模糊自整定PID的温室温度控制器的设计_图文

1、武汉科技大学硕士学位论文模糊自整定PID的温室温度控制器的设计姓名：罗淳申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：熊庆国20090506武汉科技大学硕士学位论文第页摘要温度控制器是一种温度控制装置，它根据用户所需温度与设定温度之差值来控制中央空调末端，从而达到改变用户所需温度的目的。现代信息技术的三大基础是信息采集控制（即温度控制器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，它被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的微机温度控制系统调节装置己经成为主要的发展方向。对于温室温

2、度这个被控对象，有很多控制方案可选。首选方案就是控制，因为它简单，容易实现，它有可消除稳态误差的优点，但它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不能满足控制的技术要求。其次就是模糊控制，它的优点是超调量很小，但是稳态误差却很大。最后是用模糊规则参数的模糊自整定控制方法，基本上能够达到反应速度快、零超调、稳态误差小的理想结果。本文以单片机芯片为核心，研究和设计了可以应用于温室大棚的温度控制器。本文简述了温度控制器的应用及其原理，介绍了基于单片机的检测系统的硬件设计，并说明了用模糊自整定控制方法设计出的温度控制的控制算法及其系统实现方法，实现对温度的检测，显示和报警功能。此外，本文还详细介绍了系统硬

3、件和软件设计原理。关键词：单片机；温度控制；模糊自整定控制；温室第页武汉科技大学硕士学位论文，（），（）（），：；武汉科技大学研究生学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的工作外，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。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：受主皇日期：如？舄日研究生学位论文版权使用授权声明本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完

4、全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门（按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录工作的规定执行）送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行检索和对外服务。论文作者签名：指导教师签名：日期：墨淳一口罗年月珀武汉科技大学硕士学位论文第页第一章引言课题的提出和意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度

5、是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。我国人多地少，人均占有耕地面积更少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。温室大棚技术就是其中一个好的方法。温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室大棚能克

6、服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制便成为一个十分重要的课题。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。如果过高，就对大棚进行降温处理：如果过低，就对大棚进行升温处理。这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。现在，随着国家经济的快速发展，农

7、业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。由于温度自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等，使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的，而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案，将其用于大部分温控场合，都能达到零超调，且调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制实验室建设的需求，将其用于对温室温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在±内的技术要求。

8、第页武汉科技大学硕士学位论文文献综述工业温度控制发展简介目前先进国家各种温度控制自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。我国的温度控制系统的发展大致经历了三个阶段：第一阶段：基地式仪表。四十年代初，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表组装在一个表壳里的基地式仪表。如自力式温度调节器。基地式仪表一般结构简单，价格低廉，它们的功能仅限于单回路控制且控制精度低。第二阶段：单元组合式仪表。随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展

9、，人们发现基地式仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制定若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元之间以规定的标准信号相互联系，这样仪表的精度可以提高。在使用中可根据需要，选择一定的单元，积木式地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的自动控制系统，这种积木式的仪表就称为单元组合式仪表。以上两个阶段，无论是基地式仪表阶段，还是单元组合式仪表阶段，都是利用各种仪表对温度进行检测、调节、控制。对于较复杂的系统，难以实现复杂的控制规律，控制精度不高。第三阶段：微机控制阶段。随着微电子技术的发展、大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世、计算机性能价格比的明显提高以及微型计算机在工业控制领域中的应

10、用，使得温度控制系统发展到微机控制阶段。温度微机控制系统取代模拟控制系统，克服了其调节精度差、可靠性不高的缺点。由于计算机具有高速的数据运算处理功能和大容量存贮信息的能力，使得此类系统稳定可靠、维护方便、抗干扰能力强，而且可以采用先进的控制算法以进一步提高控制性能。温度微机控制系统控制方案计算机技术的发展极大地推动了工业控制系统的进步，而现代控制理论的发展，人工智能技术的深入研究，为控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机硬件与控制软件的紧密结合必然导致新型的微机控制系统的出现。温度微机控制系统常用的控制方案有以下三类心¨司，经典控制方案、基于现代控制理论的设计方案和智能控制方案。第

11、一类：经典控制方案经典控制方案可分为数字控制器的间接设计方案和数字控制器的直接设计方案。数字控制器的帕接设计方案是一种根据模拟设计方案转换而来的设计方案。传统模拟系统中的控制器设计己有一套成熟的方法，其中以控制器为代表。控制器具有武汉科技大学硕士学位论文第页原理简单、易于实现、适用范围广等优点。将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时间近似方法将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，其中为确保数字控制器与模拟控制器的近似，要适当选择采样周期。数字控制器的参数整定方法有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法等。数字控制器的直接设计方案是根据对象的离散数学模型直接设计数字控制器的方法。其目标

12、是要设计一个数字控制器使闭环系统达到所要求的性能，实现的方法基本上可以看成是极点配置问题。其主要的设计方法有最小拍控制算法、根轨迹法、模型跟踪法、达林算法和预估器算法等。数字控制器的直接设计方案清晰明了，采样周期的选择范围扩大，在一定条件上，能获得较好的控制品质，有些算法，如预估器算法对纯滞后比较有效。第二类：基于现代控制理论的设计方案现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示了系统的内部状态和性能。基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。它是通过数

13、学方法对控制系统进行分析综合。控制规律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的响应而推导出来的畸。此类设计方案主要有：系统辨识、最优控制、自校正控制等。这类设计方案适用范围广，适合于多输入多输出系统、某些非线性时变系统和一些具有随机扰动的系统。该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严格证明，性能指标能定量分析，得到的控制品质较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型形式。对于许结构复杂，随机干扰因素多而不易获取对象模型形式的系统，这类方法的使用受到了限制。第三类：智能控制方案智能控制方案是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控

14、制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质仁是一种无模型控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。智能控制系统有以下一些特点，：（）智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在己知算法的生产过程。（）智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。（）智能控制器具有非线性。这是因为人的思维具有非线性，作为模仿人的思维进行决策的智能控制也具有非线性的特点。（）智能控制器具有变结构的

15、特点。（）智能控制器具有总体自寻优的特点。第页武汉科技大学硕士学位论文智能控制方案主要包括模糊控制、神经网络和遗传算法控制等。目前快速发展的一些具体温控方案常用的温度控制电路根据应用场合和要求的性能指标有所不同。除了传统的控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，包括智能控制与控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法旧：（）模糊控制：模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，它不需要被控对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直觉判断，容易应用。模糊温控的实现过程为：将温控对象的偏差和偏差率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规

16、则，将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。根据模糊查询表，形成模糊控制算法。对输入量的精确值模糊化，经数学处理输入计算机，计算机由模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确值去驱动执行机构，调整输入，达到调节温度，使其稳定的目的。（）神经网络与的结合：神经网络是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗千扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。在温度控制系统中，将温度的影响因素作为网络的输入，将其输出作为控制器的参数，以

17、实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定控制器参数的目的，也就是神经网络整定参数的方法陋。（）遗传算法与的结合：遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串或。引入了交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行随机的搜索优化，朝全局最优化方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计是将检测元件得到的温度信号送入单片机，单片机计算出偏差，用遗传算法来优化的三个参数，然后将控制量输出，也就

18、是遗传算法整定参数的方法聃。（）模糊控制与的结合：具体结合形式有多种，主要是复合控制和模糊整定参数的方法。复合控制：当偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；偏差较小时采用控制，使具有好的静态性能。是一种模糊控制和控制的分阶段切换控制方法。模糊整定参数的方法：根据偏差和偏差变化率，由模糊推理来调整参数，武汉科技大学硕士学位论文第页也就是一种以模糊规则调节参数的自适应控制方法。（）模糊控制与神经网络的结合：模糊控制所基于的经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应不同被控对象的要求。所以应使模糊控制向着自适应的方向发展。基于这样的要求，可以利用神经网络的来修正偏差和偏差变化率的比例系数，

19、达到优化模糊控制器的作用，从而进一步改进实时控制的效果，有强的鲁棒性和适应能力儿。（）模糊控制、神经网络和遗传算法三者的结合：神经网络应用广泛的网络，收敛速度慢且存在局部最小点，因而将遗传算法与算法结合得到的遗传一（）算法作为网络预估器的学习算法。该方法能使温控系统随外界干扰的变化，实时调节网络和控制规律，具有良好的温度跟踪性能和抗干扰能力。另外文献们提到模糊控制与遗传算法相结合的方法。神经网络、模糊控制和遗传算法都属于智能控制方法，它们与控制结合，适应温控系统非线性、干扰多、大滞后、时变等特点。模糊控制特别适应于大惯性和纯滞后的系统，无须知道系统的精确信息。本文所做的工作基于以上所述日前国内

20、外的温控方法的各自特点，以及温度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本论文考虑采用模糊控制与控制相结合的参数模糊自整定控制方法。本文所做的工作是：对温室温度这一控制对象，选择了纯控制、纯模糊控制和参数模糊自整定控制三种控制方案，运用软件对它们的控制性能和抗干扰能力进行了仿真研究比较，选出合乎响应速度快、超调量为零、稳态误差在±内的技术要求的解决方案；同时也对参数模糊自整定这一控制方案进行了鲁棒性分析，结果表明，它对一阶惯性滞后模型的适应性很强。另外也进行了以单片机为核心的温室温度控制系统的硬件电路设计及相应软件程序结构设计。本章小结本节简单阐述了立题意义，并从温度控制器的发展

21、过程与背景出发，分析各种实现方法优缺点。本节还指出要得到良好的控制效果，必须对比几种控制方法，最后得出最理想的控制方法。这也是本文将要进行的工作之一。第页武汉科技大学硕士学位论文第二章被控对象及控制策略被控对象本文的被控对象为温室的温度，范围。设计目的是假设初始温度是，要对它进行控制，控制在。左右，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在内的技术要求。在工业生产过程中，控制对象各种各样。理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。所以，温室

22、温度模型的传递函数为（耻箫（）式（）中一对象的静态增益一对象的时间常数一对象的纯滞后时间目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩一库恩（）公式确定近似传递函数¨。给定输入阶跃信号，用温度计测量温室的温度，每分钟采一次点。表每分钟温度采样值表时间（）温度（）实验数据如表：运用，由表中数据绘图如图武汉科技大学硕士学位论文第页）舞，移秘图温度飞升曲线公式如下：）：（一缸）（）（）为系统阶跃输入；为系统的输出响应是对象飞升曲线为时的时间（分）岛是对象飞升曲线为时的时间（分）从而求得，所以室温模型为）：。控制

23、理论控制的基本概念控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器。控制器的数学模型可以用式表示：绯）印）专出乃警】（）其中：（）为控制器的输出“）为控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。为控制器的比例系数第页武汉科技大学硕士学位论文霉为控制器的积分时间乃为控制器的微分时间在控制器中，他的数学模型由比例、积分、微分三部分组成。这三部分分别是：（）比例部分比例部分数学式表示如下：。（）偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，控制作用强弱取决于比例系数巧，巧越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小：但越大，超调量也越大，越容易产

24、生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。故而，比例系数。，选择必须适当，才能取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的效果。（）积分部分积分部分数学表达式表示如下：等）从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。积分时间互，对积分部分的作用影响极大。当互，较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。但是消除静差所需的时间较长。当较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程

25、中有可能产生振荡，但消除静差所需的时间较短。（）微分部分微分部分数学表达式表示如下：酗警微分控制敏感出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间乃决定。乃越大，则它抑制（）变化的作用越强，乃越小，它反抗（）变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。武汉科技大学硕士学位论文第页在计算机直接数字控制系统中，控制器是通过计算机控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计

26、算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在数字计算机中，控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使算法离散化，将描述连续时间算法的微分方程，变为描述离散一时间算法的差分方程，即为数字位置型控制算式，如下式（）：）：）亭圭掣】（，式中：（）茭采样周期时的输出仪）为采样周期时的偏差为采样周期下下令巧等，即有上“（后）巧（七）局（）（）（）其中矿巧、分别为比例、积分、微分系数。控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器（至今在全世界过程控制中用的

27、仍是纯调节器，若改进型包含在内则超过）。我们今天所熟知的控制器产生并发展于年期间。尽管自年以来，许多先进控制方法不断推出，但控制器以其结构简单，及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。的发展的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。自和：提出参数整定方法起，有许多技术已经被用于控制器的手动和自动整定。根据发展阶段的划分，可分为常规参数整定方法及智能参数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量参数整定方法及多变量参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性参数整定方

28、法及非线性参数整定方法，前者用于经典工调节器，后者用于由非线性跟踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性控制器】第页武汉科技大学硕士学位论文从目前参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点。对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著藕合的多变量过程的多变量参数整定方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。智能控制技术有待进一步研究，将自适应和自整定有机结合，使其具有

29、自动诊断功能：结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有控制器设计思想及整定方法进行改进：将预测控制、模糊控制等智能控制和控制相结合，进一步提高控制系统性能。这些都是智能控制发展的极有前途的方向。模糊控制理论模糊控制的起源模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展和需要分不开的。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一系列原因，诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈藕合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立被控对象的数学模型。虽然常

30、规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的【】。在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象的数学模型，但却能十分有效地对系统执行控制。模糊数学的创始人，著名的控制论专家扎德教授举过停车的例子，正如一个汽车司机，不懂汽车的数学模型而能很好的驾驶汽车一样。这是因为操作人员对系统的控制是建立在直观的经验上的，凭借在实际中取得的经验采

31、取相应的决策就可以很好的完成控制工作。人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。因此，模糊集合理论用于描述人的经验就有着独特的优势。可以把人的经验用模糊条件语句表示，然后用模糊集合理论对语言变量进行量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。这也就是模糊控制器的工作过程。模糊控制的基本原理模糊控制系统的基本原理可由图表示：武汉科技大学硕士学位论文第页图模糊控制系统的基本原理框图其中的核心部分为模糊控制器，由于模糊控制器的控制规则是根据操作人员的控制经验取得的，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的

32、控制规律由计算机的程序实现。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经去模糊化处理得到输出控制的精确量，作用于被控对象。因此，模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部分组成。这样就确定了模糊控制器（）的基本原理，如图所示。清模一黼制规则化际习糊晰化广。，图模糊控制器（）的原理图由此可见，模糊控制器实质上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构，一般常用的是二维模糊控制器，即以偏差和偏差变化率作为输

33、入，工作过程可概括为下述几个步骤：（）将输入变量的精确值变为模糊量；（）根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；（）上述得到的控制量（模糊量）清晰化计算得到精确的控制量。模糊控制的主要优点模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法与之比拟的优点，其中主要是剐：（）使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生产过程很难获得过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。（）对于具有一定操作经验、但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。（）操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。（）采

34、用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。第页武汉科技大学硕士学位论文模糊控制的现状和发展方向年，英国伦敦大学玛丽皇后学院教授博士把模糊控制器用于小型蒸汽机的控制，从而开创了模糊控制的历史。模糊控制从年到现在，有三十多年的历史。在这段时间中模糊控制己经历了二个阶段，即简单模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段引。第一个阶段约从年至年，也称为简单模糊控制阶段。这个阶段是以开创模糊控制为起点。这个阶段的模糊控制器主要采用（合成）推理法，在推理中采用提出的蕴含关系公式：对控制器的算法都采用脱机处理的方法，在计算机系统上把控制器上的推理过程处理成控制表，在实际中则用控

35、制表去控制。这个阶段的模糊控制器的结构不灵活，自适应能力和鲁棒性有限，控制精度也不高。第二阶段中是从年到现在，也称自完善模糊控制阶段。在这个阶段中，对模糊控制方法、控制理论都进行了大量的探讨，模糊控制的水平不断地完善和提高。这个阶段是以和在年提出了语言自组织过程控制器为开始标志的。此后，不断产生了各种参数自调整、自组织、自学习的模糊控制器，使模糊控制系统的性能得到了很大的提高。在这个阶段还出现了硬件化的模糊集成电路组成的模糊控制器，神经网络自学习的模糊控制器等新型结构。模糊控制常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有比例和微分控制作用，而缺少积分控制作用

36、，众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。故把（）控制策略引入模糊控制器，构成（或）复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。模糊控制和控制结合的形式有多种们：（）模糊复合控制：控制策略是：在大偏差范围内，即偏差在某个闭值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能：在小偏差范围内，即落到阐值之内时转换成（或）控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阐值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊控制和控制两种控制模式相结合的控制方法称

37、之为双模控制。（）比例一模糊一工控制当偏差大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差减小到闭值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现武汉科技大学硕士学位论文第页象。故在接近稳态点时切换成控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时，（这时绝对误差实际上并不一定为零）切换至控制。（）模糊积分混合控制是将常规积分控制器和模糊控制

38、器并联构成的。（）参数模糊自整定控制控制的关键是确定参数，该方法是用模糊控制来确定参数的，也就是根据系统偏差和偏差变化率，用模糊控制规则在线对参数进行修改。其实现思想是先找出各个参数与偏差和偏差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测和，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同和对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于用单片机实现。其原理框图如图所示：图参数模糊自整定控制算法原理图较常用的是模糊一复合控制和参数模糊自整定控制两种方法。本设计就选用参数模糊自整定控制方法。本章小结本节对控制和模糊控制的发展背景及原理模型进行了简单的介绍，并列出了几

39、种复合控制方法，然后指出本设计用到的是其中控制效果比较好的控制方法，也就是参数模糊自整定控制方法，同时给出了该控制方法的原理模型。这种方法控制的效果为什么很好将在下一章节仿真中做出解释。第页武汉科技大学硕士学位论文第三章仿真研究仿真工具为了进行模糊系统的仿真设计，国内外的学者都开发了一些工具。其中一个是的模糊控制工具箱（）模糊控制工具箱是一个不针对具体硬件平台的模糊控制设计工具，它可以用完全图形界面的工作方式设计整个模糊控制器，如定义它的输入、输出变量的数目，各输入、输出变量的隶属函数的形状和数目，模糊规则的数目，模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。在设计好这样一个纯粹的模糊控制器之后，可以利

40、用本身的仿真平台来构建整个模糊控制系统并进行仿真。它的优势在于它可以利用软件本身丰富的资源，来构建不同结构的模糊系统，比如神经网络模糊系统，遗传算法模糊系统，模糊系统等等，并对这样的系统进行仿真、分析呦。下面会对这个软件的使用进行详细介绍。及其模糊逻辑工具箱和仿真环境概况（矩阵实验室）乜是公司的产品，它的首创者博士在数值分析，特别是在数值线性代数领域中很有影响。是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供各种矩阵的运算和操作，并有很强的绘图功能。目前，已经成为国际上最流行的控制系统计算机辅助设计的软件工具。由于提供强大的矩阵处理和绘图功能，很多控制界的知名学者在自己擅长的领域编写了特

41、殊的工具箱。其中就有“”，即模糊逻辑工具箱。与模糊逻辑工具箱和仿真环境的关系如图所示啪：环境图与模糊逻辑工具箱和的关系图武汉科技大学硕士学位论文第页模糊逻辑工具箱（即）模糊逻辑工具箱是中用于设计模糊控制器的工具箱。由上图可以看出，模糊逻辑工具箱必须在环境下运行，它所创建的模糊控制器可以为其它工具箱所用，也可以用环境对它进行仿真。最后还可以以语言的形式输出一个独立的模糊控制器，嵌入到用户自己的应用程序代码中去。设计一个模糊控制器，需要确定以下内容：（）模糊控制器的结构即根据具体的系统确定其输入、输出变量。当被控对象是个控制精度要求不高的系统，并且只有单个控制量时，则可采用单纯的模糊控制器组成系统

42、。这时，控制系统是最简单的，模糊控制器只考虑偏差作为输入量。当被控对象是一个控制精度要求较高的系统时，则可采用二维模糊控制器、三维模糊控制器，变结构型模糊控制器等复合型模糊控制器，当被控制对象是一个控制要求较高的系统，而且要求对变化有较好的适应性时，则可以采用自适应模糊控制器。（）输入、输出变量的模糊化是要解决在语言变量论域中取模糊量的个数和确定模糊量的隶属函数形状的问题。（）模糊推理算法的设计即根据模糊控制规则（规则）进行模糊推理。这其中包括了对多个输入用模糊算子进行处理的过程。（）模糊合成算法的设计模糊合成算法一般都是采用最大值法。（）反模糊化方法的设计。反模糊化，也就是模糊量的精确化，可

43、以采用很多方法，其中较常用的有效的三种方法是最大隶属度法，中位数法和重心法。最大隶属度法就是在模糊控制器的推理输出结果中，取其隶属度最大的元素作为精确值去执行控制，这种方法简单、方便、容易实现，但不能反映次要信息。中位数法就是把模糊合成得到的函数与坐标所围成的面积分成两部分，在两部分相等的条件下，两部分分界点所对应的横坐标值就是反模糊化后的精确值。重心法也叫力矩法，其实质是加权平均法，它对模糊推理结果的所有元素求取重心元素，这个重心元素就作为反模糊化之后得到的精确值。模糊集合的重心元素“的求取公式如下：乙致（互）“上生一（）芝（）百重心法比较全面地反映了各个控制信息。它的缺点是运算量较大。不过

44、在实际的控制过程中，输出论域的元素一般不会太多，重心法还是较好的反模糊化方法。第页武汉科技大学硕士学位论文模糊逻辑工具箱支持两种模糊模型的建立，一种是型，另一种是型。这两种模型的唯一不同之处在于型的输出变量的隶属函数是常数或是线性的，而型的输出变量可以采用三角形、钟形、高斯形等各种各样的隶属函数。本文用的是型。方法的优势在于：（）过程直观。（）发展时间长，被设计者广为接受。（）很适用于用人类语言表达的输入。仿真环境是的建模和仿真环境。它乜其中除了包括输入模块、输出模块、连续模块、离散模块、函数和表模块、数学模块、非线性模块、信号模块以及子系统模块外，还包括了各个工具箱特有的模块，如模糊逻辑工具

45、箱的模糊逻辑控制器模块。用户可以利用这些模块搭建起自己的系统并进行仿真，通过更改这些模块的参数提高系统的性能，最终得到合乎自己设计要求的系统。本文的所有仿真都是在中完成的。仿真和优选仿真过程是在的环境中完成的。通过对系统采用不同的控制策略，得出它们各自的仿真结果，然后进行分析比较，找到一个合乎要求的解决方案。虽然仿真环境不可能与实际情况完全相同，但它的结果还是有相当的指导意义的。由于仿真可以方便、快速、多次地进行，从比较中找出较优的方案是可行的。温室温度控制要求是要达到所需温度附近系统响应曲线调节时间短、无超调、稳态误差±内的技术指标。本文分别采用控制，模糊控制和参数模糊自整定控制三种控制方法，通过仿真比较他们的控制性能。控制对象模型如第一章所述：室温可认为是一阶惯性滞后环节，其具体形式第二章计算出为：）：控制以下就是中创建的用算法控制电烤箱温度的结构图：武汉科技大学硕士学位论文第页图啦制系统仿真结构圈在图中的