[硕士论文精品]智能多点模糊pid温度控制系统

上海交通大学硕士学位论文1智能多点模糊PID温度控制系统摘要在纺织工业拉丝过程中，要想提高产品的质量，热辊辊体的温度控制是一个相当重要的环节，必须达到一定的精度。温度是工业生产的重要参数之一，温度控制对象的热惯性大，达到设定温度后的抖动太大，并且易受干扰，具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性。因此如何提高控温精度以及便于人工控制一直是工业温度控制领域的重要问题。在这种大滞后、慢时变、非线性的复杂系统。常规的PID控制器难以收到良好的控制效果。而近些年在模糊控制上有了新的突破，模糊控制不依赖于控制对象有精确的数学模型，可以对复杂对象实施良好的控制，而且模糊控制具有良好的鲁棒性，以及动态性能好、受系统参数变化影响小的优点其不足之处在于稳态精度不高。为了解决上述这些问题，我们尝试使用模糊控制与PID控制相结合的方法，构成模糊PID控制器，即具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。我们的基本思想是采用并行FUZZYPID复合控制方法比较合适。当实际温度与设定值偏差较大时，采用模糊控制，发挥其响应快的特点当实际温度与设定温度偏差较小时，采用PID控制，发挥其静态性能好的特点，提高系统的控制精度。关键词温度控制单片机模糊PID控制上海交通大学硕士学位论文2INTELLIGENTMULTIPOINTFUZZYPIDTEMPERATURECONTROLSYSTEMABSTRACTWHENTHETEXTILEISMANUFACTURED,ITISANESSENTIALFACTORTOCONTROLTHEROLLERSTEMPERATUREFORIMPROVINGPRODUCTSQUALITYTEMPERATUREISAVERYIMPORTANTPARAMETERINTEXTILEINDUSTRY,HOWTOACHIEVEABETTERCOMMANDINGOFTEMPERATUREACCURACYISAKEENPROBLEMWHICHISEXPECTEDTOBESOLVEDBECAUSETHEOBJECTOFTEMPERATURECONTROLHASABADROBUSTNESS,AUNSTEADYPRECISIONTIMELAGANDSOONTHETRADITIONALPIDCONTROLHASAPOORPERFORMANCEINSUCHACOMPLICATEDSYSTEM,WHICHISNONLINEAR,BIGTIMELAGBUTRECENTLYFUZZYCONTROLHASHADSOMEEXCITINGCONCLUSION,FUZZYCONTROLPERFORMANCEWELLWITHOUTANACCURATEMATHMODELPROVIDEDITALSOHASSOMESTRONGNESS,FOREXAMPLE,HIGHROBUSTNESS,GOODDYNAMICRESPONSE,SHORTRISINGTIME,SMALLSURPLUSANDTHEDYNAMICTRACKQUALITYFURTHERMORE,ITSWEAKNESSUNSTEADYACCURACY,WHICHCOULDBESOLVEDWITHCOMBINATIONOFPIDCONTROLTHATWECALLFUZZYPIDCONTROL,FUZZYPIDHASABETTERFLEXIBILITY,ADAPTABILITY,ACCURACYTOIMPROVETHECONTROLPERFORMANCE,AFUZZYPIDCONTROLLERISPROPOSEDTHEFUZZYCONTROLISUSEDWHENTHEERRORISLARGE,ANDTHEPIDISUSEDWHENTHEERRORISSMALLTHISINSTRUMENTADAPTSFUZZYPARAMETERCONTROLMETHODTOFURTHERPERFECTTHEPERFORMANCEOFPIDCONTROLTHISMETHODCANEXERTFUZZYCONTROLCHARACTERISTICSSUCHASHIGHROBUSTNESS,GOODDYNAMICRESPONSE,SHORTRISINGTIME,SMALLSURPLUSANDITPOSSESSESTHEDYNAMICTRACKQUALITYANDSTEADYPRECISIONOFPIDCONTROLLERKEYWORDSTEMPERATURECONTROLSINGLECHIPFUZZYPIDCONTROL上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名廖明指导教师签名罗利文日期2007年2月6日日期2007年2月6日上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。学位论文作者签名廖明日期2007年3月上海交通大学硕士学位论文1第一章前言11中国纺织工业现状纺织业在我国的国民经济发展中一直占据着重要地位，棉纱、棉布、呢绒、丝织品、化纤、服装等产量均居世界第一位，服装出口也多年来始终保持着世界第一位。随着加入WTO及改革开放以来，中国已成为全球纺织领域中最引人注目的地区之一，同时，也是中国入世后的强势产业。在未来几年我国纺织工业总产值增长保持在63以上，在2005年纺织工业的总产值将达到了1100亿元，服装成衣的总产值也将达到1000亿元左右。其中，床上用品的出口一向是我国纺织业中的重要一环，我国目前床上用品生产企业近千家，产值已超过600亿元人民币，出口量达8亿多美元。2005年，中国纺织工业纤维加工能力已经突破2000万吨大关，2004年我国人均纤维消费量66公斤，而2005年我国人均纤维消费量已经超过了10公斤，增长了50，远远超过纤维加工的增长速度。2005年是纺织品服装出口受配额限制的最后一年，我国纺织行业将继续收益于取消部分纺织品服装配额限制带来的好处，加入WTO的积极效应将进一步释放。进口关税的进一步降低以及关税配额的增加，有利于纺织企业充分利用国内外两种资源，优化原料配置，提高竞争力。2006年，世界各国取消了纺织品和服装进口配额，全球纺织品和服装贸易永远告别配额时代，全面回归自由化，进入“后配额时代”。在后配额时代，我国纺织服装行业即面临巨大的发展机遇又面临挑战，纺织服装行业进入大规模洗牌期，行业固定资产投资加快，行业产能相对过剩，国内行业竞争加剧，也必然驱动产业技术的升级，从而提升行业整体竞争力。1）2005年，中国纺织工业产能纤维加工量2690万吨，比2000年增长978，年均增长146；纱产量1440万吨，增长1182，年均增长169；化学纤维产量1629万吨，增长1342，年均增长186；我国化纤、纱、布、呢绒、丝织品、服装等产量均居世界第一位，纤维加工量占全球比重由2000年的25提高到2004年的36，继续保持世界最大的纺织品服装生产国的地位。2）中国纤维消费及需求中国作为世界上最大的纺织服装产业及纤维消费市场、最大的纺织服装出口国，现在中国人均纤维消费达13公斤，是全球衣着纤维消费的最大市场。中国人均纤维消费量是世上海交通大学硕士学位论文2界人均纤维消费量为109公斤的13倍。中国纺织行业“十一五”规划预计中国纤维消费量年均增长67，到2010年将达到18公斤。随着“十一五”中国城镇化建设加快，中国家用纺织品需求总量将大幅增长；同时随着中国汽车、建筑、卫生、水利、农业、交通、能源等相关产业的发展，必将带动产业用纺织品消费的不断增长，预计到2010年中国产业用纺织品纤维消费量将比2005年增加200多万吨。3）中国“十一五”发展目标4中国纺织品服装出口能力中国纺织工业目前的出口份额已占世界的24。2005年中国出口纺织品服装达1175亿美元，其中加工贸易已降到了总出口额的26；中国从纱线、面料到服装成品全是中国造的已经占到将近3/4。据中国海关统计，2005年全年，我国纺织品和服装进出口总值为134634亿美元，比2004年增长1790，占全国外贸进出口总值的947。我国纺织品和服装出口总值是117535亿美元，比2004年增长2069，占全国外贸出口总值的1542，其中，纺织品出口金额是43969亿美元，比2004年增长2293；服装出口金额是73566亿美元，比2004年增长1940。2005年全年我国纺织品和服装进口总值为17099亿美元，比2004年增长176，占全国外贸进口总值的259。其中纺织品进口金额为15490亿美元，同比增长142；服装进口金额为1609亿美元，比2004年增长508。2005年全年纺织品服装实现贸易顺差100436亿美元。12纺织机械的发展纺织工业包括纺织业、服装业、化纤业和纺织机械业，是我国重要的产业之一。长期以来，在满足人民衣着消费、增加社会就业、扩大出口创汇、积累建设资金和为相关产业配套等方面发挥了重要的作用。从建国初期开始，我国的纺织机械制造企业作为为整个纺织工业提供设备及器材的供应商，伴随我国纺织工业的成长，获得了长足的发展。改革开放以来，纺机企业加大了产业升上海交通大学硕士学位论文3级和产品结构调整的力度，特别是“八五”、“九五”期间，通过引进技术、消化吸收和自主开发，国产纺机水平已大大提高，为纺织工业的发展提供了一大批新产品，其中棉纺成套设备、涤纶长丝成套设备、部分丝绸设备以及印染和后整理设备等均已接近世界先进水平。1993年和1994年是我国纺机产品销售水平较高的年份，销售收入均超过120亿元。但随后几年，受纺织工业发展陷入困境和压锭调整的影响，纺机行业运行开始持续不景气。1998年是纺机行业建国以来形势最严峻的一年。但从1999年下半年开始，随着纺织工业经济效益的大幅度提升，国内纺机企业的生产与销售状况发生剧变，多家企业各项经济指标呈明显的恢复性增长。进入2000年，纺机企业的发展迎来了春天，棉纺织设备、针织设备、麻纺织设备、丝绸机械设备等产量实现大幅增长。此后，随着亚洲成为纺织工业的重点地区以及我国成为世界纺织机械市场的最大买家，再加上我国加入WTO，外资企业纷纷进入我国纺机行业。目前，我国纺机行业已由单一的经济转向了多元化所有制体制，民营企业成为该行业最主要的力量。到2010年，我国纺织机械制造业为国内纺织企业提供的主要技术装备中，将有三分之一以上达到同期世界先进水平。其中，化纤、棉纺和非织造布设备50以上将达到世界先进水平，源于自主开发的产品将占50以上。这是有关专家近日给出的预测。在国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见将新型纺织机械作为振兴装备制造业的16个重大项目之一予以支持，国家科技部将纺织机械行业列为“十一五”重点支持的行业之后，近日国家发改委联合财政部、商务部又推出了促进我国纺织行业转变外贸增长方式，支持纺织企业“走出去”相关政策，对纺织关键技术、装备的研发创新，行业公共服务平台建设和自主品牌建设给予重点支持。这些都为纺织机械制造业的发展提供了巨大空间，业内专家也据此对未来我国纺织机械的发展水平进行了上述预测。中国纺织机械器材工业协会副理事长祝宪民表示，围绕纺织工业“十一五”发展纲要和纺织工业科技进步发展纲要，我国纺织机械制造业将以大容量、连续化、高性能、多功能、成套性为特征的化纤机械，以数字化单机、车间级自动化和车间、企业信息化系统工程为标志的数字化纺织机械，以安全、节能、环保型为标志的绿色纺织机械为重点，通过大容量化纤机械、数字化纺织机械和绿色纺织机械产品的实施，推进纺织机械制造加工技术水平的提高，进而推进纺织机械产品质量和可靠性，行业、企业技术进步以及自主创新能力的提高。此外，“十一五”期间，纺织机械制造业研发经费投入占销售收入的比例将提高到3左右，重点企业提高到5左右；逐年提高企业自主研发成果和专利数量，加大知识产权保护上海交通大学硕士学位论文4力度；加快自主创新型人才的培养，轮训科技人员，提高技能型人才比例；努力建设各种类型研发、工程试验中心和基地，加快纺织机械国家级技术中心的创建。业内专家同时预测，到2010年，受纺织机械升级的推动，我国纺织机械工业新产品产值率将由2005年的25提高到2010年的50；纺织机械产品的出口额将占到同期产值的30以上；纺织机械工业装备全行业数控化率将达到10以上，其中骨干重点企业将达到1520；主要纺织机械产品的关键零件、新型专用基础件的精加工工序能力指数将达到1125。由近几年我国纺织设备进口情况看，2000年后随着我国加入WTO的利好影响，尤其是刚刚经过压锭改造以后，纺织行业对设备的需求非常旺盛，我国纺织企业进口纺织机械设备一路攀升。但自2004年下半年开始，受到国家宏观调控的影响，我国纺织行业对纺织设备的需求受到抑制，使得我国纺织设备进口大幅下降。今年以来我国纺织设备进口又有小幅增长趋势，进入平稳上升阶段，主要原因是国产设备对进口产品替代效应增强，企业对进口纺机需求有所下降。要分析清我国纺织机械进口趋势变化的情况，我们需要搞清楚整个纺织机械行业的发展情况，以及与我国纺织行业发展的关系。近年来我国纺织行业发展迅速，其中纺织机械行业的技术进步和发展对纺织业的支撑作用不可忽视。从我国纺织机械行业发展来看，与我国纺织行业的发展有极强的相关性，其生产和销售受纺织行业的市场变化等因素的影响较为明显。纺织机械工业总产值增长速度和纺织工业总产值增长趋势惊人的一致，从总体趋势来看近几年两者都是不断增长。这说明纺织设备制造业的发展和纺织工业具有极强的相关性，两者是一种互相促进关系，纺机工业的不断发展是依赖于纺织工业的发展带来的市场需求，而纺织工业的发展有赖于纺机工业的不断进步。13课题的意义和应用前景上文中，我们已经提到，在十一五期间，我们国家对纺织机械的发展是很重视的，这是因为纺织行业本身在我们国家就是一个很重要的行业，为了加强自身的竞争里，减少国外先进技术的冲击，以及成本的降低，我们必须有自己的研发能力，而不只是依赖进口，而我国纺织机械的现状还是比较落后的。所以我们的课题研究是有其积极意义的。在纺织工业中，拉丝是一项很重要的工艺，因为丝是纺织工业的基本原料，现代服装工业以及工业面料的多重多样，就是由各种不同的丝构成的，例如，棉丝，化纤，羊毛等等。上海交通大学硕士学位论文5尤其在制作高档服装面料的时候，价格的一部分体现就是由高档面料体现出来的，我们国家的服装价格之所以在国际上档次不高，面料是很重要的一个原因。那么拉丝的工艺就是非常重要的了。上海交通大学硕士学位论文6第二章系统应用理论21模糊控制211模糊控制的基本概述传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型如微分方程、传递函数或状态方程的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊（FUZZY）控制是以模糊集合论、模糊数学、模糊语言形式的知识表示和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。其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授扎德（LAZADEH）首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功。模糊控制不依赖于被控对象的数学模型，而是在总结操作经验的基础上实现自动控制的一种手段。它根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。其组成核心是具有智能性的模糊控制器，即根据模糊数学的理论和方法，将操作人员的调整经验和技术知识总结成为IF（条件）THEN（结果）形式的模糊规则，并把这些模糊规则及相关信息参数存入计算机中进行控制。这也是它与一般的PID在原理和方法上完全不同之处。模糊控制是经典控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制，其中包括智能机器人系统、复杂工业过程控制系统、航空航天控制系统、交通运输系统、汽车驾驶、电梯群控等。实现对生产过程的多模态复合智能控制，其目的是提高系统的鲁棒性、容错性和解决具有严重的非线性和不确定系统的控制问题。模糊控制系统包括由模糊量化处理、模糊控制规则、模糊决策、非模糊化处理环节组成的模糊控制器。模糊控制具有的突出特点1模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。上海交通大学硕士学位论文72由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。3基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。4模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。5模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。22模糊控制方法的研究现状FUZZYPID复合控制FUZZYPID复合控制指的是模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制方法。这种控制方法常见的一种是FUZZYPID双模控制形式。这种改进的控制方法的出发点主要是因为模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而PID调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除误差作用。因此把模糊控制和PID调节器相结合以增加稳态控制性能。当用常规PID控制无法满足控制精度且系统稳定性差时，可引入智能积分FUZZY控制器来提高系统动态精度。参数自整定模糊控制参数自整定模糊控制根据控制系统的性能来在线地整定比例因子K1、K2和KI，使它们保持合适的数值，从而使系统的性能达到令人满意的水平。这种控制方法较之常规的固定比例因子的模糊控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正，使得在被控对象特性变化或扰动情况下，控制系统保持较好的性能。参数自整定模糊控制比常规的模糊控制系统FCS增加了两个功能模块，一个是系统的性能测量模块，它由系统误差E，误差变化率EC等计算出表征系统性能指标的数据一个是比例因子调整功能模块，它用一套调整算法在线调整比例因子。模型参考自适应模糊控制利用参考模型输出与控制作用下系统输出间的偏差来修正模糊控制器的输出，包括比例因子、解模糊策略、模糊控制规则等。上海交通大学硕士学位论文8自组织模糊控制将参考模型和自组织机制相结合，它能自动的对模糊控制规则进行修改、改进和完善，以提高控制系统的性能。自组织模糊控制系统比一般的模糊控制器增加了三个环节性能测量环节、控制量校正环节和控制规则修正环节。性能测量环节用于测量实际输出特性与希望特性的偏差，以确定输出响应的校正量。控制量校正环节将输出响应的校正量转换为对控制量的校正量。控制规则修正环节修改模糊控制器的控制规则，这样也就实现了对控制量的校正。专家模糊控制专家模糊控制器EFCEXPERTFUZZYCONTROLLER由RMTONG提出，1984年他发表了关于模糊控制系统展望的论文，首先提出这一新概念。专家模糊控制系统是由专家系统技术和模糊控制技术相结合的产物。把专家系统技术引入了模糊控制之中，目的是进一步提高模糊控制器的智能水平。专家模糊控制保持了基于规则的方法的价值和用模糊集处理带来的灵活性，同时把专家系统技术的表达，利用知识的长处结合进来。专家系统技术考虑了更多方面的问题，如是什么组成知识，如何组织、如何表达、如何应用知识。专家系统方法重视知识的多层次及分类的需要，以及利用这些知识进行推理的计算机组织。模糊控制展望模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决其中两个重要的问题是如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行以及如何保证模糊系统的稳定性。大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要方向为1适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。2模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。3模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等。4模糊动态模型的辨识方法。5模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。6神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。7模糊控制算法改进的研究由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念和原则然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。上海交通大学硕士学位论文9221模糊PID控制技术在国内外的发展现状模糊理论自它诞生以来便显示了强大的生命力。1974年英国的马旦尼EHMAMDAN首次提出将模糊控制理论应用于热电厂的蒸汽机控制1976年英国的汤哥RTONG写出了第一本理论性模糊控制方面的论文。之后，美国、日本、英国先后将模糊控制理论应用于机器人、航天、生产过程等领域。此后模糊控制技术进入应用深入化、硬件专门化的时期，模糊控制取得了丰硕的成果。在日本80年代，安信诚一、宫本捷二、井广原一，在日本首次把模糊控制应用于工程实际，即基于模糊控制的列车定位停止控制。日本三菱电气公司生产的AJ2100电梯群控系统采用了模糊控制，减少了1520的平均等待时间和3040的长等时间。事实表明日本的模糊控制从理论到应用都位于世界的前列。从1991年到现在日本在神经元模糊学习算法和自组织模糊控制系统等有了新的成果。日本松下电器公司于1990年推出了“爱妻”模糊全自动洗衣机，耗电380W，效果很好日本三洋公司还把模糊控制应用到电视摄像机、空调机、压力电子炉、电饭锅、机器人控制系统中，均取得了满意的效果。在美国1988年5月在美国德州休斯顿NASA约翰顿航天中心召开的第一届神经网络和模糊逻辑应用技术研讨会，这预示了美国政府对模糊控制技术开始重视，在1992年，HEE神经网络协会NNC发起召开第一届IEEE模糊控制系统的国际会议，1993年在美国IEEE神经网络协会新创办了国际性模糊逻辑专业杂志模糊控制季刊，有力的促进并将继续推动模糊逻辑技术的发展。美国国防部除了休斯顿的约翰顿宇航飞行中心，把模糊逻辑应用于机器人控制和图象处理，另外尚在研究把模糊逻辑应用于双臂机器人组装空间站自动控制、碰撞控制、轨道生成系统。加州斯坦福大学的扎德教授是模糊理论的一创始人南加州大学考斯特BARTKOSKO教授提出模糊认知图、模糊联想记忆FAM等新概念佛罗里达州大学有康唐尔为首的一批研究员在图象模糊识别和模糊数据库方面的研究取得了较大的进展。西佛罗里达州大学由于1993年1月创刊的IEEE模糊系统杂志创始人和主编LC，贝兹德克博士在该校的计算机科学系任职而出名杜克大学的玛利诺斯教授在1967年就提出了用通用数字逻辑“与”、“或”门来组成模糊逻，辑运算电路的方法北卡罗来纳州立大学的杜边博上海交通大学硕士学位论文10士和后来在加州成立第一个模糊技术专业公司的户贝方规博士在1985年曾经在这里研究并开发出数字电路的模糊推理芯片。早在70年代中期，我国就开始了模糊控制的研究和应用，目前，我国科学家在国内外的专业刊物上发表了上千篇研究学术论文，出版了10余部专著。现任国际模糊系统协会副主席的北师大汪培庄教授及其同事们研究的主要理论有模糊落影理论，因素空间，真值流理论等，并在模糊理论用于地膜生产、诊断型专家系统以及开发工业等方面取得了一批成果。1979年开始用连续数学仿真方法研究了典型模糊控制器的性能，随后，一些高校及科研单位从不同角度对模糊控制从理论到应用进行了全面的探讨。中科院半导体研究所成功的研制出基于多元逻辑的集成电路，并依此为基础构成了模糊控制器。此外，还涌现了有关的新型PIDFUZZY控制器，预报式模糊控制器，自动修正因子FUZZY控制器，自寻优模糊控制器以及多回路智能模糊控制器等研究论文和应用实例。在医药生产、医疗诊断、气象、冶金、化工等行业，模糊控制也取得了实用性的成果。23本文应用的模糊控制与PID控制原理231模糊PID原理在温度控制研究方面的目的和意义现代化的工业生产过程中，许多被控对象出于其本身受干扰的因素多，因而对象的时变性和非线性等差异很大，所以其数学模型的很难建立以至于用现代控制理论对这类复杂被控制对象进行分析和综合都非常困难。目前特别是在化工、冶金、工业炉窖、锅炉过程控制中，众多的控制过程如温度、流量、压力等基本上仍然应用着PID类型的控制单元，虽然未来的控制技术应用领域会越来越广、被控对象也会越来越复杂，相应的使用的控制技术也会越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中的不可或缺的单元在工业控制中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。其中，有的参数未知或变化缓慢有的存在滞后和随机干扰有的无法获得精确的数学模型。模糊控制器是近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而通过把专家的经验或操作人员长期积累的经验总结成若干规则，形成决策表，然后由该表来决定控制量的大小。通过采用简便、快捷、灵活的手段来完成那些经典或现代控制手段难以完成的自动化和智能化的目标。传统PID广泛应用于工业过程控制中，具有算法简单、可靠性高、稳态误差小等优点，但是PID参数整定比较困难，即使当时整定好了，但被控制系统由于外界干扰或人为调上海交通大学硕士学位论文11整等原因改变了则控制效果将不太理想。将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。这种FUZZYPID复合型控制器，能在复杂的工业环境下具有适应能力强、反应快、鲁棒性好、稳态误差小、抗干扰能力强等优点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。模糊控制是智能控制的一个重要分支之一。建立一套完善的、系统的模糊控制理论以解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统化设计方法、新型自适应模糊控制系统、神经模糊控制系统的分析和设计等一系列问题以促进模糊控制的发展。同时，把己经取得的理论研究成果尽快应用。模糊控制的基本原理图如图21所示。它的核心部分为模糊控制器，如图21中方框部分所示，模糊控制器的控制规律由计算机的程序来实现。实现一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E是一个模糊矢量，再由和模糊控制规则R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UUER21A/D计算控制变量模糊量化规则模糊控制规则模糊决策非模糊化处理D/A执行机构被控对象传感器模糊控制器图21模糊控制原理框图上海交通大学硕士学位论文12232模糊控制的系统模型模糊控制系统模型一般由四个部分组成，1、模糊控制器实际上是一台微型计算机，根据控制系统的需要，可选用通用计算机也可选用单片机。2、输入输出接口装置模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过模糊化，将其转化为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。3、广义对象包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性的和非线形的、定常或时变的，也可以是单变量或多变量、有时滞的以及有强干扰的多种情况。当被控对象缺乏精确的数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排除有较精确数学模型的被控对象采用模糊控制的方案。4、传感器传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换成为电压信号的一类装置。被控制量往往都是非电量，如温度、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整个控制系统的精度。233模糊控制器由图22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FUZZYCONTROLFC也称为模糊逻辑控制器FUZZYLOGICCONTROLLERFLC，由于其所采用的模糊控制规则是模糊理论中的模糊语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言控制器，故也称为模糊语言控制器。上海交通大学硕士学位论文13数据库规则库知识库推理机模糊化接口解模糊化接口数据库规则库知识库推理机模糊化接口解模糊化接口输入输出图22模糊控制器的组成框图1、模糊化接口FUZZYINTERFACE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成为一个模糊矢量。对于一个模糊输入量E，其模糊子集通常可以作如下划分1E负大，负小，零，正小，正大NB,NS,Z0,PS,PB2E负大，负中，负小，零，正小，正中，正大NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB3E负大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB2、知识库KNOWLEDGEBASEKB由数据库和规则库两部分组成。1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规则库模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作人员的长期积累的经验，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关系词连接而成，如IFTHEN，ELSE，ALSO，AND，OR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IFTHEN，ALSO，对于多变量模糊控制系统，还有AND等。例如，某模糊控制系统输入量为E误差和EC误差变化，它们的对应的语言变量为E和EC，可给出一组模糊规则R1IFEISNBANDECISNBTHENUISPB上海交通大学硕士学位论文14R2IFEISN8ANDECISNSTHENUISPM通常把IF二部分称为“前提部”，而THECA二部分称为“结论部”，其基本结构可归纳为IFAANDBTHENC，其中A为论域U上的一个子集。根据人工的控制经验，可离散组织其控制决策表R，R是笛卡儿乘积UXV上的一个模糊子集，则某一时刻其控制量由下式给出CABR22式中，模糊直积运算模糊合成运算。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。推理与解模糊接口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。最基本的有ZADEH近似推理，它包含有正向推理和逆向推理两类。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。推理结果的获得，表示模糊控制的规则功能已经完成。但是，至此所获得的结果仍然是一个模糊矢量，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。234模糊控制器结构在确定性控制系统研究中，根据输入变量和输出变量的个数，可以分为单变量控制系统和多变量控制系统。在模糊控制系统中，也可类似的分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。单变量模糊控制器在单变量模糊控制器中，将其输入变量的个数定义为模糊控制器的维数。一维模糊控制器的输入变量往往选择为受控量和输入给定的误差量E。由于仅仅采用偏差值，很难反映受控过程的动态特性品质，因此，所能获得的系统动态性能不能令人满意。这种一维控制器往往被用于一阶被控对象。二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的误差量E和误差变化量EC，由于它们能够较严格的反映受控过程中输出变量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，也是目前采用比较广泛的一类。这种控制器结构简单、使上海交通大学硕士学位论文15用方便，是最基本的一种形式。下面本文就以单变量二维模糊控制器为例，阐述模糊控制器的设计步骤，其设计思想是设计其它模糊控制器的基础。24模糊控制器的设计模糊控制器是以语言变量作为其输入输出变量以模糊条件语句作为模糊控制规则，进行模糊逻辑处理后将模糊信息精确化输出到执行机构从而达到控制被控对象的目的。其最简单的实现方法是将一系列模糊控制规则离散化为一个查询表，存储在计算机中，供在线控制时使用。EKEECKET模糊控制规则模糊切换驱动电路执行部件温度传感PID控制规则RE图23模糊PID控制系统框图241确定模糊控制器的结构如前所述，单变量二维模糊控制器是最常见的结构形式。对误差变量E，误差变化量EC和控制量U的模糊集及其论域定义如下EC和U的模糊集均为NB，NM，NS，O，PS，PM，PBE的模糊集为NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PBE和EC的论域均为6，5，4，3，2，10，1，2，3，4，5，6U的论域为7，6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6，7上海交通大学硕士学位论文16上述的误差模糊集选取八个元素，区分了NO和PO，主要是着眼于提高稳态精度。242建立模糊控制规则根据人的直觉思维推理，由系统输出的误差及误差的变化趋势来消除系统误差的模糊控制规则，可以由以下21条模糊条件语句来描述。1IFENBORNMANDECNBORNMTHENUPBOR2IFENBORNMANDECPSOROTHENUPBOR3IFENBORNMANDECPSTHEN。UPMOR4IFENBORNMANDECPMORPBTHENUOOR5IFENSANDECNBORNMTHENUPMOR6IFENSANDNMANDECNSOROTHENUPMOR7IFENSANDECPSTHENUOOR8IFENSANDECPMORPBTHENUNSOR9IFENOORPOANDECNBORNMTHENUPMOR10IFENOORPOANDECNSTHENUPSOR1LIFENOORPOANDECZOTHENUOOR12IFENOORPOANDECPSTHENUNSOR上海交通大学硕士学位论文1713IFENOORPOANDECPMORPBTHENUNMOR14IFEPSORECNBORNMTHENUPSOR15IFEPSANDECNSTHENUOORI6IFEPSANDECOORPSTHENUNMOR17IFEPSANDECPMORPBTHENUNMOR18IFEPMORPBANDECNBORNMTHENUOOR19IFEPMORPBANDECNSTHENUNMOR20IFEPMORPBANDECOORPSTHENUNBOR21IFEPMORPBANDECPMORPBTHENUNB上述的条件语句构成了描述的众多被控过程的模糊模型，因此在条件语句中，误差E、误差变化EC及被控量U对于不同的被控对象有着不同的意义。CENBNMNSOPSPMPBUENBPBPBPBPBPMOONMPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMONSNSNOPMPMPMONSNMNMPOPMPMPMONSNMNMPSPSPSONMNMNMNMPMOONMNBNBNBNBPBOONMNBNBNBNB表21模糊规则表上海交通大学硕士学位论文18243确定模糊变量的赋值表模糊变量误差E、误差变化EC和控制量U的模糊集和论域确定后，须对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，模糊变量E，EC及U的赋值如下表所示。E65432100123456UEPB0000000000010411PM0000000000207110PS00000000030810500PO0000000006010000NO00000110000000NS000111030000000NM020711000000000NB108000000000000EC6543210123456UECPB0000000000104081PM00000000020710702PS0000000091070200O000000510500000NS0002071090000000NM02071070200000000NB10804010100000000U6543210123456UUPB0000000000104081PM00000000020710702PS0000000108040100O000000510500000NS0001040810000000NM00207107020000000NB10804010100000000表22模糊变量E，EC，U的赋值表上海交通大学硕士学位论文19244精确量的模糊化论域、量化因子和比例因子2441论域及基本论域我们把模糊控制器的输入变量误差、误差变化的实际范围称为这些变量的基本论域，显然基本论域内的量为精确量。设误差的基本论域为EEXX,，误差变化的基本论域为EEXX,被控对象实际所要求的控制量的变化范围，称为模糊控制器输出变量控制量的基本论域，设为UUYY,。控制量的基本论域内的量也是精确量。设变量所取的模糊子集的论域为N，NL，。，0，。N1，N误差变化变量所取的模糊子集的论域为M，M1，。，0，ML，M控制量所取的模糊子集的论域为L，LL，0，L1，L一般选误差论域N6，误差变化论域M6，控制量论域L7。这是因为语言变量的集多半为七个，这样能满足模糊集论域中所含的元素个数为模糊语言词集总数的两倍以上，从而确保诸模糊集能较好的覆盖论域，避免出现失控现象。量化因子和比例因子当由计算机实现模糊控制算法进行模糊控制时，每次采样得到的被控量需经计算机计算，便得到模糊控制器的输入变量误差及误差变化。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，这中间需将输入变量乘以相应的因子，这就是量化因子的概念。误差的量化因子EK。及误差变化的量化因子ETK。分别由式23来确定EKN/EX，ETKM/EX23量化因子EK。使得误差实现了从基本论域变换到模糊集论域的作用，即由基本论域中的任意一点通过量化因子映射到模糊集论域中最相近的整数点。对于量化因子ETK的作用也是如此。此外，每次采样经模糊算法给出的控制量精确量还不能直接控制被控对象，还必须将其转换到控制对象所能接受的基本论域中。控制量的比例因子UK由式24确定，即上海交通大学硕士学位论文20UUYK/L24由于控制量的基本论域为一连续的实数域，所以，从控制量的模糊集论域到基本论域的变换，可以通过式25来计算。JUULKY25合理的选者模糊控制器的输入变量的量化因子和输出变量的比例因子是非常重要的。量化因子的大小对控制系统的动态性能影响很大。EK选得较大时，系统的超调也较大，过渡时间较长。EK选得较大时，超调量减小，但是系统的响应速度变慢。此外输出比例因子UK选得较大时，会导致系统振荡，而选择过小，会使系统的动态响应过程变长。2442模糊化方法将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化，模糊化常用的两种方法第一种方法是将精确量离散化，如把在6，十6之间变化的连续量分为七个档次，每个档次对应一个模糊集，这样处理使模糊化过程简单。如表二所示，在一6，十6区间的离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量建立了关系，第二种方法时将在模区间的精确量X模糊化成这样一个模糊子集，它在点X处的隶属函数为1，除了X点外其余各点的隶属度均为O3。模糊推理与模糊判决在模糊控制原理图中，对建立的模糊控制规则要经过模糊推理才能决策出控制变量的一个模糊子集，它是一个模糊量不能直接控制被控对象，还需要采用合适的方法将模糊量转化为精确量，把模糊量转化为精确量的过程称为模糊判决。模糊推理及其模糊判决有多种方法1MILTMAX重心法2模糊加权型推理法3最大隶属度法245基本模糊查询表的建立如果已知系统误差E，为论域E6,6中的一个元素，误差变化EC，为论域EC6，6中的一个元素。那么根据系统的控制规则所决定的模糊关系R，应用推理合成规则计算出在E和EC情况时反映控制量变化的模糊集合U。然后采用适当的方法对其进行模糊判决，由控制量U的论域6，6可获得最终加到被控对象的实际控制量的精确值。对论域E,EC中全部元素的所有组合，计算出相应的控制量的精确值。写成矩阵形式就构成了模糊查询表。上海交通大学硕士学位论文21EC6543210123456UE6656566331000155555555331000465656663310003555555521011123334333000111133343310002220333411001133303334100111333122220011113332111102333233330001225555555400013366656555000133555555560001336665656表23模糊查询表为实现基本模糊控制器的控制作用，一般的做法是将上述查询表存放到计算机中，于是在过程控制中，计算机直接根据采样和论域变换得来的以论域元素形式表现的E和EC的值，通过查询表得出相应的控制量的值，加到控制过程上。一般情况下，查询表是通过实现离线计算出来的，一旦将其存放到计算机中，在实时控制过程中，实现模糊控制的过程便转化成计算量不大的查找查询表的过程。因此，尽管在离线情况下完成模糊控制算法的计算量很大且费时，但是以查询表形式实现的模糊控制却有良好的实时性。上海交通大学硕士学位论文22第三章硬件结构3189S52单片机MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而80