新型模糊PID温度控制器

1、复旦大学硕士学位论文新型模糊PID温度控制器姓名：国成林申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：吴百锋20070519论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。作者签名：脚论文使用授权声明日期：！竺！：本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密

2、后遵守此规定。作者签名：塾苎。丝导师签名：日期：【摘要】第页摘要随着控制技术的不断发展，高抗干扰、高灵敏度的自动控制技术越来越受到社会的广泛关注。尤其是在温度控制领域，一方面，经典的控制器以其高稳定性、高可靠性、结构简单、调整方便等优点而得到最广泛的使用。另一方面，由于模糊控制技术不需要对象的精确模型，对参数漂移的鲁棒性强，因此越来越受人瞩目。二十世纪八十年代以来，模糊控制技术的应用首先在日本、美国等国家出现，进而获得了广泛的推广，取得了良好的效果。目前，在温度自动控制领域，模糊控制技术也毫无疑问有着至关重要的地位。然而，在稳定性的判别、隶属函数的确定、模糊规则的确立、采样时间的最优化等方面，

3、模糊控制技术还需要进一步的研究和完善，特别是如何与其他先进智能控制方法或传统控制方法相结合，取长补短，从而形成最佳的控制策略，是目前国内外许多学者研究的方向。本文介绍了一种新型温度控制器，它主要采用模糊控制与控制算法相结合的设计优化了控制策略。本文的工作主要分为两个部分。在理论部分。首先介绍了模糊控制技术的基本原理和构成方式，接下来描述了设计一个模糊控制器所应该考虑的各方面的理论问题，最后给出了基本的模糊控制器的数学模型。在此基础上，本文进一步对基本的模糊温度控制器进行优化。为了兼顾控制算法和技术各自的优点，首先要考虑对模糊控制器的输入量进行修正，然后讨论了控制的时间最优性。接下来，本文通过对

4、控制器硬件原理图的介绍，解释了控制器硬件电路工作原理。最后给出了线路板的设计思想和软件结构并实际制作了新型模糊温度控制器的样机。该样机的实物图在第四章中给出。在完成了模糊温度控制器的样机制作以后，本文设计了一个单闭环温度调节系统，对所制作的温度控制器样机行了实际测量，绘制了在阶跃扰动下和白噪声干扰下对应的各种控制曲线，给出了实测数据，同时对数据进行了分析，证实了该设计比传统温度控制器优越的各种性能指标。最后，本文对采用模糊算法的温度控制器的研究做出了展望。关键词：，模糊控制，温度控制器第页，科，：，【第一章引言】第页第一章引言本章介绍温度控制器的应用、发展过程以及现状，并给出本论文的结构安排和

5、内容概述。第一节温度控制器简介温度控制的基本理论自动控制技术是研究自动控制共同规律的技术科学，是衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。随着生产和科学的进步，以反馈理论为基础的自动调节技术逐渐发展成为一门独立的学科控制论。根据研究对象的不同，控制论又可以划分为工程控制论、生物控制论和经济控制论三个子类。主要研究自动控制系统中的信息变换和传送的一般理论及其在工程设计中的应用的理论总称为工程控制论。其中，自动控制原理是工程控制论很重要的一个分支，是研究控制系统分析和设计的一般理论。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制原理又可以相应分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论是指二十世纪五

6、十年代末所形成的控制理论体系，它主要是研究单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题，其理论基础是描述系统输入和输出关系的传递函数。多年来，经典控制理论已经在各种工程实践中得到了广泛而成功的应用。现代控制理论是指在二十世纪六十年代初期，为适应宇航技术发展的需要而产生和发展的新理论。它的发展很大程度上得益于现代应用数学的研究和电子计算机的应用。目前现代控制理论正在向着大系统理论和人工智能理论等方面深入发展。现代控制理论主要是研究具有高性能、高精度的多输入多输出、变参数系统的分析和设计问题，如最优控制、最优滤波、自适应控制等。描述系统的方法是基于系统状态这一内部特征量的状态空间法。值得指出的是，现代

7、控制理论的发展虽然解决了很多经典控制理论所不能解决的许多理论问题和工程问题，但这绝不意味着经典控制理论已经过时。相反，由于经典控制理论便于实际工程应用，今后还将继续发挥其理论指导作用，而现代控制理论则可以补其不足。两者相辅相成，才能不断推动自动控制理论和应用的发展。【】【】温度自动控制技术是自动控制技术研究的一个重要方面，是经典控制理论和现代控制理论研究的重点。温度控制系统基本上可以分成开环和闭环系统两类。开环温度控制系统（）开环温度控制系统是指被控温度对象的输出（被控制量）对温度控制器【第一章引言】第页）的输出没有影响的温度控制系统。在这种温度控制系统中，不将被控量作为温度控制器的输出。闭环

8、温度控制系统（）闭环温度控制系统的特点是系统被控温度对象的输出（被控制量）会反送回来，并根据此输出来进一步改善温度控制器的输出，形成一个或多个封闭环路的温度控制系统。闭环控制系统又可分为正反馈和负反馈两类。若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（）系统，若极性相同，则称为正反馈系统。一般闭环温度控制系统均是负反馈系统，又称负反馈温度控制系统。本文所设计新型模糊温度控制器就是一个闭环控制系统。温度控制器的发展及现状进入二十一世纪以后，现代温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等方向迅速发展。提高温度控制器测温精

9、度和分辨力最早在二十世纪九十年代中期开发出来的智能温度控制器，采用的是八位转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到。当前，国内外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是位转换器，分辨力一般可达。为了提高多通道智能温控器的测温精度，硬件上多采用先进的转换器，例如采用高速逐次逼近式转换器。增加温度控制器的功能现代新型温度控制器的新功能也在不断增强，例如测试功能等等。采用型单线智能温度传感器就增加了实时日历时钟（），使其功能更加完善。型温度传感器还增加了存储功能，利用芯片内部字节的存储器，甚至还可存储用户的短信息。另外，现代温度控制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温

10、度测控系统创造了良好的基础条件。现代新型温度控制器一般都具有多种工作模式可供用户选择，例如单次转换模式、连续转抉模式和待机模式等等，有的温度控制器还增加了低温极限扩展模式，工作模式的选择操作都非常简单。对某些现代温度控制器而言，主机（指外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其转换速率，分辨力及最大转换时间。总线技术的标准化与规范化目前，现代新型温度控制器的温度传感器的总线技术也基本上实现了标准化和规范化，所采用的总线主要有单线（）总线、（）总【第一章引言】第页线、（）总线和（）总线。采用的温度传感器可以通过专用的总线接口同主机进行通信。安全性和可靠性设计传统的温控转换器一般采用积分式

11、或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。而现代新型温度控制器则普遍采用了高性能的一式转换器，它能够以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。一式转换器不仅能够滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求不高。由于采用了数字反馈方式，因此无论是比较器的失调电压还是零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种新型温度控制器兼具有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。【为了避免在温度控制器系统受到噪声干扰时产生误动作，在、等现代新型温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队（）”计数器

12、，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度出现连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数（一般值为）的情况下，才会触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定计数器的值被设置为时，偶然受到一次或两次的噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。（），即符合先进配置与电源接口规范的温度控制系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控及主电路的温度，一旦或主电路的温度超出所设定的上、下限时，可以通过硬件产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。此外，当温度超过的极限温度时也能直接关断主电源，

13、并且该端还可通过独立的硬件电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计新型温度控制系统的新观念。为防止因静电放电（）而损坏芯片。一些现代新型温度控制器还增加了保护电路，一般可承受的静电放电电压。通常人体等效于由电容和欧姆电阻串联而成的电路模型，当静电放电时，型智能温度传感器的串行接口端、中断、比较器信号输出端和地址输入端通常可以承受高达的静电放电电压。【】虚拟温度控制器虚拟温度控制器是基于温度控制器硬件和计算机平台，并通过软件开发而实现的新型温度控制器。利用软件可完成温度控制器的标定及校准，以实现最佳的性能指标。使用时，传感器可以通过数据采集器按至计算机，首先从

14、计算机输入该传感器的产品序列号，再从磁盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。网络温度控制器网络温度控制器是包含数字传感器、网络接口和微处理单元的新一代智能温度控制器。它通过数字传感器，首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器作数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享。同时，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到即插即用（），这样就极大地方便了用户。单片测温控制系统单片系统（，）是二十一世纪的高新科技新秀。它是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达子系统片，这将给产

15、业及应用带来划时代的进步。半导体工业协会（）对单片系统集成所作的预测见表。目前，国际上一些著名的厂家已开始研制单片测温系统，有些已经投入使用。【】芷年笠最小线宽（）包含晶体管数量片成本（晶体管）芯片尺寸（）电源电压（）芯片数表单片温度控制系统集成电路发展预测温度控制器的工作原理反馈是自动控制理论最重要的概念之一。现代自动控制技术基本上都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。即用测量得到的数据同期望值进行比较，用比较的结果来调节控制系统的响应，进而获得更好的控制效果。因此反馈自动控制理论应用的关键就是：做出正确的测量和比较后，如何才能更好地调节系统的响应。（比例积分微分

16、）控制器就是采用比例、积分、微分的关系来调节系统响应的自动控制器。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称控制，又称调节。控制器问世至今已有近八十年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控温度对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定。控制，实际中也有和控制这两种。【控制器由比例单元（）、积分单元（）和微分单元（）组成。比例（）环节根据偏差两成比例调节系统控制量，减少偏差。此环节的作用是加快系统的响应速度。比例系数越大，系统响

17、应速度越快，系统调节精度越高，但是同时也容易产生超调，甚至会导致系统的不稳定。比例系数如果过小，会减慢系统的响应速度，降低系统调节精度，调节时间交长，系统特性变坏。积分（）环节在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分环节。积分环节对误差的处理取决于时间的积分，随着时间的增加，积分环节会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例积分（）控制器，可以使系统在进入

18、稳态后无稳态误差。微分（）环节在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入比例控制环节往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而微分环节的作用则是可以预测误差变化的趋势，这样，具有比例和微分环节的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以

19、对有较大惯性或滞后的被控温度对象。比例微分（）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。控制器的特点控制器的传递函数为：等去毋）扑，【第一章引言】第页需要指出的是，在很多实际应用中，控制器并不一定具有全部的三个单元。可以根据实际情况设置其中一个或两个单元，但比例控制单元通常是必不可少的。控制器是线性控制器。但是虽然很多工业过程中遇到的被控对象是非线性或时变的，但可以通过对其简化变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统来进行研究，这样就可以采用控制了。控制器的使用非常简便。实践中只需要设定三个参数（，和）就可以了。但是控制器的参数整定是比较复杂的，它是根据被控对象的动态特性而确定的。如果被控对象的

20、动态特性发生了变化，例如由于负载的变化而引起了系统动态特性的变化，参数就需要重新确定。控制器的应用非常的广泛。在很多情况下针对特定的系统设计的控制器都工作的很好，但是仍然存在这一些问题需要解决：难以建立过程模型通过建立过程的数学模型来自整定系统参数是比较困难的。闭环控制时，通常通过在过程中插入一个测试信号的方法来确定参数，但是这个方法会引起扰动，所以基于模型的参数自整定在工业应用不是非常好。超调干扰如果系统参数自整定是基于控制律的话，常常难以把由于负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来。所以由于受到干扰的影响，控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，因为基于控制律的

21、系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。鉴于此，许多自身整定参数的控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定一般是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算参数。复杂系统控制器在控制非线性、时变、耦合以及参数和结构不确定的复杂系统时，工作的并不是太好。在很多非线性时变系统中，无论怎么调节控制其参数都不能够达到一个较好的控制结果。尽管有上述种种缺点，控制器仍然是一种简单有效的，在某些情况下甚至是最好的一种控制器。控制器的参数整定控制器的参数整定是设计控制器的核心内容。它是根据被控过程的特性来确定控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。控制器参【第一章引言

22、】第页数整定的方法很多，概括起来有两大类：理论计算整定法这种参数整定方法主要是先建立系统的数学模型，再经过理论计算确定控制器参数。但是通过这种途径所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实践进行进一步的调整和修改。工程整定方法这种参数整定方法主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行。这种方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。控制器参数的工程整定方法，主要可以分为临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。以临界比例法为例，该方

23、法进行控制器参数的整定步骤如下：（首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（）仅例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（）在一定的控制度下通过公式计算得到控制器的参数。【】，【】在实际调试中，只能先大致设定一个经验值。然后根据调节效果修改。（）（分）（分）温度系统压力系统一流量系统液位系统表控制器的参数设定经验值第二节本课题完成的工作和论文的内容安排本课题完成的工作、回顾并讨论了温度控制器的发展和现状。根据控制技术的基本原理，讨论了控制器的特点，并且对控制器的参数调节进行了分析。、描述了设计一个模糊控制器所应该考虑的各方面的理论问题，并基于这

24、些讨论给出了基本模糊控制器的数学模型。、对模糊控制器的输入量进行了修正，然后讨论了控制器的时间最优性，完整提出了温度控制优化算法。、进行了硬件设计和设计，并编写单片机控制软件，并简单给出固件程序和端程序的流程图。【第一章引言】第页、利用研制的新型模糊温度控制器样机构建测试平台，对新型模糊温度控制器进彳亍了基准测试和性能规划测试。论文的内容安排在本文的第二章中描述了设计一个模糊控制器所应该考虑的各方面的理论问题，并基于这些讨论给出了基本模糊控制器的数学模型。在本文的第三章中，首先考虑了对模糊控制器的输入量进行修正，然后讨论了控制器的时间最优性。接下来，本文讨论了控制器硬件，给出了硬件原理图，并解

25、释了电路原理。同时，针对制作过程中遇到的问题介绍了本设计中所采用的解决方法。最后，给出了软件程序流程。第四章中介绍了新型模糊温度控制器的测试平台。并对新型模糊温度控制器的各种性能进行测量。第五章中展望了模糊温度控制器未来的研究和发展方向。【第二章理论建模】第页第二章理论建模模糊温度控制己成为现代自动化温度控制研究中最为活跃而又最富有成果的领域。其中，模糊温度控制技术占据了十分重要的地位，而且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。传统和现代温度控制技术的研究、应用发展的历史完全可以证明这一点。然而到目前为止，现代温度控制理论虽然已经在许多控制应用中获得了大量成功的范例，但是在工业温度过程控制中，

26、类型控制技术的应用仍然占有着主导地位。特别是在化工、冶金等工业过程控制中，众多数量大、面广的温度控制过程基本上仍然是应用着类型的控制单元。虽然可以预言，现代控制技术应用领域会变的越来越宽广、被控对象会变的越来越复杂，相应的控制技术也会变的越来越精巧。但是由于本章随后谈到的各种原因。以为原理的各种控制器仍然将是过程控制中不可或缺的基本控制单元之一。与此同时，近年来模糊温度控制技术的研究与应用已经得到了迅猛地发展。但是，在众多新的模糊温度控制技术方法不断涌现和实际应用之后，人们更加清楚地认识到模糊温度控制研究中面临的许多理论问题。例如，模糊温度控制技术并未在工业过程控制中得到如同家电产品一样的广泛

27、应用。这种情况己经成为模糊温度控制技术广泛应用的严重障碍。本章主要在设计模糊温度控制器的各个理论方面进行探讨，讨论设计控制性能优于传统温度控制器的模糊温度控制器的关键因素，并进而完成理论建模。【】【】本文各节内容如下。第一节对目前已经发展的各种模糊控制器方法进行介绍。第二节至第五节针对模糊型控制技术研究中面临的四个理论问题分别进行讨论。本章着重阐述了设计模糊温度控制器的基本原理，理论上的建模也是在此基础上展开。第一节模糊温度控制器的基本形式模糊温度控制技术研究发展历经了“理论一应用一理论”的交替过程。自从年开创了模糊数学研究之后，模糊系统与模糊控制的基本概念及基础理论得到了迅速的发展和完善。，

28、】从年建立的第一个模糊控制器标志了模糊控制的实际应用的开始，到目前为止，大量的模糊技术产品己经在工业及民用方面得到了广泛的应用。由于所设计研究的模糊控制器一般被称为传统模糊控制器，曾一度被以后的研究工作者所广泛借鉴和使用。这种模糊控制器的基本特点是：二维输入（误差及误差率变量输入）和一维输出、模糊规则前件与后件为模糊语言变量、交规则方式（，）、采用法进行模糊推理和采用重心法进行解模糊。【第二章理论建模】第页，【）卅二十世纪八十年代末，学者们首次严格地讨论了模糊控制器与传统控制器之间的关系。这个时期进行的工作中特别重要的是证明了模糊（或型控制器是一种具有变增益的非线性控制器。这些工作为模糊控制理

29、论与传统控制理论的结合建立了桥梁。开拓了模糊控制非线性理论研究的新途径一一“分析解方法（）”。通过应用结构极限分析（）可以定性地表明，简单地增加规则并不一定会给控制过程带来益处。阴】图模糊温度控制器的分类为了便于讨论，本文将模糊温度控制器分为两大类型：模糊型（）和模糊非型（）。如果模糊温度控制器的推理计算是限于比例一积分一微分三个控制分量或增益范围以内的控制作用量，则属于模糊温度控制器类型。否则，属于模糊非类型。根据模糊推理机输出量的直接物理含义，模糊型温度控制器又可进一步分成直接控制量型（）、增益调整型（）和混合型三种。图显示了控制器的分类。当然，这种分类有时本身就会存在模糊性。以下对各种形

30、式模糊温度控制器进行讨论，其目的也是为了理解它们之间的本质差异，本文其后对模糊温度控制算法的改进也在此基础上展开。【】增益调整型（）模糊温度控制器增益调整型模糊温度控制器中推理机输出的物理量直接对应于增益参数，通过应用模糊规则实现对三个增益参数进行调整。一种是基于性能监督（）的增益调整型模糊温度控制器，如式所示：【第二章理论建模】第页“”）皓）（）（彳）式系统的性能指标（）主要包括超调量、稳态误差等静、动态特性。由于这些性能指标需要一个完整控制过程得到，因此本类控制器可以采用自整定或自适应的方式对增益进行动态调整。基于性能监督的增益调整型模糊控制器并不能保证非线性特征。因为在自整定或自适应调整

31、间隔期间，控制器的增益参数可能是常数。增益调整型的另一种形式是基于误差驱动（）的模糊温度控制器。其规则形式如下：）（）式基于误差驱动的模糊温度控制器的增益参数将是误差或误差变化的非线性函数。如非线性比例增益可以记为：（，。虽然与误差变化均是时间的函数，但是取值只由与误差变化的具体值决定，而与处在什么时刻无关。因此，基于误差驱动的模糊温度控制器本质上是一个静态（或定常）非线性系统，并可以实现各个非线性增益的独立整定。温度控制器模糊推理计算规则中的单因子参数和各增益参数都是和。的函数。因此，基于误差驱动的模糊温度控制系统无法独立调整各个非线性增益。传统的温度控制技术已经对各个增益参数的物理意义或者

32、控制效果有了明确的解释。如调整比例增益可以加快系统动态响应速度，但同时可能会产生较大的超调量以至引起系统失稳。这些均可以作为专家知识纳入模糊规则式中。然而，对于应用式的非线性增益设计，到目前也未有成熟的模糊规则可以借鉴。例如，当误差变小时，。的取值变化至今为止仍然还没有确定性的结论。，【直接控制量型（）模糊温度控制器如果模糊推理机的输出是原理范围内的控制作用量，则该温度控制器属于直接控制量型模糊温度控制器。学者们归纳了该类控制器的种结构单元（）。柏由于各单元在控制作用效果上不完全等效，可以进一步认为每个单元是独立的（）。图中给出了不同的单元名称。从图可以看出，各单元名称不仅与输入变量误差、误差

33、变化、误差的二次变化以及误差累计。的信号内容相关，而且由输出变量的形式所决【第二章理论建模】第页定。由这些结构单元可以组合成各种形式的模糊、温度控制器。应用先验知识，可以排除一些组合，以便实现合理的控制器设计。基本上存在如下两条准则：）由于稳态的误差累计量通常是未知的，致使设计者无法以此变量建立规则，因此，可以取消包括误差累计变量输入的结构组合。）比例控制分量是控制作用中不可或缺的控制量。因此，任何模糊控制器至少应该包括比例控制分量成分。有一种称之为“增益角色变换（）”的概念。即在有时延的设定值过程控制中，以增量形式输出的温度控制器。这种温度控制器的积分增益在初始时延范围内将承担比例增益的角色

34、，而设定的比例增益在此阶段不产生任何作用。如果这成为设计考虑因素，则可以取消包括以增量形式输出的模糊温度控制器结构单元。【】。【一维：丹廿丹心毋廿二维：野毋野野三维：母好图模糊温度控制器结构单元通常我们将模糊推理机的输入变量个数定为模糊控制器的维数。虽然发展的二维模糊温度控制器已经成为模糊控制技术中最常见形式的控制器并为设计者所熟悉。但是有关其结构特性和应用特点的研究仍然是不足的。学者们进一步研究了模糊知识表达与祸合规贝（）的关系，由此可以推证出型模糊温度控制器是有祸合影响（）的。同时，人们还对模糊控制器的推理机维数进行了进一步的研究，并将一维模糊控制器称为“独立控制量型（）”，传统的二维或三

35、维模糊控制器称为“合成控制量型（）”，并认为合成控制量型模糊控制器还存在以下功能缺陷：如控制分量合成（）、输入祸合影响（）、增益相关（）和规则指数增长（）。这国成林：新型模糊温度控制器二零零七年五月些缺陷对于各控制量物理意义进行分析并整定调整参数是不利的。【混合型（）模糊控制器混合型模糊控制器存在着各种形式。如增益调整型与直接控制量型的结合或者传统线性控制器与模糊控制器的结合。一些学者提出了应用模糊进行初始的快速响应调整，之后采用传统线性控制器进行细节调整。然而，什么时候以及如何实现无扰（）切换将是应用中的又一个问题。另一方面，为了解决模糊控制器无法消除稳态误差的问题，可以增加积分的环节，并称

36、为模糊线性。为了降低定值控制中的超调问题，有学者认为应采用过降低设定值的权系数（）方法计算误差量：其中设定值权系数取在（，）之间，且为常数。由计算的比例控制分量。（）（）比常规计算值要小。从而可实现较小的超调控制响应。基于此方式的控制器方法，可以通过应用二维模糊推理的方式来计算的动态值，能够取得比静态的固定值算法更好的控制效果。这是混合型模糊控制器的另一种形式。虽然（）形式上是动态的，但是由于控制器仍然具有非时变本质，所以还是应该理解为是一种定常的非线性系统，即（，），由此产生非线性比例增益。此外，应用模糊前向补偿器与控制器结合的方式也可以被认为是一种混合型模糊控制器。【町本文提出的新型模糊温

37、度控制器主体上是属于增益调整型模糊温度控制器。第二节优于传统控制器的模糊控制器设计的理论依据传统控制理论学派与模糊控制理论学派有关传统控制器和模糊控制器性能优劣问题的争论很早就开始了。年，模糊控制学者在）第期上发表了一篇用模糊控制技术实现飞行器柔性机翼控制的文章。可是不到一年，传统控制学者就在同一刊物上发表了反驳上文结论的文章，其要点是应用传统线性控制技术实现了优于模糊控制技术的控制性能。模糊控制学者也注意到了这个问题的严重性。年，又有学者观察并记述了模糊温度控制器并不能确保总是优于传统控制器的实例。还有的学者认为，对于任何标准控制问题，总可以找到实现控制性能优于模糊控制方法的传统控制方法。例

38、，传统控制理论学者们提出的一个要点是：目前多数的模糊控制技术与传统控制器的性能比较只是数值式的。有学者认为，采用计算机模拟的方式证明这些模国成林；新型模糊温度控制器二零零七年五月糊神经控制器的有效性根本不能够让人信服。基于数值仿真得到的“性能更优”的结论，只有在模糊控制技术的发展的早期阶段才具有某种启迪意义。而作为使用模糊控制技术替换传统控制技术的前提，必须存在严格的理论证明解决下面两个问题：）模糊温度控制器的控制性能是否总能优于传统线性控制器）如果不能，模糊温度控制器是在什么条件下出现如此情况很长时间内，由于这两个问题未能得到圆满解决，使模糊控制技术在替换传统控制技术时面临了一个强有力的挑战

39、。为了解决这一问题，可以采用模糊控制器的“保守设计准则（，）”。该准则要求：任何模糊控制器都应该能够实现通过参数调整产生线性输入输出关系。符合这一准则的控制系统可以称为“确保性能的模糊系统（”或者系统。这一设计准则的建立无论在理论还是应用方面有着非常重要的意义。它确保模糊控制理论可以引用并借鉴传统控制理论中大量的定理和准则作为其控制器的性能指标下限（）分析，从根本上使得模糊控制技术的实际应用具备了坚实的理论依据。可以看出，以上设计准则是一种完全依赖于功能的评价方法。其本质是将传统控制技术作为模糊控制技术中的一个特例，这样可以避免基于性能评价方法中需用穷举方式对“性能优劣”完成理论证明的困境。在

40、性能比较方面，必须以比较公平的方式进行，即两种控制器至少应该同样应用优化方法整定系统参数。从这一角度来说，系统的控制性能应不劣于传统线性控制器。【】但是，如何构造模糊系统仍是需要关注的研究方向。并不是所有的模糊温度控制器算法都能够实现系统。如应用型控制器设计方法，采用有限数量规则是无法构造系统。其原因是由于诸如模糊推理中“最大一最小”的非线性操作。另一方面，在构造系统的同时，保证合理地、按照“简单性优先”原则，即“线性、类曲线（或曲面）、类曲线（或曲面）”的方式逐步增加非线性函数种类也是亟待研究的课题。本文提出的新型模糊温度控制器是一个型控制器，其详细内容在以下诸节和第三章依次展开。第三节模糊

41、温度控制器的非线性逼近能力虽然已经存在了大量的研究结果表明，模糊温度控制器可提供优于传统线性控制器的控制性能。然而实际应用中如何设计模糊温度控制器，使之控制性能优于传统控制器，不仅是模糊控制研究中的一个重大理论问题，也是实际应用中亟国成林：新型模糊温度控制器二零零七年五月【第二章理论建模】第页待解决的难点问题之一。这其中很重要的一点就是模糊温度控制器的非线性逼近能力。模糊温度控制器实现非线性控制的方法十分独特。它实际上是基于专家的经验并通过语言规则的形式实现了系统输入与输出的非线性映射关系。模糊温度控锥器之所以能够在许多情况下提供优于传统线性控制技术的控制性能，其本质是在于模糊温度控制器可以实

42、现非线性增益的调整过程。随着人工神经网络控制器研究工作的发展，理论上已经证明了模糊温度控制器同样也是一种“万能菲线性逼近器（）”。这就为模糊技术的普适性应用奠定了重要的理论依据：即模糊温度控制器可以对定义在致密集下的任何一种连续非线性方程实现在任意近似精度条件下的函数逼近。然而，从实际应用和技术改进的角度讲，有必要对模糊控制系统或其它类型非线性系统的逼近能力（啪进一步进行分类细化。，基于误差的非线性函数逼近能力对于“万能非线性逼近器”，可以从定性与定量两个角度来进行研究。前者主要是推导存在性定理，后者根据给定误差构造控制器，对工程实际应用有着直接的意义。基于误差的非线性函数逼近类型的模糊温度控

43、制器是最为常见的。通常情况下，对于定义在集合上的非线性函数）是给定的（其中，是非线性函数的自变量向量）。应用非线性系统可以拟合估计出非线性方程，记为（，）（其中”，是用于调整非线性函数的自由参数向量）。那么，对特定非线性函数逼近能力的性能可以通过两个非线性方程的误差量表现出来。，（）（，口）式误差量越小说明系统的非线性逼近能力越好。式的定义与常规数理统计中的回归分析方法相同。对基于统计学习的非线性逼近器，式给出了更为通用的误差表达式：足（刃，（，）（，】，）式式中，取）和（，（，）可以分别称为风险函数）与错失函数（）。其中（，）是输入变量与输出变量的联合概率函数。国成林：新型模糊温度控制器二零

44、零七年五月【第一二章理论建模】第页基于“泛化能力（）”的逼近在人工神经网络研究中，“泛化能力（）”已经成为衡量非线性系统向另一类非线性逼近能力的非常重要的研究内容之一。“泛化能力”是指经过样本学习后的非线性系统能够正确识别符合相同分布而未经学习的样本的能力。以多输入多输出的人工神经网络系统为例来说，该网络系统经过样本数据学习后，能够为网络输入节点数中生成的个网络输出节点数。对于特定的非线性超曲面，“泛化能力”即表明这些非线性超曲面能够正确划分学习样本的能力。此种情况多数是用于考察模式识别应用中的分类器性能。如果按照非线性逼近器为应用内容，当等于时，其泛化能力就具体表现为系统对特定函数的内插或外

45、推的非线性函数逼近能力。我们可以定义泛化误差（）为：（）（，口）雌式在式中，实验子集。与学习子集廿。构成了完整集合。式与式式的区别在于泛化误差只是对实验子集中的样本数据进行计算的，从本质上反映了系统的推广能力，也就是说如果泛化误差小，则表明非线性系统经过学习后，能够很好地预测未知数据。经过学习之后得到函数逼近能力好的非线性系统，其泛化能力并不一定好，并可能出现“过似合（）”的问题。这可能是由于以下两个原因：）学习数据中通常包含有噪声（图）：一实际曲线砚察点拟和曲线圈噪声）用有限数据获取整个任意分布函数从本质上讲就存在着数据损失（图）：国成林：新型模糊温度控制器二零零七年五月一实际曲线类点拟和曲线类点图数据损失泛化能力的概念可以推广到基于监督学习方式的模糊温度控制器应用中。基于“非线性变化能力（）”的逼近模糊控制系统通常包括线性与非线性调整参数。以型控制器为例，其线性调整参数包括误差信号量化因子（。）、误差变化信号量化因子（。）和输出量化因