统和其他方面有地铁控制（日本）、电梯、自动扶梯、蒸气引擎、声控直机、纸币识别装置以及机器人等等5。3.1.2 模糊控制应用众所周知，当代的一些高新技术的发展似乎有这样一个趋向，即欧洲从事理论研究，美国从事技术突破，而日本从事应用开发并率先推出商品，而且逐渐成为这项技术的主导国家。模糊逻辑也不例外。中国、也是世界上模糊逻辑研究的领先者之一。中国拥有万名以上的科技工作者从事这项研究,在投入的人力方面，比日本、欧美都多，居世界第一。应用微机进行模糊控制，能将人的操作经验和微机的高速、准确运算以及控制能力有机地结合起来，加上传感器的配合，就可以得到比状态空间方法更为实用的自动控制方式。实践证明，模糊控制系统具有许多优点：结构简单、控制精度相对较高、动态性能良好、对负载及参数变化不敏感。因此，模糊控制是一种具有广宽应用前景的新技术。尽管家电方面的商品较多，但是应用于工业过程控制领域则有更大的效益。近几年来，针对模糊控制精度不太高、自适应能力有限以及容易产生振荡等现象，提出了一系列的改进方案，诸如设计了控制规则可调整的模糊控制器，具有积分作用的模糊控制器，参数自调整式模糊控制器，复合型控制器以及自学习模糊控制器（包括自寻优式、专家式和神经式）等等。模糊控制、专家控制和神经控制是构成智能化控制的三大块，人们特别对模糊逻辑与神经技术相结合的系统抱有较大的希望。利用模糊推理和人工神经网络（ANN）的学习功能对控制参数作调整，就可能得到更为理想的模糊神经网（FNN）控制器6。已有一些公司在它们的产品中应用这种技术结合。3.2 舞台升降模糊控制概述3.2.1 模糊控制的基本原理针对本文所述的舞台控制系统，其模糊控制的基本原理可由图3-1表示，其核心部分是模糊控制器，如图3-1中上面的四个部分。非模糊化处理模糊推理模糊控制规则模糊量化处理 位置检测舞台升降交流电机变频器图3-1舞台控制系统原理图执行模糊控制算法的过程如下：计算采样取得舞台升降块的实际值，然后将该实际值与给定值比较后得到误差信号E 。通常选取误差信号E 和它的变化率EC 作为模糊控制器的输入。把误差信号E 和其变化率EC 的精确量进行模糊量化后变成模糊量，然后就可用相应的模糊语言表示。于是便得到了E 和EC 的一个模糊子集。再由E 、EC 和模糊关系R ，根据推理的合成规则进行模糊推理，得到控制量u 的增量u ，控制升降块高度的改变，使其高度与给定值相近7。 (3-1)式中“”表示模糊合成运算。为了对升降块高度实施精确的控制，应该将模糊量u 转换为精确量，这一过程称为非模糊化。将该精确量（高度给定）输出给变频器就可以对升降块进行准确控制。于是一个采样周期内的控制过程就完成了。根据以上描述，模糊控制算法为以下几个过程：1根据本次采样得到升降块高度值，给定值计算误差E 及误差变化率EC；2将输入变量的精确值变为模糊量；3根据输入变量及模糊控制规则，按照模糊推理合成规则计算控制量。3.2.2 模糊控制器的设计1模糊控制器的输入变量和输出变量根据所采用的输入变量和输出变量的不同可以将模糊控制系统划分为单输入、单输出(SISO）系统；多输入、单输出（MISO）系统；多输入多输出（MIMO）系统等输入量的个数又称模糊控制器的维数。输入量的个数又称模糊控制器的维数。模糊控制器的维数越高，则其控制精度也就越高8。但维数越高则算法越复杂，因此，一般选择二维模糊控制器，就是考虑误差E 和误差变化率Ec作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出变量为高度控制量的增量u ，控制量为u( k ) , （3-2）其典型的控制框图如图升降舞台 E -模糊控制器d/dt 采样装置变频器和交流电机图3-2升降舞台模糊控制框图2输入、输出变量论域的选取误差E、误差变化率EC以及控制作用增量u基本论域的确定。在本控制系统中，被控制量是升降块高度，模糊控制器输入量为升降块高度的误差E和误差的变化率EC，输出量是升降块高度的增量。根据舞台设计的要求，各升降块高度值应该可以在台面高度以上自由组合，要求系统精度在-5，+5mm。误差E 的论域先定为-6，+6m ，超出该论域的偏差值当作最大值处理。根据经验误差变化率EC 的基本论域设定为-0.5，+ 0.5m/s。高度控制是通过计算机对交流电机的控制来实现的，它的输入为数字量的00H -FFH ，输出电压是连续可调的0-220v 。模糊控制器的输出，即交流电机的输入。增量论域为-6，+6 m。把误差E、误差变化率EC、控制输出的增量u论域统一量化为13 档的离散域，即 -6 ，-5，-4，-3，-2，-1，0，+ 1，+ 2，+3，+ 4，+ 5，+6。于是比例因子也就确定下来： 用 、和表示误差和误差变化及控制增量的比例因子，则有=6/6=1 =6/0.5=12 =6/6=1 比例因子对模糊控制系统的动静态性能有很大的影响。归纳如下：l ) 越大，系统的调节惰性越小，系统的上于速率越大；但 过大，则系统的上升速率过大，将产生较大的超调，使调节时间增长，严重时还会产生振荡，甚至使系统不能稳定工作。2 ) 过小，系统的上升速率较小，导致快速性变差，同时，它也严重影响系统的稳态特性，导致稳态精度降低。3 ) 过大时，系统输出的上升速率减小，系统的过度过程时间变长，甚至会导致系统输出发散。4 ) 过小时，系统输出的上升速率将增加，会导致系统输出产生过大的超调和振荡，并且反向超调也增大。5 ) 取得过大，会导致系统输出的上升速率过大，从而使系统输出产生波动，将导致等幅振荡或发散。5 ) 过小，则系统的前向增益很小，因此系统输出的上升速率较小，快速性变差，如果过小还将使稳态误差增加9。3模糊划分对于一个语言变量，一般而言，其取值为5-9个左右，取值数量过少，则控制较为粗糙；取值数量过多，则控制趋向精确控制，从而失去模糊控制的特点。取误差E 、误差变化率EC和控制量增量u 的模糊集均为： NB（负大），NM（负中）， NS（负小）， ZE（零），PS（正小) ， PM（正中）， PB（正大）4模糊控制规则确定了模糊控制器的结构和模糊量的个数，就可以根据现场情况或者专家的意见建立模糊控制规则。对于二维模糊控制器来说，模糊控制规则如表 所示，可以建立49条规则，并创立模糊控制表如表3.1所示：规则： R1：if E=NB and EC=NB then u1=PB；R2：if E=NB and EC=NM then u2=PB；R3：if E=NB and EC=NS then u3=PB；R4：if E=NB and EC=ZO then u4=PB；R5：if E=NB and EC=PS then u4=PM；R6：if E=NB and EC=PM then u4=ZO；R7：if E=NB and EC=PB then u4=ZO；表3-1模糊控制规则表 EC UENBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPBPMZOZONSPMPMPMPMZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNMPMZOZONMNBNBNBNBPBZOZONMNBNBNBNB5模糊推理及反模糊化设计模糊推理：由式 可知，若输入为E and Ec ，则推出， 。反模糊化可采用重心法来求取10。若 (3-3)则反模糊化后的精确量为为 (3-4)6制定模糊控制查询表根据上述的模糊关系来计算模糊控制查询表，由于重心法全面考虑模糊量的有关信息，它能够全面反映输出的模糊推理结果同时执行运算较为容易。因此，在本系统的设计当中，采用的就是重心法。表格如表3-2。实际应用模糊控制时，先离线计算好模糊控制查询表，然后将其存入计算机，编制模糊控制算法程序时采用查表法11，这样可以简化在线计算，速度较快。表3-2模糊控制查询表ECUE-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6-66565663310000-55555555331000-46565666331000-35555555210-1-1-1-23334333000-1-1-12-2-1033341100-1-1-3-3-3+1222200-1-3-3-2-3-3-3+2111-10-2-3-3-3-2-3-3-3+30000-2-2-5-5-5-5-5-5-5+4000-1-3-3-6-6-6-5-6-5-5+5000-1-3-3-5-5-5-5-5-5-5+6000-1-3-3-6-6-6-5-6-5-67确定采样时间由于模糊控制也是计算机控制的一种类型，所以采样时间的选择是必不可少的环节，而且采样时间的大小也影响着系统的控制效果与精度。香农（Shannon ）采样定理给出了选择采样周期的依据，即：T/, (3-5)式中 为采样信号的上限角频率12。采样周期的选择可参考以下几个因素： 从执行机构来看，有时要求输出信号保持一定的时间，因为执行机构本身响应很快，采样时间基本不需考虑执行机构的响应时间； 从控制系统随动以及抗干扰的性能要求方面看，希望采样时间短些为好：我们可确定采样周期为0.1秒。3.3 本章小结本章内容详细介绍了模糊控制的发展历程以及优点，并通过模糊控制规则建立了系统的模糊控制器模型，制定了模糊控制查询表，为后面的软件控制部分的设计打下基础。第4章 软件的实现4.1 C + Builder发展简介Borland C + Builder简称（BCB）发展至今已第六版，它是一种可视化的程序语言，所谓“可视化”，是指开发图形应用界面的方法，其方法就是在建立用户界面（User Interface）时，不必编写程序来描述输入或输出界面的外观和配置，只要使用工具箱的工具，在程序设计阶段便可以实现，是属于一种“What you see is what you get”可视化的设计观念。C + Builder是以C语言为基础，再加入许多观念以及Windows GUI有关的功能。本设计中选择了C + Builder 作为升降舞台的开发环境，主要是基于以下几点考虑：1支持 C+语言C 语言是一种中级语言，既有高级语言的结构化、自然语言化的优点，又能够像低级的汇编语言那样直接访问硬件的优点，因此控制程序大多数使用 C 语言编程。C+语言使用C语言编程，采用了面向对象的编程方法，这符合 Windows这种以事件触发程序流程的编程方法。C+支持封装、继承、重载、多态性和虚函数等特性，它把属于一类事物的属性和方法抽象成类来使用，和我们对自然的认识方法相符合，而且可以严格规定对属性的存取权限。2可视化的C+开发环境C + Builder提供符合ANSI/ISO标准的、功能强大的C+编译器，并能集成功能完善、高效的可视化开发环境，C + Builder运用面向对象的技术构造以组件为基础的开发结构，软件组件让程序代码可重复使用的能力大大提高，缩短了整个软件的开发周期。3. 存取数据库C + Builder内有多种数据库存取方式，无论用户使用何种数据库，都可运用C + Builder功能丰富的数据库感知功能组件，快速开发出以数据为中心的窗口应用程序或Web应用程序13。4.2 面设计及其制作4.2.1 界面设计4.2.1.1 程序设计基本流程计算机是协助人们解决问题的工具，因此程序设计者必须先充分了解解决问题的步骤，才能编写出合适的应用程序。编辑一个C + Builder程序主要分为三大步骤：（1）利用组件模板中的组件建立用户输入输出界面。（2）设置窗体上各种控件（或称对象）的属性值。（3）编写各种控件对应的事件函数。4.2.1.2 设计要求舞台控制系统软件设计，要通过硬件与软件的连接，通过软件制作的操作界面来控制硬件，间接来控制舞台。所以设计过程中，根据舞台控制系统课题的要求，参考整体设计要求、功能要求，参考硬件设计，设计出舞台控制系统的软件部分。控制系统软件设计功能如下：1设定功能能够随时设定各块的高度（手动/自动）。2运行功能运行功能分为自动运行、手动运行：自动运行：各升降块能够自动运