（系统工程专业论文）综合数字随动控制系统的实验设计与开发.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i im l lmi 摘要 s k j p c i 型数字随动系统是自动控制原理实验的重要实验设备，主要用 来进行本科阶段数字随动系统的有关实验和研究。但这套实验系统的上位机 软件实验内容覆盖面小，缺少综合设计性实验，实验过程过于简单，整个实 验过程学生只需要输入几个控制参数即可获得实验结果，并且没有相关的帮 助文档辅助教学，使用起来很不方便。 本论文对目前使用比较广泛的s k j p c i 型数字随动系统的上位机软件部 分进行了重新开发，增加了综合设计性实验，模糊控制实验和模糊p i d 控制 实验。改造后系统提供了大量的帮助文档，使学生使用起来方便，快捷。论 文在对原系统的不足进行分析后，介绍了改进方案和实现的方法。然后分析 了s k j p c i 数字随动控制系统的的基本原理和各部分功能，对设计中要使用 的控制算法进行了较详细的介绍，对随动系统与计算机接口通讯的实现方法 做了详细研究，给出了对端口读写的函数。最后对上位机软件的总体设计， 开发过程和软件的各部分功能做了详细说明。 一。 与原上位机软件相比，本软件丰富了实验内容，它将进一步提高学生在 实验过程中对于计算机控制系统硬件和软件的设计与调试能力以及分析和解 决实验过程中出现的实际问题的能力，能更深入了解整个数字控制的设计和 具体实现细节，使学生通过实验可以更全面的了解数字随动控制的知识。 关键词：数字随动控制系统；数字p i d 控制；模糊控制；模糊p i d 控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s k j p c i - b a s e d d i g i t a l s e r v oc o n t r o l s y s t e mi s a l l i m p o r t a n te x p e r i m e n t e q u i p m e n ti na u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l e i ti sm a i n l y u s e df o rt h ee x p e r i m e n t s a n dr e s e a r c ho fd i g i t a ls e r v os y s t e m h o w e v e r ，t h i se x p e r i m e n t a ls y s t e m s o f t w a r e sc o n t e n ti sn o ta b u n d a n t ，l a c ko fi n t e g r a t e dd e s i g na n dt h ee x p e r i m e n t p r o c e s si st o os i m p l e ，t h es t u d e n t so n l yn e e dt oi n p u ts e v e r a lc o n t r o lp a r a m e t e r s c a nb eo b t m n e de x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ee n t i r ep r o c e s s ，a n da b s e n to fr e l e v a n t s u p p o r t i n gd o c u m e n t sh e l pt e a c h i n g ，v e r yi n c o n v e n i e n tt ou s e i nt h i sp a p e r ，t h ec u r r e n tu s e ds ki p c i b a s e dd i g i t a ls e r v os y s t e ms o f t w a r e ， m et o dp a r to ft h er e d e v e l o p m e n t ，a ni n c r e a s eo fi n t e g r a t e dd e s i g no fe x p e r i m e n t s ， f u z z yc o n t r o le x p e r i m e n t sa n df u z z yp i d c o n t r o le x p e r i m e n t a f t e rt r a n s f o r m a t i o n s y s t e mw i t ht h eh e l po fal a r g en u m b e r o fd o c u m e n t s ，t oe n a b l es t u d e n t st ou s e c o n v e n i e n t ，f a s t p a p e r si n t h ei n a d e q u a c yo ft h eo r i g i n a la n a l y s i ss y s t e m ， i n t r o d u c e dt h ep r o g r a m m ea n dt h ea c h i e v e m e n to fi m p r o v e dm e t h o d s t h e n a n a l y z e dt h es k j p c id i g i t a ls e r v oc o n t r o ls y s t e ma n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so f t h e f u n c t i o no ft h ed e s i g no ft h ec o n t r o la l g o r i t h m st ob eu s e df o ram o r ed e t a i l e d a c c o u n to ft h es e r v os y s t e ma n dt h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em e t h o di n d e t a i ls t u d yo nt h ep o r ti saf u n c t i o no fr e a d i n ga n dw r i t i n g f i n a l l y ，m ep c s o f t w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h ef u n c t i o n so ft h ev a r i o u s p a r t so f t h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls o f t w a r e ，i tw i l l e n h a n c et h es t u d e n t si nt h e e x p e r i m e n t a lp r o c e s so ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e a n ds o f t w a r e d e s i g na n dd e b u g ，a n dt h ea b i l i t yt oa n a l y z ea n ds o l v ee x p e r i m e n ta p p e a r e di nt h e p r o c e s so f t h ea b i l i t yo ft h ep r a c t i c a lp r o b l e m s ，c a nh a v eab e r e ru n d e r s t a n d i n go f t h ee n t i r ed i g i t a lc o n t r o ld e s i g na n dr e a l i z a t i o nd e t a i l s ，s t u d e n t st h r o u g hi tc a ng e t m o r ec o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go fd i g i t a ls e r v oc o n t r o lk n o w l e d g e k e yw o r d s ：d i g i t a ls e r v oc o n t r o ls y s t e m ；d i g i t a lp i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ； f u z z yp i dc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者( 签字) ： 日期：掰年 、 亿 专陌 季汕 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 实验室的装备水平通常被作为一所高校教学、科研水平的重要标志；因 此实验室的建设，应运用新技术、新知识，立足于高水平、高起点。自动控 制原理是自动化等专业的一门基础课，实验环节在教学中占有重要地位。 s k j p c i 型数字随动系统是自动控制原理实验室购进的重要实验设备， 主要用来进行本科阶段数字随动系统的有关实验和研究。它提供集成操作软 件，通过p c 示波器功能可清晰的观察控制系统的各项静、动态特性，方便了 用计算机进行系统仿真和模拟。学生通过实验可以掌握自动控制系统的结构、 组成、工作原理和分析方法，并具备初步的分析系统和设计系统的能力。但 这套实验系统的上位机软件实验内容覆盖面小，缺少综合设计性实验，并且 没有相关的帮助文档辅助教学，使用起来很不方便，不能满足教学需求。 针对原有上位机软件的上述不足，为了能更好的配合学生自动控制原理 部分课程的学习以及开放实验室的要求，对于作为实验主要设备的s k j p c i 型数字随动系统，通过对系统的研究，根据其硬件现有条件，在原有实验内 容基础上，进行上位机软件的重新开发具有重要意义。与原上位机软件相比， 新软件将丰富实验内容，增加综合设计性实验，改善实验效果，并且提供大 量的帮助文档。它将进一步提高学生在实验过程中对于计算机控制系统硬件 和软件的设计与调试能力以及分析和解决实验过程中出现的各种实际问题的 能力，使学生通过实验可以学到更多的知识。 1 2 数字随动系统国内外研究现状 伺服系统是自动控制中用来控制被控对象的某种状态，使其能自动、连 续、精确地复现输入信号的变化规律。自从第二次世界大战雷达和火炮伺服 系统出现以来，伺服控制技术及其系统在工业、农业、国防等各个领域都得 到了广泛的应用。随着控制理论的不断完善与发展，采用先进的控制方法， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如模糊控制技术、神经网络控制技术、滑模控制方法、重复控制方法对伺服 系统进行的控制和设计，使系统具有更好的鲁棒性、跟踪性及追踪性。随着 电子技术，特别是电子计算机的高速发展，带来了伺服系统向智能化方向的 快速发展。从当前情况看，直流电动机能在大范围内实现精密的位置和速度 控制，所以，要求系统性能高的场合都在广泛使用直流伺服系统。本文运用 了模糊控制算法实现直流伺服系统的模糊控制。 随动系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动 机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段： 第一发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代以前) ，此阶段是以步进电动机驱动的 液压伺服马达或以功率步进电机直接驱动为中心的时代，随动系统的位置控 制为开环系统。 第二个发展阶段( 2 0 世纪6 0 一7 0 年代) ，这一阶段是直流伺服电动机 的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性 能驱动装置采用了直流电动机，随动系统的位置控制也由开环系统发展成为 闭环系统。 第三个发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) ，这一阶段是以机电一体化时 代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展， 出现了无刷直流伺服电动机( 方波驱动) ，交流伺服电动机( 正弦波驱动) 等种种新型电动机。 进入2 0 世纪8 0 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越 来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向 微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为 伺服控制的一个发展趋势。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由 硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、 进而向接近电动机环路的更深层发展。 控制技术的发展，使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业。尤其 随着国防技术的发展，要求随动系统有更高的跟踪速度和跟踪精度，并具有 更高的可靠性。随动系统的控制策略也由单一的p i d 控制方法发展到现在， 已经出现了大量新的算法，近年来受到控制界十分重视的智能控制，它能摆 脱对控制对象数学模型的依赖，已成为众所瞩目的解决鲁棒性问题的重要方 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 法。目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的当数模糊控制和神经网 络控制，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参 数变化和扰动的影响。智能控制算法将成为以后的随动控制系统控制策略的 发展方向。目前运用较多的随动控制算法有以下几种： 1 p i d 控制 随动控制中常用的方法是p i d 调节器，尽管随着现代交流调速技术的发 展，出现了各种新型控制算法，如自适应控制、专家系统、智能控制等。从 理论分析，许多控制策略都能实现良好的电机动静态特性，但是由于算法本 身的复杂性，而且对系统进行模型辨识比较麻烦，因此，在实际系统中实现 时困难，对于传统的p i d 调节器而言，其最大的优点在于算法简单，参数易 于整定，具有较强的鲁棒性，而且适应性强，可靠性高，这些特点使p i d 控 制器在工业控制领域得到广泛的应用。随动系统中的控制对象并不是很复杂， 用p i d 调节器更易实现预期效果。 2 自适应控制 传统的p i d 控制，或多或少由于电机模型参数的变化，使系统控制性能 变差。因此，提出了自适应控制，它在系统的运行过程中不断提取有关模型 的信息，让控制策略根据新的信息来调整，它是克服参数变化影响的有力手 段。现在应用于控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辩识自校正控制 及其新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题：一是 数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化；二是辩识和校正都需要一个过程， 对一些参数变化较快的系统，就会因来不及校正而难以产生很好的效果。随 着d s p 控制器的出现，高速的运算速度会减少计算慢的不足。 3 模糊控制 其中模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊 性，使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法，它包 括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。早期的模糊控制器只是以 取代传统p i d 控制器为目的，鲁棒性虽有所加强，但一般模糊控制器没有积 分作用，在伺服系统有负载扰动时会出现静差。而增加了积分效应的模糊控 制器，虽相当于变系数p i d 调节器，可以实现无静差控制，但是单纯地将一 个简单的传统模糊控制器用于高精度电机伺服系统，还不能得到令人十分满 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i 一；一i i ；一；, ； 意的性能。模糊控制系统只有与其他控制方法相结合，才能获得优良的性能。 如模糊p i d 等。 4 神经网络控制 神经网络控制在交流伺服中的应用主要有下面几个方面：( 1 ) 代替传统 的p i d 控制；( 2 ) 由于实际的矢量控制效果对伺服系统参数很敏感，将神经网 络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整； ( 3 ) 无速度传感器矢量控制需要知道转速，神经网络被用来精确估计位置及转 速；( 4 ) 结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用于自适应速度控制器。 虽然将智能控制用于伺服系统的研究已取得了一些成果，但是有许多问 题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能( 如稳定性和鲁棒 性) 缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系 统容易产生振荡。 1 3 本文的主要工作 本课题的主要工作是对s k j p c i 型数字随动系统的上位机软件进行重开 发并增加模糊控制实验，模糊p i d 控制实验和随动控制系统综合控制设计实 验。并对s k j i i 型实验台与微机的p c i 通信方式进行了研究，编程封装了通 信端口的调用函数。 本论文具体由以下几部分组成： 1 软件开发环境及v c 主要功能介绍：对v c + + 软件的强大功能进行了 简单介绍，讨论了本文要用到的动态链接库的调用和v c 抖下画图程序编写 的一些基本方法。 2 s k j p c i 型数字随动系统硬件分析及上位机软件设计分析：对数字随 动系统的组成结构以及工作原理作了详细的分析，并且在分析实际需求的基 础上提出了应用系统结构图，这部分内容是后续软件开发的基础。 3 随动系统实验箱与计算机通信的研究：s k j p c i 型数字随动系统是通 过s k i p c i 数据采集板实现与计算机通信的。通过对采集板的端口进行测试， 总结出数字量和模拟量之间的转换公式，编写p c i 卡的端口读写程序。 4 控制算法的设计开发：这部分是全文的主体，按照应用系统结构图分 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 别对各模块的设计思想、设计流程进行了介绍。尤其对p i d 控制，模糊控制 和模糊自适应控制作了详细的阐述并对这几种控制方法做了分析比较。文中 列出了主要的程序代码，并附上了界面图和输出结果图。 5 应用软件的编写：在对总体需求和上面基本知识研究的基础上编写 数字随动控制系统的应用软件，达到整个实验台的总体要求并力求做到整个 软件实用，稳定，界面美观并且操作t 方便。 第2 章s k d p gi 型数字随动系统分析 本课题的研究主要分为两部分：硬件部分和软件部分，即s k j p c i 型数 字随动系统实验箱的研究和上位机软件设训。本章将对这两部分进行具体的 分析。 21 系统硬件分析 本数字随动实验系统是一个由计算机控制的位置跟踪系统；它将计算机 预先给定的在刚问上不连续的数字量，变成在时间上连续的并且有定输出 功率的模拟量( 角位移或转角) 。当给定数字量发生变化时，输出模拟量也 发生变化。本装置以数字随动实验为主。该实验系统配有电动机( 执行机构) 、 测速发电机( 速度反馈部件) ，光屯编码器( 位置反馈部件) ，减速齿轮( 传动部 分) ，通过p c 机做控制器，构成数字随动系统j 。 数字随动系统由以下三郸分组成：被控对象直流电动机、微型计算机及 输入输出接口电路、外部设备。系统实物图如图21 ，系统结构示意图如图 22 所示。 图2 1 数字随动系统实物图 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 计算机： 数字随动实验箱：执行机构 、口 步调节器i 土1 0 v p p ；脉冲占空比o 。1 0 0 可调；功率放大器电压 一2 4 v + 1 0 ；最大输出电流1 2 a ：电流反馈取样电阻0 5 d 2 w 。 5 、电动机功率放大器 是由晶体管v 1 v l o 及相应电路组成的h 桥式电路。电阻r 4 0 和r 4 3 为0 5 q 电流取样电阻，其中一路经a 3 b 反相后送出。电阻r 5 6 为o 5 q 取样 电阻，用于测量电动机电流。 6 、其他电路及扩展区 测速电机接口及滤波调整电路由电位器r p 4 ，插口x 1 8 、x 1 9 等组成， 可由x j 5 观察测试。 2 4 本章总结 本章内容主要对s k j p c i 型数字随动系统的各个部分进行具体分析。主 要介绍了s k i p c i 型数字随动系统的结构、工作原理以及系统重要组成部分 及其功能，它是本课题硬件部分研究的基础。本装置以数字随动实验为主。 该实验系统配有电动机( 执行机构) 、测速发电机( 数字反馈部件) ，光电编码器 ( 位置反馈部件) ，减速齿轮( 传动部分) ，通过p c 机做控制器，构成数字随动 9 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 系统。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章控制算法设计 3 。1 数字p ld 控制 数字p i d 控制在生产过程中是一种最常用的控制方法，在冶金、机械、 化工等行业中获得广泛应用。本节介绍p i d 控制的基本原理、数字p i d 控制 算法及其实现过程刀。 3 1 1 数字pid 控制原理9 1 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。常规p i d 控 制原理框图如图3 1 所示。系统由模拟控制器和被控对象组成。 图3 1p i d 控制原理方框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值7 o ) 与实际输出值c o ) 构成 控制偏差 e o ) = r ( f ) 一c o ) ( 3 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量， 对被控对象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： u ( t ) = k v * e ( 1 ) + 鲁北m p 母乃警 ( 3 - 2 ) 式中：k ，比例系数； z 积分时间； 乃微分时间 或写成传递函数形式： 啥尔滨u 丁程大学硕士学位论文 r ，r c 、1 导鼍= k p ( 1 + 二+ r d s ) ( 3 _ 3 ) r 、，1 一 1 2 , t s ) 1 , 3 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： ( 1 ) p 控制：比例( p ) 调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦 出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以 加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系 统的不稳定。 ( 2 ) i 控制：积分( i ) 调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。 因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出为 常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数z ，z 越小，积分作用就越强。 反之z 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结合，组成p i 调节器或p i d 调节器。 ( 3 ) d 控制：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预 见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前， 已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择 合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作 用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化 率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需 要与另外两种调节规律相结合，组成p d 或p i d 控制器。 3 1 2 数字p id 控制算法 实验要求用户编写位置式p i d 控制算法，下面介绍p i d 控制算法的原理。 在模拟调节系统中，p i d 控制算法的模拟表达式为： 如，= 坳卜+ 毒f e 9 舢乃警 协4 ， 式中： y ( t 卜调节器的输出信号： e ( t 卜调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差； k p 调节器的比例系数： 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，调节器的积分时间； 乃，调节器的微分时间。 用计算机实现( 3 4 ) 式，必须将其离散化，用数字形式的差分方程代替 连续系统的微分方程。此时，积分项和微分项可用求和及增量式表示： j：，oe ( t ) d t e ( j ) a t - - t z p ( 力 ( 3 5 ) 望笋_ e ( n ) - e ( n - 1 ) ：下e ( n ) - e ( n - 1 ) ( 3 - 6 ) dttj r 将式( 3 4 ) 和( 3 5 ) 代入式( 3 6 ) ，则可得到离散的p i d 表达式： 少(刀)=盖p(刀)+号窆p()+等e(n)-e(n-1j=o ( 3 7 ) 少( 刀) = 印 p ( 刀) + 争p ( ) + ( 3 7 i ， j 式中：a t = t 采样周期； e ( n ) 笫n 次采样时的偏差； e ( n 一1 卜第n 一1 次采样时的偏差； n 一采样序号，n = 0 ，1 ，2 。 通常把式( 3 - 7 ) 称为p i d 位置控制算式。由式( 3 7 ) 可以看出，要先计算 y ( n ) ，不仅需要计算本次与上次的偏差信号e ( n ) 和e ( n 1 ) ，而且还要在积分项 把历次的偏差信号e 0 ) 进行相加。 p i d 位置式算法流程图，如图3 2 ： 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 输a , n e x t p o i n t + 计算e ( n ) = s e t p o i n t n e x t p o i n t i 计算s u m e r r o r = s u m e r r o r + e ( n ) + 计算d e r r o r - - - e ( n ) - e ( n - 1 ) 0 e ( n 一2 ) = e ( n - 1 ) , e ( n - 1 ) 气( n ) 0 y ( n ) = k p 木e ( n ) + t i 木s u m e r r o r + k d 木d e r r o r 图3 2p i d 位置式算法流程图 按上面的流程图就可以编写控制算法程序，微机做为控制器，将计算后 的控制量输出再通过d a 转换就可以作用到被控对象直接控制电机的运动。 3 2 模糊控制 3 2 1 模糊控制概述 模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式表示 和以模糊逻辑的规则推理为理论基础；采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。它的组成核心是具有智能性的模糊控 制器，这就是它与其他自动控制系统的不同之处。因此，模糊控制系统无疑 也是一种智能控制系统。 模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等 1 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 多门学科领域相互渗透、理论性很强的科学技术，实现这种模糊控制技术的 理论，称为模糊控制理论。 一、模糊控制系统的组成与特点u 纠 1 、模糊控制系统的组成 根据前述模糊控制系统的定义，不难想象模糊控制系统的组成具有常规 计算机控制系统的结构形式，如图3 3 所示。由图可知，模糊控制系统通常 由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和传感器等五个部分组 成。 图3 3 模糊控制系统组成框图 ( 1 ) 模糊控制器：模糊控制器是各类自动控制系统中的核心部分。由于 被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则( 或 策略) 相异，可以构成各种类型的控制器，如在经典控制理论中，用运算放 大器加上阻容网络构成的p i d 控制器和由前馈、反馈环节构成的各种串、并 联校正器；在现代控制理论中，设计的有状态观测器、自适应控制器、解耦 控制器、鲁棒控制器等。而在模糊控制理论中，则采用基于模糊知识表示和 规则推理的语言型模糊控制器，这也是模糊控制系统区别于其他自动控制系 统的特点所在。 ( 2 ) 输入输出( i o ) 接口：在实际系统中，由于多数被控对象的控制 量及其可观测状态量是模拟量。因此，模糊控制系统与通常的全数字控制系 统或混合控制系统一样，必须具有模数( a ，d ) 、数模( d a ) 转换单元，不 同的只是在模糊控制系统中，还应该有适用于模糊逻辑处理的“模糊化”和 “解模糊化”( 或称“反模糊化”) 环节，这部分通常也被看作是模糊控制器的 输入输出接口。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 执行机构：除了电气的，如各类交、直流电动机，伺服电动机j 步 进电动机等以外，还有气动的和液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液 压阀等。 ( 4 ) 被控对象：被控对象可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可 以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其他各种的状态转移过程。这 些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量的、有滞后或无滞后的， 也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强耦合和干扰等多 种情况。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。 ( 5 ) 传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号 ( 模拟或数字) 的一类装置。被控制量往往是非电量，如位移、速度、加速 度、温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分 重要的地位，它的精度往往直接影响到整个控制系统的精度，因此，在选择 传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。 在模糊控制系统中，为了提高控制精度，要及时观测被控制量的变化特 性及其与期望值间的偏差，以便及时调整控制规则和控制量输出值，因此往 往将测量装置的观测值反馈到系统的输入端，并与给定输入量相比较，构成 具有反馈通道的闭环结构形式。 2 、模糊控制系统的特点 、 ( 1 ) 模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜于复杂系统 ( 或过程) 与模糊性对象等采用，因为它们的精确数学模型很难获得或根本 无法找到。 ( 2 ) 模糊控制中的知识表示、模糊规则和合理推理是基于专家知识或熟 练操作者的成熟经验，并通过学习可不断更新，因此，它具有智能性和自学 习性。 ( 3 ) 模糊控制系统的核心是模糊控制器。而模糊控制器具以计算机( 微 机、单片机等) 为主体，因此它兼有计算机控制系统的特点，如具有数字控 制的精确性与软件编程的柔软性等。 ( 4 ) 模糊控制系统的人一机界面具有一定程度的友好性，它对于有一定 操作经验的而对控制理论并不熟悉的工作人员来说，很容易掌握和学习，并 且易于使用“语言”进行人一机对话，更好的为操作者提供控制信息。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 模糊控制不需要系统精确的数学模型，而只需根据人的经验，总结成若 干模糊控制规则进行有效控制，控制算法十分简单，并在被控对象模型参数 发生变化时，仍能保持良好的控制性能，对解决具有非线性、时变性的复杂 系统控制问题显示出很大的优越性。尤其是在解决象计算机控制的位置跟踪 系统这样复杂的数字随动系统控制问题时，模糊控制方法越来越受到人们的 重视。 二、模糊控制的基本原理刘 模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算 机智能控制。模糊控制原理的基本框图如图3 4 所示。它的核心部分为模糊 控制器，如图中点划线框中部分所示，模糊控制器的控制规律由计算机的程 序实现。实现步模糊控制算法的过程描述如下：微机经中断采样获取被控 制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e ，一般选误差信号 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 合的一个子集舌( 否是一个模糊矢量) ，再由否和模糊控制规则爱( 模糊算子) 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量厅。 历；舌。屈 给 厂一一一 i模糊控制器( 微机)i 图3 4 模糊控制原理的基本框图 式中，u 是一个模糊量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模 糊量u 转换为精确量，这一步骤在上l 图中称为非模糊化处理( 亦称为解模糊 化或清晰化处理) 。得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的 模拟量后送给执行机构，对被控对象进行控制。 出 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 综上所述，模糊控制算法可概括为以下五个步骤： ( 1 ) 计算控制变量，根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择系统 的输入变量。包括控制量和偏差量。、 ( 2 ) 模糊化，即将输入变量的精确值变为模糊量。 ( 3 ) 确定模糊关系，根据输入变量( 模糊量) ，由模糊控制规则确定模 糊关系。 ( 4 ) 模糊推理( 决策) ，按模糊推理合成模糊控制规则计算控制量( 模 糊量) 。 ( 5 ) 解模糊，由上述得到的控制变量( 模糊量) 计算精确的控制量。 三、模糊控制器u 钊 由图3 4 可知，模糊控制系统与通常的计算机数字控制系统的主要差别 是，采用了模糊控制器。模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制 系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构，所采用的模糊规则，合成 推理算法，以及模糊决策的方法等因素。 模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r 弋- f c ) 也称为模糊逻辑控制器( f u z z y l o g i cc o n t r o l l e 卜f l c ) ，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论 中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为 模糊语言控制器( f u z z yl a n g u a g e c o n t r 0 1 l e 卜_ f l c ) 。 x 1 x 2 y ， 图3 5 模糊控制器的组成框图 模糊控制器的组成框图如图3 5 所示。 1 、模糊化接口( f u z z yi n t e r f a c e ) 模糊控制器的输入必须通过模糊化才 能用于控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要 作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。 2 、知识库( k n o w l e d g e b a s e _ k b ) 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由数据库和规则库两部分组成。 ( 1 ) 数据库( d a t ab a s p 珈b )数据库所存放的是所有输入、 输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值( 即经过论域等级离散化以后对应 值的集合) ，若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方 程求解过程中，向推理机提供数据。、 ( 2 ) 规则库( r u l eb a s e b )模糊控制器的规则是基于专家知 识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表 示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如i f - t h e n 、e l s e 、a l s o 、 e n d 、o f 等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词 为i f - t h e n ，a l s o ，对于多变量模糊控制系统，还有a n d 等。规则库是用来存放 全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规则。由上述可知，规 则条数和模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数越多，但并不 代表规则库的准确度越高，规则库的“准确性”还与专家知识的准确度有关。 3 、推理与解模糊接口( i n f e r e n c ea n d d e f u z z y i n t e r f a c e ) 推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理 来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考虑 到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。 推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成，但是，至此 所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须做一次 转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换功能作 用的部分称为解模糊接口。 综上所述，模糊控制器实际上是依靠微机( 或单片机) 来构成的。它的 绝大部分功能是由计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和开发， 也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。 3 2 2 随动控制系统模糊控制器设计 1 被控对象的特点及控制方案 直流随动系统由于采用直流电机作为执行元件，具有良好的起制动性能。 但是直流随动系统也有自身的缺点：直流电机的结构制造工艺比较复杂，环境 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 适应能力较差，惯量大：由于采用碳刷换向必须定时维护，且换向时产生电火 花，是非常严重的电磁干扰源。直流随动系统一般采用的模拟式调速控制元 件易受干扰，而且难以实现复杂的控制算法。 本节采用查询控制表的方式进行直流伺服控制系统的模糊控制。模糊控 制器算法用p c 机来实 v c + + 编程。由于实时性的原因，在控制过程中不进行模糊控制规则的实 时推理，而是离线设计出输入、输出的对应关系，并以维数组的形式存储 在所编程序中。p c 机根据实测位置数据与设定位置的误差e 及其误差变化率 d e ，查表得到相应的控制量u 进行控制。 2 模糊控制器的设计 模糊控制器的语言变量 ( 1 ) 模糊控制器的输入语言变量可选为实际输出角度夕与系统给定角度 r 之f b j 的偏差e ，和偏差的变化量e c 而其输出语言变量可选为输出的电压i l 。 这样就为随动控制系统选定了一个双输入单输出的模糊控制器。 ( 2 ) 输入语言变量误差e ，误差变化e c 和输出语言变量( 控制量变化) u 的赋值表对本系统取e 的基本论域为 1 8 0 ，1 8 0 】，取e 的论域x = 6 ，5 ， 0 ，+ 0 ，+ 5 ，+ 6 ) ，则得误差e 的量化因子k e = 6 1 8 0 = 1 3 0 。为语言变量e 选取8 个语言值p b ，p m ，p s ，p 0 ，n o ，n s ，n m 和n b 。 通过操作实践经验总结，可确定出在论域x 上用以描述模糊子集妇， 的隶属函数( x ) ，并根据此简历语官变量e 的赋值表如表( 如表3 1 ，见下 页) 。 取误差变化率e c 的基本论域为【一1 2 0 ，1 2 0 ，选定e c 的论域y = 6 ，5 ， o ，+ 5 ，+ 6 ，则得误差变化率e c 的量化因子k e c = 6 1 2 0 = 1 2 0 。语言变量 e c 选取p b ，p m ，p s ，0 ，n s ，n m ，n b 共7 个语言值。 通过操作实践经验总结，在确定出模糊子集坳，的里数函数p ( x ) 之 后，便可简历语言变量e c 的赋值表( 表3 2 ) 取控制量变化u 的基本论域为 5 ，5 ，选定u 的论域为z = 6 ，。5 ，0 ， + 5 ，+ 6 则得控制量变化u 的比例因子k u = 5 6 。同意，为语言变量u 选取 p b ，p m ，p s ，0 ，n s ，n m ，n b 共7 个语言值。通过实践经验总结，在确定出模糊子 集p b ，的隶属函数( x ) 之后，便可建立语言变量u 的赋值表( 表3 3 ) 。 2 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 表3 1 语言变量e 赋值表 e65432 1 0+ 0+ 1 + 2+ 3 + 4 + 5+ 6 p ( x ) e c - p b 0 2o 71 p m o 20 710 70 2 p s 0 1o 。710 70 1 p 0 lo 70 1 n 00 1 o 71 n s o 1 o 7 1 o 7o 1 n mo 2o 71o 7o 。2 n b10 7o 2 表3 2 语言变量e c 赋值表 e一65- 4321 肛( x ) + o+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 e c p bo 2o 71 p m 0 2o 8l0 8o 2 p s o 810 8o 2 0 o 510 5 n s0 2 0 810 8 n mo 20 8 10 80 2 1 n b 10 70 2 2 l 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 表3 3 语言变量u 赋值表 e65- 43- 2 1+ o十1+ 2十3“+ 5 + 6 p ( x ) e c p b o 2o 71 p m 0 20 81o 80 2 p so 1o 8l 0 80 1 o l o 5lo 5 n s o 1o 810 8o 1 n mo 2o 8lo 80 2 n b 1 o 7 o 2 表3 4 模糊控制状态表 en bn m n s n o p op sp mp b p ( x ) e c p bp bp mn mn mn mn bn b p mp bp mn mn mn mn s n s p sp bp mn sn sn sn sn mn b 0p bp mp soon sn mn b 1 n sp bp mp sp sp sp sn mn b n m p bp sp sp mp mn mn b n b p bp bp mp mp mn mn b 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 模糊控制状态表 基于手动控制策略的总结，得出一组由5 2 条模糊条件语句构成的控制规 则，将这些模糊条件语句加以归纳，可建立反映随动控制系统控制规则的模 糊控制状态表( 表3 4 ) 。表中有号的空格代表不可能出现的饿情况，称为 死区。 模糊控制状态表3 4 包含的每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系， 他们共有5 2 个，其中r 1 ，r 2 ，r 5 1 和r 5 2 分别计算为： j i l = 【( 凇) 啻( 朋) 葩卜( 船) d j i 2 = ( 删) 蜃( 尸b ) 肥】丁( 肼) d 1 ( 3 8 ) 天5 】= 【( 肌) 营x ( n b ) 的 7 x ( n m ) d j i 5 ，= 【( 朋) 言x ( n