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畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 中英文資料 信 電 系 工業(yè)電氣自動(dòng)化 專業(yè) 03 級(jí) 1 班 課題名稱： 基于單片機(jī)的模糊 度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )起止時(shí)間： 2006 年 2 月 15 日 ～ 6 月 8 日 (共 17 周 ) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 20 指導(dǎo)教師： 報(bào)告日期： 2006 年 6 月 8 日 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 1 常規(guī) 模糊 法的分析比較 摘要 ：模糊 制器實(shí)際上跟傳統(tǒng)的 制器有很大聯(lián)系。區(qū) 別在于傳統(tǒng)的控制器的控制前提必須是熟悉控制對(duì)象的模型結(jié)構(gòu)，而模糊控制器因?yàn)樗姆蔷€性特性，所以控制性能優(yōu)于傳統(tǒng) 制器。對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，如果能夠很好地采用模糊控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，其控制結(jié)果的穩(wěn)定性和活力性都會(huì)有改善。但是，如果調(diào)節(jié)效果不好，執(zhí)行器會(huì)因?yàn)橹芷谡袷幱绊懯褂脡勖貏e是調(diào)節(jié)器是閥門的場(chǎng)合，就必須考慮這個(gè)問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一個(gè)固定的初始域，這樣相當(dāng)程度上簡(jiǎn)化了模糊控制的設(shè)定問(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)。文中分析了振蕩的原因并分析如何抑制這種振蕩的各種方法，最后，還 給出一種方案，通過(guò)減少隸屬函數(shù)的數(shù)量以及改善解模糊化的方法縮短控制信號(hào)計(jì)算時(shí)間，有效的改善了控制的實(shí)時(shí)性。 1 引言 模糊控制器的一個(gè)主要缺陷就是調(diào)整的參數(shù)太多。特別是參數(shù)設(shè)定的時(shí)候，因?yàn)闆](méi)有相關(guān)的書參考，所以它的給定非常困難。眾所周知，優(yōu)化方法的收斂性跟它的初始化設(shè)定有很大關(guān)聯(lián)，如果模糊控制器的初始域是固定的，那么它的控制就明顯的簡(jiǎn)化了。而且我們要控制的參數(shù)大多有其實(shí)際的物理意義，所以模糊控制器完全可以利用 法的控制規(guī)律進(jìn)行近似的調(diào)整。也就是說(shuō)最簡(jiǎn)單的模糊 法（ P+I+I+D），控制過(guò)程中它會(huì)根據(jù)控制要求，做出適當(dāng)?shù)倪x擇，保證在處理跟蹤以抗階躍干擾問(wèn)題上，其控制性能接近于任何一種 制。假設(shè)模糊集的初始域是對(duì)稱的，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)采用法。 為了改善上述設(shè)計(jì)的模糊控制器，我們有必要考模糊控制器的參數(shù)問(wèn)題，有兩種方法可以采納，一種采用手動(dòng)的方法改變，另一種就是采用一些相關(guān)的優(yōu)化算法。其中遺傳算法就是一種?？刂破鞑捎玫膮?shù)不同，其收斂的優(yōu)化值也會(huì)不一樣。這些參數(shù)包括模糊集的分布，模糊集的個(gè)數(shù)，映射規(guī)則，基本模糊控制器的參 數(shù)和不同的算法組合等。要注意的是在優(yōu)化前必須選定模糊推理及解模糊的方法。很明顯，優(yōu)化過(guò)程很耗時(shí)，更有甚者，有些優(yōu)化方法要已知系統(tǒng)的精確模型，但是實(shí)際過(guò)程中難以得到系統(tǒng)的精確模型，所以在大多數(shù)情況下，這些優(yōu)化算法不能直接應(yīng)用在實(shí)際過(guò)程。也就是說(shuō)模型不精確直接影響優(yōu)化成敗。模糊控制的主要思想就是針對(duì)那些傳遞函數(shù)未知的或者結(jié)構(gòu)難以辨識(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行控制，這也是模糊控制的性能為什么優(yōu)于傳統(tǒng)方法的原因。同時(shí)，把模糊控制和傳統(tǒng)的 制算法結(jié)合起來(lái)，更能體現(xiàn)這種算法的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗蟠蠛?jiǎn)化實(shí)際過(guò)程的調(diào)整。 圖 1 隸屬函數(shù) 圖 圖 2 映射規(guī)則圖 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 2 參數(shù)集的啟發(fā)式優(yōu)化法也適用于模糊 制器，它采用固定的定義域，其參數(shù)的選取和傳統(tǒng)的 制器都一樣。我們采用的控制方法是結(jié)合模糊 法和 法并利用啟發(fā)式優(yōu)化法處理參數(shù)集，特別要注意這里的調(diào)節(jié)器出現(xiàn)了兩個(gè)比例環(huán)節(jié)，所以它的控制可能不同于傳統(tǒng)的 法。但是我們調(diào)整的參數(shù)它們本身具有實(shí)際的物理意義，值得一提的是前面所提到的控制可以通過(guò)改變采樣時(shí)間而不改變定義域的范圍實(shí)現(xiàn)調(diào)整。 2 模 糊 制器設(shè)計(jì) 控制信號(hào)由模糊控制器得到（參考文獻(xiàn) [2]）： 模糊 制器的一種實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 3 所示： 圖 3 模糊 制器結(jié)構(gòu)（區(qū)域單位化） 現(xiàn)在我們假設(shè)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)如下描述，然后通過(guò)仿真圖比較模糊 制器和傳統(tǒng) 制器的控制性能： 采用 [6]中所用的調(diào)節(jié)方法，我們可得參數(shù) ，其響應(yīng)如圖 4 和圖 5 所示。干擾作用于系統(tǒng)的輸入，模糊控制器如圖 3 所示，映射規(guī)則如圖 2 所示，隸屬函數(shù)如圖 1 所示。 圖 4 傳統(tǒng) 制 圖 圖 5 模糊 制 圖 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 3 同理取相同的參數(shù)集合 ，但是采用不用的模糊推理和解模糊化方法進(jìn)行優(yōu)化，我們把最大值設(shè)為 10，即 ，采用周期 ，則，輸出響應(yīng)如圖 5所示，下面的集合已經(jīng)在 [3]中測(cè)試過(guò)了，模糊推理方法采用 模糊部分采用 法，隸屬函數(shù)采用三角形分布或單值分布，把定義域單位化，然后從七個(gè)模糊集中任取三個(gè)，進(jìn)行仿真，如果隸屬函數(shù)是單值分布，也一樣。 把傳統(tǒng)的 制算法和模糊 制算法的結(jié)果進(jìn)行比較并討論。我們發(fā)現(xiàn)采用模糊控制的系統(tǒng)輸出超調(diào)量雖然很 小，但是抗干擾能力并不比傳統(tǒng)的 制器好。 圖 6 有 7 個(gè)隸屬函數(shù)的模糊控制 圖 7 有 3 個(gè)隸屬函數(shù)的模糊 制器采用最小 參考文獻(xiàn) [6]，看圖 5，發(fā)現(xiàn)給系統(tǒng)的輸入端加上幅度為 階躍干擾，系統(tǒng)輸出響應(yīng)趨向振蕩地很厲害。假設(shè)這里所有響應(yīng)采用的集合都是一樣的，我們看圖 6，它的響應(yīng)曲線沒(méi)有明顯的振蕩。但是，我們還不能分析 [6]所提供導(dǎo)致振蕩的可能原因，因?yàn)檫@里沒(méi)有文 [6]提供的模糊控制的所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。 我們發(fā)現(xiàn)，即使采用遺傳優(yōu)化算法 ，其控制結(jié)果也沒(méi)有遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過(guò)模糊 制的近似調(diào)整結(jié)果。但是我們可以通過(guò)減少隸屬函數(shù)的個(gè)數(shù)達(dá)到縮短計(jì)算控制量所需時(shí)間。可是，減少隸屬函數(shù)個(gè)數(shù)的同時(shí)，也會(huì)伴隨著動(dòng)態(tài)性能的降低，但是這種品質(zhì)的降低完全可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)彌補(bǔ)。從仿真結(jié)果來(lái)看，文獻(xiàn) [6]中的結(jié)論沒(méi)有理論證明。 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 4 3．模糊 I 控制器的設(shè)計(jì) 讓我們先給出一個(gè)模糊控制器，它是由模糊 模糊 制器并聯(lián)在一起組合而成。 其中，圖 9 是傳統(tǒng)的 制器的輸出，它采用 法（ ? ）。 而模糊 制的設(shè)定參考文獻(xiàn) [2] （ 4?? K ， ， ? ，10?? M ， ，模糊推理采用最小 模糊采用 法，有 7 個(gè)隸屬函數(shù)）。其中 隸屬函數(shù)的分布以及采用的模糊規(guī)則分別如圖 1、圖 2 所示。唯一的區(qū)別在于控制增量的 變化，如圖 11 所示，圖 10 是仿真結(jié)果，而圖 12 給出了采用不同的三個(gè)集合的系統(tǒng)輸出，實(shí)線表示采用前面文章所用的調(diào)整方法，但模糊推理方法采用 線表示采用 3 個(gè)隸屬函數(shù)，最小最大模糊推理、解模糊采用 屬函數(shù)為三角形分布）的仿真的結(jié)果，點(diǎn)劃線表示采用 3 個(gè)隸屬函數(shù)，最小最大模糊推理、解模糊采用 屬函數(shù)為單值分布）的仿真的結(jié)果。 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 5 圖 13 表示系統(tǒng)輸入加入 階躍干擾后對(duì)系統(tǒng)的輸出影響。 采用模糊控制的系統(tǒng)輸出或多或少都會(huì)有振蕩，其原因不僅僅受參數(shù)的調(diào)節(jié)的影響，還有所用的最小最大模糊推理的影響。但是如果采用 模糊推理，解模糊時(shí)采用單值法，這種振蕩可以大大的抑制。但是造成振蕩的另一個(gè)可能原因就是推理機(jī)構(gòu)的錯(cuò)誤動(dòng)作。 從圖 14 我們發(fā)現(xiàn)，如果兩個(gè)相鄰的隸屬函數(shù)的最值的距離只有 用的區(qū)域已經(jīng)單位化 ,如圖 15 所示），在沒(méi)有其他干預(yù)的情況下，就會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩。眾所周知， 制會(huì)有初始誤差， 制會(huì)有振蕩。但是如果采用單值隸屬函數(shù)而不是三角形分布的隸屬函數(shù)，上述的振蕩現(xiàn)象就可以抑制。從圖 14 中可以看出，采用單值隸屬函數(shù)，在剛開始，系統(tǒng)輸出振蕩最厲害的 時(shí)候采用單值隸屬函數(shù)，等到等幅數(shù)振蕩輸出之后就不采用單值隸屬函數(shù)（虛線表示），之后采用三角形隸屬函數(shù)和 模糊方法。（兩種情況都沒(méi)有穩(wěn)定誤差）。所以我們可以下結(jié)論：即使采用相同的解模糊方法（ 如果隸屬函數(shù)不一樣，控制結(jié)果也會(huì)不同的。 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 6 F A ID to ID of on ID of be On is it of is is of be of to of it to to of by of by 1. ne of of is of to be It is to is no to do it is of is on of is a is to be be to ID is to it as a of P+I+D [4] I+D [5]). of is to of ID to of To of it is to of or to do be be to of of be to It is of a of is on of of in of it is to of on to of of to it at is no of of be to it to be to it of of is I as of I of I D be of it be of of in of ID is of is in 息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 7 it is to to of 2. I he by I 2]) of I is 3. us by to to of I I 6] we = 5.8 s. of 4. on of 3 2. as of = 5 to of = 10 = 0.1 s. 5. 3]. OG or as an of in in of 1). I I of it is 息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 8 is of I In 6] 5 in of to as in to As it be 6, no it to of in 6] to of of I It is to by of to of of 7). be by of As a of we in 6] 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 9 3. D+et us as a of I D 9. K = 2.8 s, 0.7 s). of is up 2] ( 4, 2, 10, T = 0.1 s, 7 I D 1 2 is in of is as 11. be 10. 12 as OG of of at of is 13. 信息與電子工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（中英文資料） 10 is to of is of is of is of of of on 15) to 14) is D I of of 14 it be as an at OG in As a we is a if OG is