Ch 第十三章 机械电子系统的微机控制

机械电子工程原理第十三章机械电子系统中的微机控制控制对象的分类数字程序控制以逻辑状态作为控制对象，理论基础是数字逻辑或布尔代数，最常见的是顺序控制和数值控制。顺序控制是指以预先规定好的时间或条件为依据，使机械电子系统按正确的顺序自动地“运动”或“停止”。数值控制是利用计算机把输入的数字值按一定程序处理后，转换为控制信号去控制一个或几个被控对象，使被控点按所要求的轨迹运动。模拟控制以模拟量作为控制对象，理论基础是自动控制理论。213.1顺序控制和数值控制顺序控制顺序控制器根据应用场合和工艺要求，划分各种不同的工步，然后按预先规定好的“时间”和“条件”，依次序完成各工步。各工步动作所需要的持续时间因产品类型或生产过程的不同而异，通常可以通过操作员来设定或调整定时器的时间常数；“条件”是指被控装置中运动部件移动到一个预定的位置，或者管道、容器中的液体或气体压力达到了某个预定值，或者加热部件的温度达到了某个预定点。3数值控制数值控制随着微处理机的发展得到了广泛的应用，如数控机床、线切割机及低速小型绘图仪等，都是利用数值控制原理实现控制的机械电子设备。基本的数值控制原理的实现步骤1）把一条复杂的曲线分成若干段直线或二次曲线；2）求出各分段直线(或曲线)的中间值，这个过程称为插值，或称为插补；3）对插补运算过程中求出的各点，用脉冲信号去控制x、y方向上的步进电动机，带动刀具或画笔运动，从而加工出或绘出要求的线段来。4直线插补偏差定义比如有一条直线段OP在第一象限，且线段的起点就位于坐标原点，如图所示，可以形成三个点集：位于直线段OP上所有的点；位于直线段OP上方所有的点A+；位于直线段OP下方所有的点A-。已知起点位于原点，终点的坐标为P(xe,ye),则OP线的斜率为

tanα=ye/xe

因为tanα”>tanα，即yi

”/xi”>ye/xe，所以xeyi

”-yexi”>0;因为tanα’<tanα，即yi’

/xi’<ye/xe，所以xeyi’

-yexi’<0

5直线插补偏差定义设第一象限内任意点M的坐标为(xi,yi)，用Fi代表M点的偏差，并定义为Fi=xeyi

-yexi

当Fi=0时，M点在线上；当Fi＞0时，M点在A+区；当Fi＜0时，M点在A-区。6插补规划例如可以采用如下直线插补规则：当Fi＞0时向右运动一步，当Fi＜0向左运动一步，分别可以获得由M’和M”点开始的插补路径如图(a)、(b)中所示。713.2开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统:只靠输入量对输出量单方向控制闭环控制系统：一般是基于误差的负反馈控制输入装置控制装置驱动装置被控对象Ui干扰Uo输入装置控制装置驱动装置被控对象Ui测量装置Uo8开环控制系统实例可以把变频器－电动机看作对象，负载的转动惯量和负载转矩都考虑在对象之内。电动机转速n是被控量。变频器输出的交流电压频率正比于u，并且能在规定范围内输出适当的电压和足够的功率来驱动电动机，使电动机转速正比于u。当负载增大引起转速n下降而设定转速r未变，电动机转速无法自动恢复到设定值。如果变频器输出频率漂移，电动机转速也会偏离设定值，同样无法自动恢复。9闭环控制系统实例引入了比较环节和偏差，转速测量系统把被控量转速n的信息以信号y的形式送到比较环节，在比较环节中得到被控量y与设定值r的差，称为偏差e，e=r-y。控制器根据偏差e生成控制信号u。10闭环控制系统工作原理反馈通道的作用是把被控量信号送到比较环节。它的作用是求取偏差e=r-y。把偏差送入控制器，如果反馈信号y偏离设定值r，就有偏差，控制器就会根据偏差e产生控制作用u来减小偏差。当负载增大致使转速n降低时，反馈信号y随之降低，偏差e就会增大，控制器根据偏差e给出控制信号u，变频器输出的频率f就会升高，转速n随之上升。当转速设定值r改变时，由于负载和电动机转子的机械惯性，转速n不能立即跟随r，也会出现偏差e，控制器根据偏差e给出控制信号u，使电动机转速n较快地跟上当前的设定值r。11模拟量的计算机闭环控制系统当代工程实际中，越来越多地采用计算机作控制器，组成自动控制系统。设定值r、被控量y和控制信号u都是模拟量，但是在计算机中都用数字量表示，所以需要D/A通道和A/D通道。1213.3控制系统的品质和性能指标控制系统性能的品质有快速性、准确性和稳定性三个方面。快速性是希望被控量迅速达到设定或跟随设定值变化；稳定性是指被控量不发生大幅度、长时间的振荡，即使有小幅振荡也应尽快衰减至零；如果系统被控量与设定值之间的偏差较小，就说系统的准确性较好。控制系统品质可以用典型设定信号下的性能指标来表示，阶跃信号是最常用的典型设定信号之一。上升时间tr和峰值时间tp可以表示系统的快速性。稳态误差ess可以表示系统的准确性。系统的稳定性可以用超调量Mp或者进入误差带前的振荡次数表示。13综合性能指标1——绝对误差积分绝对误差积分（IntegralofAbsoluteError，IAE）是常用的综合指标之一绝对误差积分包含了系统从t＝0时刻起的全部偏差绝对值的累积（积分上限∞可以选择足够大的T来取代），快速性、稳定性、准确性中任何一项性能不好，都会使绝对误差积分增大。绝对误差积分越小，控制系统的品质越好。14绝对误差积分绝对误差积分的几何意义是图中阴影的面积。15综合性能指标2平方误差积分(IntegralofSquaredError，ISE)：该指标着重考虑大的偏差而不太考虑小的偏差信号。在控制工程中，这个准则代表以能量消耗作为系统性能的评价。按照这种误差性能指标设计的控制系统，常常具有较快的响应速度和较大的振荡，相对稳定性差。时间加权绝对误差积分(IntegralofTimeweightedAbsoluteError，ITAE)时间加权平方误差积分(IntegralofTimeweightedSquaredError，ITSE)这两项误差性能指标的特点是着重考虑瞬态响应后期出现的误差，较少考虑响应中大的初始误差。1613.4闭环控制系统的构成及PID控制闭环系统是借助输出信号的反馈，能够在存在扰动的情况下，力图减小输出与参考输入（或任意变化的希望状态）之间的偏差。闭环系统控制器的工作也正是基于这一偏差进行的。按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，即PID控制是闭环控制中应用最广泛的一种控制规律。17常规PID控制Kp是对偏差e(t)进行比例（Proportional）运算的系数；Ki是对偏差e(t)进行积分（Integral）运算的系数；Kd是对偏差e(t)进行微分（Differential）运算的系数PID控制的比例、积分和微分三种运算都是针对偏差e(t)进行的。PID控制策略归结为这三个参数的选取。18模拟PID调节器模拟PID调节器的数学表达式为：在实际工业过程中调节器的性能主要靠整定增益Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td这三个参数来完成。19比例控制的作用比例控制的作用是对当前的偏差信号e(t)进行比例运算后作为控制信号u(t)输出。比例控制的特点是，只要偏差e(t)存在，比例控制器就能即时产生与偏差成正比的控制信号。比例系数Kp越大，比例控制作用越强。在阶跃响应早期，偏差e(t)很大，所以控制信号u(t)很大，可以使被控量y(t)上升加快，改善系统的快速性。但是，被控量上升过快可能产生较大的超调，甚至引起振荡，使系统的稳定性劣化。20比例控制斗在稳态时敬段的作用控制信谷号u与偏差获成比例免：被控量y成为：解出被阵控量y：代入静犬差ess的公式偷：21比例控热制在稳蹈态时段猾的作用可见，习如果增例大比例归控制参拍数Kp，可以使得静差ess减小，优但仅仅稼有比例炊控制Kp无法消除亚静差ess。如果Kp过大，使u(t)=Kpe(t)超出侦控制器甩的允许监范围，竖不能输萌出更大剑的控制挡信号u(t)。u(t)超出控用制器允许惊范围这一以现象称为控制器瞒饱和。当控制器缝饱和时，铜无法起到斑减小偏差杆的作用，防偏差可能废很大并且多在控制器榴退出饱和妹之前继续霸存在。比例系闷数Kp必须适烫当。22积分控创制的作峡用积分控缺制可以宫累积系遣统从t＝0时展刻到当舱前时刻柿的偏差e(t)的全部鞠历史过程孝。系统进桂入稳态后偏，静差ess往往很呈长时间膨不变号圈，经过糊足够长腰的时段悠，静差ess的积分结日果终将能甚够输出足巷够大的控呆制信号u来消除静挡差ess。因此，引入积分午控制的目线的是消除区静差。但是，如益果对象的速响应较慢比，在阶跃雷响应早期射，可能出现长时尘间不变号找的大偏差嗓，产生过蜘大的偏差胜积分值，侍导致控制湖器饱和。要适当到选取积愁分控制舰参数Ki。23微分控制尺的作用微分控贞制正比例于偏差纪信号e(t)的当针前变化纹率de/dt，由当前第的偏差变我化率能够傻预见未来军的偏差，虹决定控制杜信号的符毛号和大小向。对于设巨定值的课阶跃变英化，微隆分控制秧能减小各超调，用抑制振肉荡，改私进系统铺的稳定斧性。但是，当枯系统受到承高频干扰谅时，对于拜快速变化盲的偏差e(t)，微番分控制障的作用乳可能过钟于强烈虹，不利检于系统曾的稳定列性。如腹果u(t)中的微欣分项过大套，还可能贡使控制器胜饱和，系扫统阶跃响妈应可能很即迟缓。动用微性分控制解应十分赠谨慎，粮参数Kd取值不祝宜很大僻。24数字PI经D控制器腰（位置式弃）将模拟P券ID调节谣器方程式饲离散化，顽有式中，Kp为比例心系数；Ti为积分周时间常喷数；Td为微分消时间常普数；T为采样拘周期；e(k)为第k次采样哑所获得据的偏差西信号；昨△e(k)为本次膝和上次测渣量值偏差则的差。在给定值r不变时25增量式P古ID控制允器算式考虑到：有则式中，Ki为积分系沈数，奋；Kd为微分司系数，枪。26数字式的斯闭环控制助系统可以进气一步将口增量式葬PID印控制器善算式简植化如下式中，A=Kp+Ki+Kd；B=-想Kp-2Kd；C=Kd。27分离式P辣ID控制在阶跃垃扰动下葱，系统斧在短时付间内会傅产生很慎大的偏限差，此辜时往往华引起积侧分饱和千、微分吹项急剧植增加的轰现象，啄控制系井统很容启易产生辨振荡，男调节性泡能很差铁。为克服尊这一缺逗点，可眨采用分耐离式的个PID鼻控制方且法。即玻当偏差笨很大时典，减小继积分与躬微分的折加权系追数。这捐样既能养迅速减拒小偏差蜘，又能絮保持调遵节过程堪平稳，白具体的介做法是白判断偏骡差e是否大律于临界亡值em，并使得e>em时Ki=K1×Ki，Kd=K2×Kde≤em时Ki=Ki，Kd=Kd式中，0赢<K1<1；捕0<K2<1。2813.怕5P锄ID参腰数整定采样周维期的选呈择一般对港于响应加快或信饼号变化差较快的替系统，惜采样周柜期应当信较小。轨但是，辛采样周值期受到鄙A/D春、D/溪A通道校速率和答计算机渠处理速石度的限苹制，必尺须保证校应用程摧序在一进个采样握周期内宝能完成达所需要北的运算缠和输入臣输出操艳作。为眯此，除场了选用冈适当的佛硬件外泻，我们莫通常还械希望数迫据通道锤和控制游算法高龟效，程觉序简洁游。对于响应科慢或信号节变化较慢而的系统，钟不必用过烫小的采样辛周期。如果采样吹周期过小灿，相邻两敲次采样信就号数值过精于接近。任A/D、仍D/A和盗计算机的石分辨能力钢受数字量暗位数的限到制，可能累无法分辨驳相邻两次尺采样信号左数值，反犹而不能起滨控制作用贺。29PID凯参数整目定的方委法通过反不复试验殖调整Kp、Ki和Kd三个参数恢值，使系填统的品质某达到满意唐，或者使吹某个综合表指标达到剩最优，譬赵如使IAE最小，这腥个过程称唯为PID参格数整定。常用的试溪验调整方休法有调试怨法和经验品法。近年来发沃展了多种酿仿生物智猫能的寻优请算法。30调试法调试通废常在阶纯跃设定弯下进行可。调试蜻步骤大集致如下1）Ki和Kd置为0，只将比例地控制系数Kp逐次由版小变大摧，每一次观梨察系统的狱阶跃响应彼，兼顾上资升快、超害调小、振荡衰者减快、才静差小奸。如果比例晓控制不能生使静差达主到要求，雕必须加入智积分控制朵来消除静类差。先给一肃个不大饶的Ki值，再将罩第一步所再得的Kp值略微减蕉小，然骨后逐步减汁小Ki，直到消监除静差同允时保持良绘好的动态胶品质。如果加入着积分控制里后动态品励质劣化，技可以加入译微分控制麦。31经验法经验法丸也称为身工程法显。工程伶界已总灶结出一痛些经验盲方法，说有扩充察临界比注例度法共、扩充鞠响应曲淹线法、正归一参种数法等盐等。不同的科方法适习用于不遍同类型蔽的工业扬系统，孟必须正逃确选择层使用。属这些经闻验方法水在实用巾中仍不荷能完全弱摆脱现制场调试骡，但是祖可以减挨少盲目妈性，减铁少试验谎次数，键提高参岗数整定怠和调试调工作的幼效率。32数字PI团D控制程死序流程图Kp、Ki和Kd三个参桐数的值没不依赖局系统的吧数学模浅型，可参以用于翠得不到后数学模聋型的对唉象，因品此PI杜D控制湿是应用搭最广泛工的一种趴控制策貌略。3313.6缓PID钥控制的改蛙进控制器饱驰和:无论比例琴、积分或善微分，P药ID控制愿器都可能布计算出很夸大的控制单信号u，可能在移一段时间端内超出D/A转换器的顽输出电压脖范围[umin，umax]，这种越现象称截为控制咳器饱和盘。当电动机蓬拖动大惯输性负载起搭、停时，越或温度系短统中要求喝温度迅速彼升、降时愈，设定值夕往往要大铁幅度地增缝、减，初汪期会出现石很大偏差坡。当系统仓遇到较大库的尖峰扰约动时，不片仅会出现帽很大偏差粪，并且偏焦差变化率饺也很大。篇这些情形搅下，PI意D控制器屯容易出现达饱和现象网。34防止控制赚器饱和的讽基本措施控制信井号限幅当u(k)＜umin时，取u(k)＝umin；当u(k)＞umax时，取u(k)＝umax。积累补博偿法如果PID计算得慢到的u(k)超出D/A转换器掏的输出幼范围[umin，umax]，将那伞些因控络制器饱练和而未肥能执行秒的增量恋控制信湿号Δu(k)积累起来街，一旦控总制器退出锅饱和，立垫即补充执跳行这些未粒能执行的肥增量控制糕信号Δu(k)。35积分项的龟改进积分分代离法在e(k)较大时振段，取辣消积分达控制作长用，而高在e(k)较小的时笨段，投入怪积分控制痒作用。逾限削滥弱积分进法在计算u(k)前，先判造断先前一信次的控制掩信号u(k－1)是否逾我限，若u(k－1)已逾限，柜应判断逾捐上限还是翻逾下限，薄再判断偏彩差是正还约是负，采针用以下策框略若u(k－1)≥umax，但e(k)＜0，积分可奸减小e(k)；若u(k－1)≥umax，而e(k)＞0，取消盆积分；若u(k－1)≤umin，但e(k)＞0，积分可坐减小e(k)；若u(k－1)≤umin，而e(k)＜0，取消仍积分。36微分项辽的改进不完全微炸分法在PID控制器窜输出端毁串联一怜个一阶英惯性环印节。一格阶惯性邮环节的塌低通滤劝波作用岭可以滤螺除高频夸信号，芒仅允许班低频信倍号通过翻。微分先行棍法在被控潮量y(t)进入比较晒环节之前吵先单独对y(t)求微分，萝不至于计粘算出很大归的变化率集dy(t)/dt。不对鸭偏差e(t)求微分投，也就惹是不对坟设定信蓬号r(t)求微分。旅这对于设蝴定值r(t)频繁大教幅度改亦变的系淋统，可伯以显著萄地改善碰动态品絮质。37不完全穷微分法当一个斧短时快既速变化冷的偏差您发生期桌间，微剖分控制头幅度先吧急剧增界大，随猫后又急励剧减小垮，信号u'(t)中含有汽丰富的暮高频成统分。信欠号u'(t)的高频成列分被一阶养惯性环节勿滤除，这辞样u(t)中的微霉分控制争作用可朗以适中姐而且持轰续。这眉种办法袋称为不次完全微堡分法。38微分先行赞法在被控量y(t)进入比陕较环节劝之前先母单独对y(t)求微分，皂不至于计忧算出很大州的变化率瞒dy(t)/dt。不对偏雅差e(t)求微分，动也就是不择对设定信忌号r(t)求微分妈。这对轻于设定既值r(t)频繁大幅然度改变的誉系统，可崭以显著地扣改善动态布品质。3913.7厦智能型自闹适应PI村D控制智能(或起仿智能)垒型PID孔控制器的贡重要优点花是不需要策在线辨识粗被控系统压的精确模晒型，对系搞统的阶数稿没有限制衣，又能进密行比较精袋确的在线拌控制。该端方法的核踢心是：根园据控制器宴输入信号岸(即系统迷误差)的勺大小、方擦向及变化番趋势等特灿征而作出州相应决策鱼，选择适书当的模式傲进行控制端。20世纪骂60年代剃中期，一捎些学者把赏人工智能蜜技术引进天控制系统银，傅京孙串教授首先潜题出“人说工智能控仆制”的概搬念，19周67年首场次正式使尚用“智能混控制”一构词。40二模式P坐ID二模式(掘即开关模泼式与PI住D模式)戏PID控早制的控制朱效果比起叉普通PI披D控制来谁有较大的通改进。二模式感PID工的两种丽控制模少式是根闷据两种薄不同的逼条件来扛确定的忽，也是减一种控肚制规则民。：1）如果瞧满足|e(n)|>M1的条件，干则采用开糟关模式进逐行控制（猾非线性控芬制），使葱误差迅速进减小；2）如撤果误差峰趋势增农大，则封加大控雕制量以歼便迅速消纠正偏绣差，此害时应采昌用比例述模式；3）如苗果误差毫经过极刻值而减识小，则丛减小控杠制量，足采用保裕持模式隆2；4）如果堤误差为零暂或很小（毛在允许的散误差带内畜），系统绝已处于平错衡状态，门则保持原躺有的控制客输出，即最保持模式害1。41二模式临PID这种控设制算法皆既有I闭F……映THE浮N……劫这种人讯工智能誓的推理班逻辑运谋算，又偿有等数学的期解析运算混，控制功储能早就超填出了一般敞的PID菊控制规律瞧的范围，让充分发挥约了计算机臣速度快、皆精度高、党存储信息合容量大和聪逻辑判断许功能强的洋优点。从中仍瘦可以看酬到常规P究ID控险制中的剥思想：爷除比例岩模式外校，保持研模式具略有类积厘分的功曲能；在跨判断中搏用误差循的差分耗含有对卵误差微培分的作差用。因此虽鞭然其内嫩容和形叮式都远反远超出耳了常规较PID算调节器恩的范围择，仍采百用了(银智能)迅PID距的名称细。42PID两得到广淋泛应用赛的根本锈原因PID铃控制有拥能力对正闭环传启递函数高产生影裤响，通听过极点民的配置柴实现满公意的系荡统响应么。由PI飘D控制张器的传判递函数烤发现，上PID糊控制规景律除可忌使系统逼的精度哭增加以刮外，还势能提供目两个负场实数零吃点。这酱与PI昌控制规蜓律相比桌较，除床了保持坡提高系炎统稳态律性能的宵优点外岸，由于匙多提供饱一个负车实数零沃点，所沟以在提禾高系统滔动态性肢能方面漏具有更析大的优用越性，则这便是象PID业控制规江律在控溉制系统敢中得到仔广泛应愁用的根邻本原因墨所在。43经典控斧制和现赢代控制六理论与遥智能控轨制的对吼比与智能傲控制相柿比，经范典控制槽和现代圾控制理练论着力费研究被摔控对象初而不是套控制器忽，它们迈要求能扑够在常车规理论译规定的伙框架下舍，用数荷学模型敲严格模杯拟被控现对象，研其控制若能力依士赖被控桂对象数蛾学模型赢的精确斗程度，拼因此，贩难以适奖应系统正复杂性尊增加的帜需要。智能控制追是以知识点表示的非萄数学广义托模型和传写统的数学凶模型表示锈相结合的孔混合控制挽理论，为晌解决那些起用传统的进方法难以智解决的复绑杂系统的珠控制问题宇提供了新发的更有效刚的方法。44自动控制思的发展过少程随着科学清技术的发滴展，对自位动化设备发性能的要医求越来越采高。控制帖理论也相阴应由经典秘、现代控遍制发展到典智能控制哀。4513.8征模糊控梁制器及其照特点经典控咳制理论蔽的发展指及其应诵用经典控制扭理论在2董0世纪5拨0年代已基经达到相酬当成熟的扫程度，与年此相应而并发展起来尝的控制器秧以PID耳调节器为妈代表。按偏差的缘瑞比例、积馆分和微分光控制是过枪程控制中斤应用最广灶泛的一种眠控制率。展实际使用奇经验及理健论分析充匆分证明，帖这种控制感率在对相尾当多的工挑业对象进粪行控制时刷能够得到富较满意的待结果。但PID蔬控制也受凑到一些限纳制，如P凭ID控制荣要求被控妙系统模型咽在控制过头程中保持涛不变，并救且为了满枪足控制系且统的性能革要求，最询好应求出感各个组成蛇部分的数欠学模型。掏此外，P珍ID控制边器只能用幕于固定参立数的系统钢，且在某节一条件能匹达到稳定椅的系统可暑能在另一劫种操作条捐件下完全膀无法使用欠。46经典和受现代控桨制理论嘱的发展枝及其应幻玉用最优控制鲜用状态变铸量对系统糕进行了完使全的描述产。由于采止用了状态蹄反馈，比止起经典控僚制理论中经采用的输三出反馈方彻法能得到壁更多的系赞统信息，叔因此使系角统的响应鉴更快，控另制品质最营优。但实际系泄统中的有脆些状态是行很难观测把的，因此采要设计相符应的状态酒观测器。47经典和现倘代控制理模论的发展液及其应用自适应苦控制在国一定程留度上解阁决了非串线性和饰时变问超题，但逼它要求睬在控制浆过程中洗获得较诸多的有每关系统滑信息。但证明一价种算法比肃其它算法翼更优是一俘大课题，将建立算法浑的收敛条烈件也是一拦个难点。宣所有这些棍问题可以遍归结为一戴点：自适乳应控制的田计算量大梅、算法复刊杂。一些文献秧中的试验丹表明：在艘对确定性捕信号（即硬不满足持事续激励条碑件）进行启跟随控制塘时，自适埋应控制方捐法较PI本D控制方事法的效果售要差；在疼负载阶跃刻扰动下，鸦自适应控窃制的效果誓也较PI疾D控制要披差。48经典和促现代控寸制理论鼓的发展毁及其应茧用PID控肤制算法简延单、所用豆存贮量少瓶，计算量寸小，占用是嵌入式微辆处理器的情资源少，葵但要解决犬参数自适迫应的问题息；自适应控贤制虽能解重决参数变郑化的问题内，但算法示复杂、计衔算量大，扯需有很高窄的运算速类度和很大和的存贮容间量，这是不大多嵌入张式微处理讨器较难满它足的。49模糊控制性理论的发留展及其应盈用自从美繁国控制蓄理论专滔家查德茂(L.丈A.挡Za泽deh锯)教授边196童5年关年于模糊菜集合的眠论文发孝表以来纹，模糊情数学及推模糊控怜制理论秆的应用圾越来越蜜广泛。模糊控虽制方法俗的主要掘优点是爽它不需签要对被聪控系统搁有十分肝精确的今了解，经而主要听把注意欲力放在咐控制器掌的设计会上。模糊控坟制的本导质是非骗线性的激，因此路对一些周不易获薯取精确在数学模离型的系哥统或过厉程及非良线性系讯统来说州，采用爹模糊控葡制的方匪法可以启得到用久常规控端制方法抛难以取厅得的效葬果。50模糊控浇制理论误的发展迹及其应柔用在经典施控制理愁论中，转我们靠美微分方三程(E址qua帆tio游ns)物来获取扔系统的阻有关知暑识；在浙模糊控队制理论炼中，靠是经验(码Exp僻eri订enc图e)来劣获取系底统的有卧关知识瞒；而以伯神经网概络为代没表的其胖它智能鉴控制方痕法则是抖根据事似例(E甩xam眼ple摧s)、恋通过学垒习来获浩取系统畜的有关右知识。模糊控制灰和其它人祥工智能方旷法常常结衬合在一起届使用，因乱此对系统古有关知识拳的获取，灭也是根据茄事例并结森合经验得部到的。51模糊量及精模糊控制如果采芹用模糊串控制的疗方法对他某个液菜压系统城的流量竭进行控态制：首默先可以椅测定一签下输入瞒（如阀眯的开口恨量）和却输出（稠如流量是）的范灶围（即这所谓的单“论域凶”），且由于人接经常将瘦相比较丽的同类声事物分盲为三个鞭等级，渣如温度哑分为高袍、中、嚼低，速暖度分为宣快、中辰、慢等光。对系非统的偏史差也可虚分为大歼、中、词小这样脂三个等杯级。这援样，当外系统的允流量偏山离了目贿标值时郊，根据遵偏差的梯大小，园相应地舍调节阀户门（大垒或小）产就可以伞使流量破趋向目休标值。上述的饺大和小纲、快和敬慢不是蜜用数值累、而是切用语言斧来描述祥的，它易们之间委的边界洁并不清些晰。因抵为人的事语言具缺有很大升的模糊姜性，所弓以这些胶量被称青为模糊小变量。52模糊量艺及模糊串控制模糊控唤制不需秆要系统猛精确的复数学模朵型，而乔只需根填据人的割经验，荒组成一谢些控制骄规则就狂能进行趋有效的甩控制。我们知横道，人在解狮决实际姑问题时享经常是老只求满刘意解，撑而不求寄最优解。对于那些湖难以获得桌数学模型冲或模型非畜常粗略的早工业系统碰，仍然是声以人的操漠作经验为即基础，进然行人工控皆制。而在惕人的思维岛、语言及箱信息处理岂中，表现励出许多模始糊概念，腿可见对一按些不清晰妙的系统，膏就是要把班模糊信息通综合起来棒加以分析预。用模糊源数学理比论与计俘算机技献术相结轻合的方计法，设睁计成模额糊控制娱器，来族代替有内经验的乡丰操作者斗的人工咱控制，棉以实现腾工业过归程的智规能控制敌。53模糊集合籍和隶属函摆数的概念在康托（C效onto屿r）创立的集合论中，论沟域中的礼任一元辟素，要伏么属于疤某个集含合，要球么不属减于某个缓集合。穿若元素x∈A，则其产特征函目数XA(x)=1，警若盯，废则XA(x)=0。表如左图所题示。查德别(L.加A.伐Za解deh贸)教授首次青提出了模糊集押(Fu剪zzy粗Se皆ts)的概念姓，他把敌模糊集葱合的特好征函数搞称为“摔隶属函素数”（脊它在[堪0,1雷]闭区伴间里连剃续取值谊），某箭个元素x隶属于某涂一模糊集舞合A的程度股可用它劈燕的隶属禽函数来良表示。雕如右图演所示。54模糊集合壮和隶属函煌数的概念就一个人熄的年龄来盾说，用特艇征函数的逐概念，可锹以说或者商是年青人圆，或者不割是年青人骗。而用隶滩属函数的覆概念，则抹可以说他宋“年青”撒、“不太狐年青”、饺“不年青池”等，如迫果我们考灭虑具体问宣题的范围种论域为：U={x1,x2,x3,x4,x5}={4肚0,6译0,2巴5,2批8.5,愤32}模糊集合附A表示年椅青人的集统合，则隶蛮属函数55模糊集腿合和隶个属函数待的概念采用查德宿表示法描忧述上述的鞭年龄问题域：A=0.餐2/x1＋0/x2＋1/x3＋0.啊8/x4＋0.3化4/x5式中，恒“＋”抄表示列执举，xi表示模糊陡集合的元软素，0.寇2,0挽,1,桶0.8蓄,0.撇34表示莲相应元素衫的隶属度衰，则有：则我们俭说x1不太年滩青，x2不年青，x3年青，吊……等耽。56模糊集铸合和隶倒属函数沃的概念对于一个匆控制系统担来说，输汪出误差E可用同样啦的方法来鞠表示。通贺常在控制难时不仅要考摔虑到误差E的模糊子这集，而且天常常要考豪虑误差变折化率C=dE/陪dt的模糊子两集。系统的给画定值和系组统的输出周经过比较篇环节后得避到系统的击偏差E，由偏妨差E可求出偏暑差的变化论率C。在此，E和C都是精讨确量。由于在日焦常生活中宴，人们习尚惯于把相揪比较的同思类事物分吨为三个等英级，如高劳、中、低晕；大、中农、小；快彼、中、慢畏等，所以我们把零偏差E和偏差变暑化率C也分为三苗级。因此，袖偏差和叮偏差变糖化率可温以从一罢个精确食量转化及成如“佛偏差大挽”或“昂偏差小股”这样闸的语言报变量。57模糊集绿合和隶拜属函数岗的概念——实混例如果我末们观察连到偏差E的实际京变化范停围在[a,b]之间，晶可以通过惰变换式把在[a,b]区间责变化的e转化为在狱[-6,半+6]舌之间变化影的E。再将在艳[-6肝,+绍6]之吊间连续使变化的E分为如下隙8档：正大(P鼠L)──守+6附卖近正中(P狱M)──主+4附疫近正小(P旨S)──腊+2附惨近正零(P拨O)──箩比零稍狸大负零(兵NO)匙──呆比零稍颂小负小(N众S)──胖-2附之近负中(N讽M)──蚁-4附碌近负大(复NL)亮──吩-6附熄近58模糊集递合和隶狮属函数列的概念——实内例偏差E模糊子扣集表59模糊集合秘和隶属函暑数的概念——实边例用查德起表示法票表示偏钥差的某终个模糊徒子集(究如偏差烤的负大宽)，可态写成：E1=1/-6化+0.8闲/-5+协0.4/揉-4+0歪.1/-休3+0/凤-2+0/-烟1+0/剧-0+0灶/1+0沈/2+0恭/3+0卵/4+0切/5+0夺/6比起用数普学解析表亿达式建立葵系统的模年型来说，用语言雀变量来挡描述一和个系统魔，对任窝何人都阵很容易忙理解，扬不需要暮对某个葬系统有姐高深的挥理论知帮识，但常确定这昼些语言雅变量相吐对应的滴模糊子脱集的隶膛属度却另要根据召经验来寒完成。“大”盲和“小”防究竟取多南少最合适补，有时需借要多次调其整才能得总到满意的盘效果。60模糊集合崇和隶属函锐数的概念——实拣例偏差变化椒率C模糊子吧集表61模糊集恼合和隶新属函数袭的概念——实察例控制输扣出u模糊子坦集表6213.9皂模糊控想制器的设征计模糊控族制器的叮设计需眼要解决列以下三议个方面绣的问题师：精确量案的模糊酷化；模糊控制壶规则的构慢成；输出信息四的模糊判册决。63精确量集的模糊床化对一个祸实际系伟统来说伍，如果罩观察到旗它的偏蝇差e在[a，职b]之间厨连续地变炒化，而我剩们希望把辞偏差e分为大询、中、垫小和零张这样几喷档，则皂可以通界过变换遮式把在[a,b]之间俯连续变龙化的精浇确量e转化为逗在[-警6,+丘6]之李间变化买的模糊宗量E，其中：正大(叔PL)么──辜+6附视近正中(愁PM)慎──毕+4附伯近正小(P警S)──肯+2附叠近正零(拢PO)讽──冬比零稍款大负零(N朴O)──杨比零稍写小负小(N并S)──堂-2附挑近负中(N落M)──防-4附减近负大(乖NL)俘──捡-6附舞近64模糊控股制规则享的构成最常用匀的模糊开控制器累是两维引输入、卡一维输庭出的，惯如图所吧示。该控制召器的语压言规则氧为：如膀果偏差押为E且偏差变挎化率为C则进行伸控制操昼作U，或写型成：IFEANDCTHENU65模糊控制连规则的构条成在经典饮控制理蠢论中，派通过系么统的输邻入和输脚出可以顶求得系尼统的传茅递函数签，而在摘模糊控膜制理论按中，通蜻过系统逆的输入匙输出可雅以求得卖系统的挥模糊关炉系。如：已知宅系统的偏纳差控制量则与这条芬规则相对岭应的模糊魄关系是一众个二维的帐模糊集，跨被定义为66模糊控袋制规则扫的构成具体算捐法如下式中，而运算符昨“毙”表毁示“交截”，即叔在上述然运算中与取较小管的数。67模糊控吩制规则叨的构成若模糊关骆系R已知，吵当偏差昼为时，则控凉制量=(0.索8,0.绝8,0.殿5,0)即68模糊控月制规则际的构成最常用的石模糊控制家器是二维穗的，其语祖言推理式叨为IFE=EiANDC=CjTHE演NU=Uiji=1,2胃,...星,mj=1,2态,...题,n其中，Ei，Cj与Uij分别为定唉义在X，Y，Z上的模糊哭集。这些模窃糊条件诉语句可贪归结为旋一个模鸡糊关系破R，即根据模糊质数学的理土论，运算香符“愁”的含陪义由下式患定义69模糊控世制规则缎的构成如果偏差恋、偏差变卸化率分别蛛取E和C，根据模围糊推理和容成规则，虹输出的控病制量应当申是模糊集U即这样，若求已知E、C和输出蒜控制量U，可以慰根据式求出模享糊关系R；反之，送若已知剃系统的撤模糊关桥系，则茅可以根英据系统植的输入E和C求出输惰出控制额量U。70模糊控壮制规则蛮的构成通常，对系一个工业焰过程可以却总结出许债多条规则诱：IFE1ANDC1THE军NU11IFE1ANDC2THE蜡NU12…IFEiANDCjTHENUij…对任何一兵条规则都肾可以推出崇相应的模灰糊关系，偿即：R1，R2，……，Rn，因此佛系统总源的控制剂规则为71模糊控制疏规则的构瓜成系统的偏帐差E、偏差怒变化率C和控制爸量U之间的模弦糊关系R可以用蛇下表来漂表示。72模糊控制助规则的构屠成模糊控访制规则逗的调整停从模糊闪控制诞末生之日泉就使人尾们对它肚产生了摆广泛的禽兴趣，碰有的文漫献介绍摩了一些浸调整的绕方法，校然而这叹些调整仇方法都弦是根据佳操作人仔员的经拴验进行厅的，通门用性较票差，只睬能是专鄙用的模敬糊控制磨器。还有的跨文献为辱模糊控朱制规则卖的自调荐整问题肥奠定了删必要的衰理论基构础，并凳提出了汗一种有断效而又趁简单的绸方法，惨具体作里法如下滨：73模糊控制命规则的构谱成关于运算赴符<·>乘的说明：约用<A>仿表示一个停与A符号棕相同而其毫绝对值是突大于或等冈于蚁|A|的石最小整数狡，例如：<0>蛛=造0<0.差5>则=1真<晴-0.棍5>番=-1<1>处=1注<泛-1>暑=-1<1.姐5>蹲=2胸<伸-1.独5=>梅-2…腹…采用一种缎带修正因脸子的控制瞧规则：式中，α是介于别0,1扩之间的已实数很明显挨，只要覆调整系担数α，就可以幅对控制规仰则进行修叫正。74模糊控制匆规则的构谅成以α作为调贪整参数菌不仅简爬单易行艘，而且选物理意走义也是迁很明显耀的，它苦直接表卵示对偏才差E和偏差变燥化率C的加权程炼度。在被控队对象的纳阶次较堤高时，母对偏差杯变化率C的加权张值就应羽该大于推对偏差E的加权值描，因此α要取小兵些；相反，当屠被控对象训阶次较低另时，对偏职差变化率C的加权犁值应小辈于对偏色差E的加权科值，即α要取大腊些。这捐种方法深克服了代单凭经巡寿验来选鹅择控制渐规则的伶缺陷，旱是合理真并可行跟的。75输出信县息的模贞糊判决模糊控梢制的输罩出是一惩个模糊侮子集，灵它反应刷的是不野同控制披语言所括取值的纠一种组双合。但对一个凉实际系统搅来说，被既控对象只患能够接受端一个控制防量，这就慎需要从输涉出的模糊想子集判决规出一个控互制量。即见要推导出一个由泊模糊集抽合到普雁通集合毕的映射模，这个到映射通掏常被称谁为模匪糊判决，只有约通过判容决才能露得到控美制量的饺精确值泡。一种常桌用的方类法是最大隶波属度法。即在要友判决的模培糊子集Ui中取隶膜属度最绸大的元后素umax作为执行购量。这种椅方法虽然芬简单，但勾它所概括论的信息量祝太少。76输出信导息的模若糊判决按最大隶培属度的原则奥，应满梯足：这样做嘉完全排旨除了其辽他一切馆隶属度毕较小元购素的影宽响和作罪用，并尚且为了务使判决致能实现丑，还要虑求控制妥器的算酬法应保迈证其结叛果是正艘规的凸呼模糊集呈，但这岁一点并滴不一定奴能保证叔。因此吸我们在冰此采用狭了加权平均鞭判决法，其执行民量umax由下式决泥定：其中权啦系数ki的选择掌应根据毒实际情皇况来决慰定，加婆权系数湖的决定厦直接影才响着系贯统的响炒应特性殖。77输出信息多的模糊判俩决对模糊携自动控踢制系统盒来说，狮要改善希系统的唤响应特裙性，选尤取和调岸整有关斩的权系顽数是个阔关键问筝题。为准简便起择见也可妖采用普村通加权月平均法舟，其执件行量umax由下式决编定：7813.脏10处模糊控责制方法痒在温度堡控制系既统中的棋应用温度的控肿制是科学功