基于智能PID的温度控制系统设计.docx

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1、摘 要温度是工业生产中的一个非常重要的过程变量，在一些领域中，例如冶金， 电力工业等，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。 本设计以电阻炉为控制对象， 近年来随着工业的发展，电阻炉在工业控制中的应用越来越广泛，所以对温度的控制要求也越来越高。然而，电阻炉是一种具有非线性、纯滞后、大惯性和时变性的控制对象，很难用数学方法建立精确模型。针对工业热处理过程的特点和需求。设计了基于智能 PID 的电阻炉温度控制系统。本文以模糊自整定PID 控制算法为基础，通过热电偶获取温度，将温度进行 A/D 转换后送入单片机进行处理，通过 PID 模糊算法用来控制加热炉的输出功率，实现对温度的最

2、终控制。实验证明模糊 PID 算法在电阻炉温度控制中有着明显的优势，可大幅度提高被测温度的技术指标，大大提高其可行性与稳定性。关键词：温度控制；模糊 PID 控制；单片机AbstractThe temperature is an important process variables during the industrial productions，In some areas，such as Metallurgy, electricity industry, the Conventional control methods can not satisfy the high performan

3、ce requirements。In the thesis，the temperature control system that the object is resistance furnace，with the development of industry, electric heating furnace is more and more widely used. So, the demand of temperature control is increasing. Nevertheless, for the electric heating furnace control syst

4、em with the characteristic of non-linear, pure time-delay and time-variation, it is difficult to establish a precise mathematical model.A digital temperature control system for industrial stove is designed aiming at the features of industrial heat treatment process which need for advanced temperatur

5、e controlThis paper designs the tow orders TDC to control resistances base ofFuzzy self-tuning PID controlling arithmetic. We get the temperature through the thermocouple ，then we can deal with it through the microcontroller after A/D conversion process. Finally ，through the PID fuzzy algorithm ，we

6、can Control the output power of furnace, and realize the ultimate control. The result shows that the fuzzy PID control method is superior to traditional PID control method, we can greatly improve the technical indexes of the tested temperature and its feasibility and stability.Keywords ： temperature

7、 controlFuzzy PID controlmicrocontroller目录摘 要IABSTRACTII第 1 章 绪论11.1 温控系统设计背景11.2 温度控制系统的概述及现况11.3 温度控制系统的改进1第 2 章 温度控制系统的整体设计32.1 传统的模糊 PID 控制32.2 电阻炉温度控制系统4第 3 章 系统的硬件设计53.1 系统的总体构成53.2 单片机的选取53.3 传感器的选取73.3.1 温度传感器73.3.2 热电偶的工作原理83.4 A/D 转换电路设计93.5 D/A 转换电路设计12键盘显示电路设计14数据采集系统16第 4 章 控制算法设计16模糊控制

8、系统特点与应用17模糊控制系统的组成17模糊控制器结构的研究184.3.1 PID 模糊控制器20控制器的结构224.4 模糊 PID 复合控制算法234.4.1 传统的 PID 算法23模糊-PID 复合控制算法设计25第 5 章 系统的软件设计305.1 A/D 转换流程315.2 D/A 转换流程31键盘显示子程序流程33模糊 PID 控制流程设计33第 6 章 仿真结果及分析356.1 介绍仿真环境356.1.1 MATLAB 介绍356.1.2 Simulink 介绍356.2 传统 PID 控制器的设计36模糊 PID 控制器的设计376.4 模糊 PID 控制器的系统仿真39结论

9、41参考文献42致谢44附录 145附录 246第 1 章 绪论1.1 温控系统设计背景温度控制系统是比较常见且典型的过程控制系统。它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。目前，在很多场合下，温度已成为非常关键的因素，许多物理特性的变化都直接反映在温度的升降上，因此对温度的监测的意义越来越大。本设计中我们研究的是电阻炉的温度控制系统,电阻炉温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后的特点。1.2 温度控制系统的概述及现况温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域 ，如家电、汽车、材

10、料、电力电子等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同， 如煤气、天然气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。在本设计中，采用传统的 PID 和模糊 PID控制相结合的方法，更好的来控制电阻炉的温度。1.3 温度控制系统的改进随着电子技术和控制技术的发展，智能仪表逐渐取代传统仪表成为工业测控技术的主要工具，随着计算机，通讯技术在工业自动化系统

11、的广泛应用，工业仪表的功能越来越强大。在高新技术的推动下，作为工业主要技术，测控仪表正跨入真正的数字化，智能化，网络化的时代。数字化的测控设备可通过网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现工业生产过程的集散监控管理。随着现代科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等的要求越来越高，测温范围越来越广，因此温度测控技术的研究是一个重要的研究课题。以智能仪表为控制工具的温控系统具有一定的实际应用价值。单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低， 可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。单片机主要应用于各控制领域，用来

12、实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性好等优点，而且可以大幅度提高温度控制系统的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数 量。在这一背景下，本课题提出利用智能控制技术、计算机控制技术、传感器与检测技术等现代科学技术手段设计一套电阻炉温度测控系统，采用应用最广泛的PID 调节器，引入模糊控制算法，通过单片机对温度进行控制，构成一个能处理复

13、杂数据和控制功能的智能控制器，具有较高的灵活性和可靠性。第 2 章 温度控制系统的整体设计本设计的选用的被控对象为电阻炉。电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，以电能为热源，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能借助辐射与对流的传热方式加热工件。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在650以下的为低温炉；6501000为中温炉；1000以上为高温炉。工业生产实践中经常使用电阻炉对产品或过程加热，通常对电阻炉的控制精度提出较高的要求。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热

14、工艺要求。假定电阻炉的传递函数为：1.05G(s) =364s + 1e-30 s（2-1）2.1 传统的模糊 PID 控制对于以上的不足之处，我们引入模糊控制，采用模糊PID 算法，以单片机为核心对电阻炉实现智能的温度控制，可以解决问题，从而实现高精度控制。图2-1 为传统的 PID 控制框图。设定值输出值PID调节器被控对象测量变送图 2-1 传统的PID 控制传统的 PID 控制器比例环节实时地按照一定比例反映系统的偏差量 ，即一旦偏差出现，控制器立即产生控制作用，以减小偏差；比例系数 K p 越大，系统的调整时间就越短，稳态误差也越小，但 K p 过大，会造成超调量过大，引起系统不稳定

15、；积分环节消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。积分系数 K 越i大，积分作用越强，稳态误差越小，调整时间越短，但 K 大，会造成稳定性变i差；微分环节能及时地反映偏差量的变化趋势和变化率，有效改善系统的动态性能。通常，微分系数Kd降。大，系统超调量减小，但Kd大，也会造成系统稳定性下2.2 电阻炉温度控制系统在本文中，由于在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。但此类及控制器都是以系统误差E 和误差变化 EC 作为输入语句变量，因此它具有类似于常规 PD 控制器的作用， 由线性控制理论可知，采用该类模糊控制器的系统具有良好的动态特性，但无

16、法消除静态误差。为了解决这一问题，在此控制系统中引入模糊积分，这样不仅可消除极限环振荡，而且可以消除系统余差，使得系统成为无差模糊控制系统。结构框图如图 2-2 所示：给定值error de/dtKp模糊推理 KiKd输出温度PI调D 节器电阻炉温度检测图 2-2 模糊PID 炉温控制系统原理图在这类模糊控制系统中，其核心的部分是模糊控制器。也就是说，模糊控制器的性能将决定着该系统性能的好坏，而模糊控制器自身性能又取决于模糊语言规则和合成推理。一般来说，一条模糊控制规则就是用模糊表达式来表示的一种模糊关系。在模糊逻辑中，我们可以选用模糊推理函数表示，它不仅表示了推理的直觉判据。目前模糊推理的方

17、法很多，但是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。但是模糊控制中的推理与知识工程中的模糊推理不一样，模糊控制中的推理其前提（模糊控制器的实际输入）不是模糊值，多为确切的数值。需要经过模糊化。在此控制系统中，使得给定值经过模糊控制与 PID 处理后，将信号传给电阻炉，最终实现温度的控制。第 3 章 系统的硬件设计3.1 系统的总体构成本系统以电阻炉为被控对象，由热电偶测量被控对象的温度，通过滤波，放大，送至A/D 转换器，这样通过采样和A/D 转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字信号送入计算机模糊控制器，

18、计算出该电压信号对应的温度值与给定值进行比较，得出温差。其结构图如图 3-1 所示：执行机构电阻炉温度传感器放大器A/DD/A单片机系统显示键盘图 3-1 系统结构图外界的各种非电量通过传感器转变为电量。若电信号太小，可用放大器进行放大。滤波器将信号中的噪音滤除，得到平滑的输入信号。这种输入信号还是连续变化的模拟量，要通过采样和保持电路进行离散化，在通过 A/D 转换器对离散的输入信号进行量化得到幅度和时间均为离散的数字信号，送入单片机中进行处理。如果输入模拟信号的变化速度比 A/D 转换速度慢的多，则可以不采用采样保持器，直接通过 A/D 转换成数字量送入单片机，单片机对这些从外部获取的数据

19、进行处理后，再由 D/A 转换器变为模拟信号并且输出到外部进行各种控制，并将数字信号进行显示记录等。3.2 单片机的选取本系统的智能仪表选用 AT80C51 作为微控制器，这类单片机在存储器的配置上采用程序存储器与数据存储器分开的结构，利用不同的指令和寻址方式进行访问，可分别寻址 64KB 的程序存储器空间和 64KB 的数据存储器空间，充分满足了工业测量控制的需要。80C51 系列单片机共有 111 条指令，包括乘除指令和位操作指令。中断源有 5 个，分为 2 个优先级，每个中断源的优先级是可编程的， 在 80c51 系列单片机的内部 RAM 区中开辟了 4 个通用工作寄存区，共有 32 个

20、通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。另外，还在内部 RAM 中开辟了 1 个位寻址区，利用位操作指令可以对其中各个单元的每一位直接进行操作，特别适合解决各种控制和逻辑问题。ROM 型 80C51 在单芯片应用方式下其 4 个并行 I/O 口都可以作为输入/输出使用，在扩展应用方式下需要采用P0 和P2 口作为片外扩展地址总线使用。其引脚图与功能图如图 3-2 所示：图 3-2引脚图与功能图单片机的 40 个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。1. 电源VCC ：芯片电源，接+5V。VSS ：接地端。2. 时钟XTAL1、XTAL2 ：晶体振荡电路反相输入端和

21、输出端。3. 控制线：控制线共有 4 根(1) ALE/PROG：地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲。ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址。PROG 功能：片内有 EPROM 芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。(2) PSEN：外 ROM 读选通信号。(3) RST/VPD：复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。(4) EA/Vpp：内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。EA 功能：内外 ROM 选择端。Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加

22、编程电源 Vpp。4. I/O 线80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。3.3 传感器的选取传感器是一种人机接口，能感受或响应规定的被测量，如各种物理量、化学量、生物量或者状态量，并且能够按照一定的规律转换成有用信号，便于远距离传输、处理、存储和控制。通过传感器，我们可以实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的种类有很多，按照工作原理来分，可以分为应变式、压阻式等， 而按照测量来分类的话，可以有力、位移、温度等传感器。在电阻炉温度控制系统中，我们需采用的是温度传感

23、器。温度传感器温度传感器是一种利用物质的各种物理性质随温度变化的规律，而把温度转换为电量的传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。接触式测温的特点是感温原件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换 以达到热平衡，这时通过对感温原件的某个物理参数的测量和转换环，从而得到与之对应的温度值，接触式测温的主要优点在于直观可靠，但是其缺点在于被测温度场的分布易受感温元件的影响，接触不良时，会带来测量误差。由于需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象。此外温度太高或腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。而非接触式测温的

24、特点是感温元件不直接与被测对象相接触，而是通过热辐射进行热交换，故可以避免接触式测温法的特点。具有较高的测温上限而非接触式测温法的热惯性小，可以达到 1ms，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。在本文中我们采取的接触式测温法。接触式测温常用测温元件如图 3-3 所示：测温元件测温原理测温范围/主要特点热电偶热电效应01600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿，低温测量精度低铂电阻热200600测温范围广，测量精度铜电阻阻50150高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。半导体热敏效50150灵敏度高，体积小，

25、结电阻构简单，使用方便；互应换性较差，测量范围有一定限制。图 3-3接触式测温常用测温元件由于在电阻炉中温度上限很高，并不像日常生活中那样，所以我们采用的是热电偶测温传感器，不仅由于其构造简单，使用方便，还具有较高的准确度，温度测量范围宽等。常用的热电偶可测量范围为-501600C。若配用特殊材料其可测温度范围可扩大为-1802000C。目前，国际电工委员会（IEC）推荐了 8 种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为 T 型、E 型、J 型、K 型、N 型、B 型、R 型和 S 型。热电偶的工作原理热电偶的基本工作原理是基于物体的热电效应。由A,B 两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一

26、个闭环回路，如图3-4 所示，当两接点温度不同时（ TT0 ）时，回路就会产生电势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，该电动势称为热动势。在热电偶回路中电极材料相同，总电势为零，冷、热端温度相同，总电势为零，电极材料不同，温度相同，热电势不同。图 3-4热电偶的基本工作原理3.4 A/D 转换电路设计在本文的控制系统中关于 A/D 我们采用的是 ADC 转换器，将输入模拟量转换为与其成比例的数字量，按其工作原理，有比较式 ADC 积分式。不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是输入、输出以及控制信号的连接方式。在这我们可以选择 ICL7135 。ICL7135 是一种常用的 4 位半 B

27、CD 码双积分型单片集成ADC 芯片，其分辨率相当于 14 位二进制数。他的转换精度高，转换误差为1LSB, 并且能在继续参考电压下对双极性输入模拟电压进行A/D 转换，模拟输入电压范围01.9999v 。芯片采用了自动较零技术， 可保证零点在常温下的长期稳定性， 模拟输入可以是差动信号，输入阻抗极高。其芯片引脚排列如图3-5 所示:图 3-5ICL7135 芯片引脚图其各引脚的功能如下：-V：ICL7135 负电源引入端，典型值 -5V，极限值 -9V。+V：ICL7135 正电源引入端，典型值 +5V，极限值 +6V。DGND ：数字地， ICL7135 正、负电源的低电平基准。REF：

28、参考电压输入， REF 的地为 AGND 引脚，典型值 1V，输出数字量=10000(VIN/VREF)。AC：模拟地，典型应用中，与DGND( 数字地)“一点接地”。INHI ：模拟输入正。INLO ：模拟输入负，当模拟信号输入为单端对地时，直接与AC 相连。CLKIN ：时钟信号输入。当 T = 80ms 时， fcp= 125kHz ，转换速度为 3 次/s。极限值 fcp= 1MHz 时，转换速度为 25 次/s。REFC+ ：外接参考电容正，典型值1F。REFC- ：外接参考电容负。BUFFO ：缓冲放大器输出端，典型外接积分电阻。INTO ： 积分器输出端，典型外接积分电容。AZI

29、N ： 自校零端。LOW： 欠量程信号输出端，输入信号小于量程范围的 10时，该端输出高电平。HIGH ： 过量程信号输出端，输入信号超过计数范围 (20001) 时，该端输出高电平。STOP ：数据输出选通信号，宽度为时钟脉冲宽度的一半，每次 A/D 转换结束时，该端输出 5 个负脉冲，分别选通由高到低的 BCD 码数据(5 位)，该端用于将转换结果打到并行 I/O 接口。R / H ：自动转换 /停顿控制输入。当输入高电平时；每隔40002 个时钟脉冲自动启动下一次转换；当输入为低电平时，转换结束后 需输入一个大于 300ns 的正脉冲，才能启动下一次转换。POL：极性信号输出，高电平表示

30、极性为正。BUSY ： 忙信号输出，高电平有效。正向积分开始时自动变高，反向积分结束时自动变低。B8B1：BCD 码输出。 B8 为高位，对应 BCD 码。D5：万 位 选 通 。 D4D1：千、百、十、个位选通。ICL7135 的转换结果输出是动态的， 因此必须通过并行口才能与单片机连接。图 3-680c51 的接口电路。图中 74ls157 为 4 位 2 选一的数据多路开关。74ls157 的 SEL 输入为低电平时， 1A、2A、3A 输入信息在 1Y、2Y、3Y 输出； SEL 为高电平， 1B、2B、3B 输入信息在 1Y、2Y、3Y 输出。因此，当7135 的高位选通信号 D5

31、输出为高电平时，万位数据B1 和极性、过量程、欠量程标志输入到 8155 的 PA0PA3 。当 D5 为低电平时， 7135 的 B8，B4， B2，B1 输入低位转换结果的BCD 码，此时 BCD 码数据线 B8，B4，B2，B1 输入到 8155 的 PA3PA0 。图 3-6ICL7135 的硬件连接图3.5 D/A 转换电路设计DAC 的功能是将数字量转换为与其成比例的模拟电压或电流信号， 输出到仪表外部进行各种控制。 通过比较我们可以选取 DAC0832 芯片，DAC0832-7 所示：图 3-7DAC0832 引脚图LE 是寄存命令。当LE=1 时，寄存器输出随输入变化；当LE=

32、0 ，数据锁存在寄存器中，而不再随数据总线上的数据变化而变化，当ILE 端为高电平， CS 与 WR 同时为低电平时，使得LE=1. 当 WR 变为高电平时，输入寄存器便将输入数据锁存。当XFER 与 WR2 同时为低电平时，使得LE2=1 ，DAC 寄存器的输出随寄存器的输入变化， WR2 上升沿将输入寄存器的信息锁存在该寄存器中。 RFB 为外部运算放大器提供的反馈电阻，VREF 是由外电路为芯片提供一个 +10V-10V 基准电源。图 3-8 为 DAC0832 与 80C51 单片机组成的 D/A 转换系统。其中 DAC0832 工作于单缓冲器方式。它的 ILE 接+5V 。CS 和

33、XFER 相连接后由 80C51 的 p2.7 控制。 WR1 和 WR2 相连后由 80C51 的 WR 控制。图 3-8DAC0832 与 80C51 单片机组成的 D/A 转换系统键盘输入及显示输出是智能化测量控制仪表不可缺少的组成部分。为了减少CPU 的负担，少占用它的工作时间，目前已经出现了专供键盘及显示器接口用的可编程接口芯片。Intel 公司生产的 8279 可编程键盘、显示器接口就是较为常见的一种。8279 的键盘部分能够提供 64 按键阵列的扫描接口，也可以接传感器阵列， 键的按下可以是双键锁定或 N 键互锁。键盘输入经过反弹跳电路自动消除前后沿按键抖动影响之后，被选通送入一

34、个 8 字符的 FIFO 存储器。如果送入的字符多于 8 个，则溢出状态置位。按键输入后将中断输出线升到高电平向 CPU 发中断申请。而对 7 段 LED、或其他器件接口提供显示接口。8079 有一个内部的 16*8 显示 RAM，组成一对 16*4 存储器。显示 RAM 可有 CPU 写入或读出。显示方式有从右进入的计算器方式和从左进入的电传打字方式，显示 RAM 每次读/写之后，其地址自动加 1。内部结构如图 3-9 所示：RESETDB07RDWRCAS0CLK数据缓冲器I/O控制FIFO传感器RAM状态寄存器显示地址寄存器16x6显示 RAM控制与定时寄存器8x8FIFO传/ 感器RA

35、M键盘消颤与控制显示寄存器控制与定时扫描计数器返回CNTL/STB SHIFTOUTA03OUTB03BDSL03RL03图 3-98279 内部结构其与单片机的接口电路下图 3-10 所示：图 3-10可编程键盘 8279 与单片机的接口电路在智能化测量控制仪表中，为了能够实现对外界各种模拟信号的测量，必须通过数据采集系统将信号送入仪表中，数据采集系统是外部信号进入仪表内部的必经之路。在每一个通道上都加有一个 SHA，并受同一触发信号控制。这样就可以将同一时刻内采集的信号暂存在各个 SHA 的保持电容上，然后由单片机逐个取走经ADC 转换后送入存储器。这种电力允许对各通道之间的相互关系进行分

36、析。本系统的采样放大电路 Uv/C，电源电压范围为 38V。图3-8 为 Uv/C。共模输入电压范围为 14V，电源电压范围正负 3V-18V 。C3 150pFR4 100KR1+8VVi12x2CK492KD1D23ICL7650C40.01uF106V07R22Vi22x2CK5C60.01uF82K1C5 0.01uF-8VD3D4R310K C1C22x0.01uF图 3-11ICL7650 放大电路第 4 章 控制算法设计模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则为理论基础；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，

37、它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也是他与其他的控制系统的不同之处。模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学等多门学科领域相互渗透、理论性很强的科学技术，实现这种模糊控制技术的理论，即为“模糊控制理论”。模糊控制系统作为一类智能控制系统，它必然和其他所有的自动控制系统一样，具有某些共性。模糊控制从广义上讲，是基于模糊推理，模仿人的思维方式， 对难以建立精确度数学模型的对象实施的一种控制策略。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也是智能控制的重要的组成部分。其突出特点在于：（1） 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只要提供现场操作人员的经验知识和操作流程。（2） 控制系统

38、的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大时延纯滞后等问题。（3） 以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家的“知识”。（4） 控制推理采用“不精确推理”。推理过程模仿人的思维过程。由于介入了人类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态”的系统。模糊控制在理论上突飞猛进的同时，也越来越多地、成功的应用于现实世界中。传统的控制理论（包括经典控制理论和现代控制理论）是利用受控对象的数学模型（即传递函数模型或状态空间模型）对系统进行定量分析，而后设计控制策略。这种方法由于其本质的不相容性，当系统变的复杂的时候难以对其工作特性进行精确的描述，而且这样的数学模型结构也不利于表达和处理有关受控对

39、象的一些不确定信息，更不便于利用人的经验、知识、技巧和直觉推理，所以难以对复杂的系统进行有效的控制。经典的模糊控制器利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略（通常是模糊规则查询），其设计不依靠对象精确数学模型，而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出接口，执行机构、被控对象和测量装置等五部分。其中模糊控制器的结构决定了一个模糊控制系统的性能优劣。如图 4-1 所示：FC知识库St +TtUt模糊推理机解模糊接口 被控对象Yt模糊化-图 4-1模糊控制器的基本结构由上图可以看出，模糊控制器主要由模糊化接口、知识库6

40、31024976、模糊推理机、解模糊接口四部分组成，各部分的作用概述如下。1. 模糊化(Fuzzification)模糊化接口接受的输入只有误差信号 e ，由e 再生成误差变化率e* 或误差ttt的差分De ，模糊化接口主要完成以下两项功能：t（1） 论域变换： e 和e* 都是非模糊的普通变量，它们的论域（即变化范围）是tt实数域上的一个连续闭区间，称为真实论域，分别用 X 和 Y 来代表。在模糊控制器中，真实论域要变换到内部论域 X 和Y 。如果内部论域是离散的（有限个元素），模糊控制器称为“离散论域的模糊控制器”(DFC)，如果内部论域是连续的（无穷多个元素），模糊控制器称为“连续论域的

41、模糊控制器”(CFC)。对于 DFC， X ， Y 0整数；对于 CFC， X ，Y l，1。无论是 DFC 还是 CFC，论域变换后e ，e& 变成e* ，e&* ，相当乘了一个比例因子（还可能有偏移）。tttt（2） 模糊化：论域变换后e* 和e&* 仍是非模糊的普通变量，对它们分别定义若干tt个模糊集合，如：“负大”(NL)、“负中”(NM)、“负小”(NS)、“零”(Z)、“正小” (PS)、“正中” (PM)、“正大”(PL)，并在其内部论域上规定各个模糊集合的隶属函数。在t 时刻输入信号的值e ，e& 经论域变换后得到e* ，e&* ，再根据隶( )tttt属函数的 定义可以分别求

42、出 e* ， e&* 对各模糊集 合的隶属度，如me* 、ttNL t(me*NMt)、，这样就把普通变量的值变成了模糊变量（即语言变量）的值，完成了模糊化的工作。e* ，e&* 既代表普通变量又代表模糊变量，作为普通变量时其tt值在论域 X ， Y 中，是普通数值；作为模糊变量时其值在论域0，1中，是隶属度。2. 知识库（Knowledge base)它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。知识库又分为两部分： (1)数据库（data base）存贮着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识，如前面已经介绍的模糊化中的论域变换方法、输入变量各模糊集合的隶属函数定义等，以及将在下面介绍的

43、模糊推理算法，解模糊算法，输出变量各模糊集合的隶属函数定义等。 (2)规则库（rule base）包含一组模糊控制规则，即以“IF，THEN”形式表示的模糊条件语句，如R1：if e* is A1 and e* is B1，then u * is C1，tR2：if e* is A2 and e* is B2，then u* is C2，tRn：if e* is An and e* is Bn，then u* is Cn 。t其中， e* 和e* 就是语言变量e* 和e&* ，Al，A2，An 是e* 的模糊集合，B1，tttB2，Bn 是e&* 的模糊集合，Cl，C2，Cn 是u* 的模糊集

44、合。每条控制规则t是一个在积空间 X Y Z 中的模糊关系， e* X ， e* Y ， u* Z ，如果tX ,Y , Z 皆为离散论域，还可以写出模糊关系矩阵R ，i1，2，n。规则库i中的 n 条规则是并列的，它们之间是“或”的逻辑关系，因此整个规则集的模糊关系为R=Uni=1R（4-1）i3. 模糊推理机（inference engine）在 t 时刻若输入量为e* 和e* ， e* X ， e* Y，若论域 X ,Y , Z 都是离tt散的， e* 在 X 上对应矢量 A ， e&* 在Y 上对应矢量 B ，则推理结果是 Z 上的矢t量C ，C = (A B)o R（4-2）4. 解模糊（defuzzification）解模糊可以看作是模糊化的反过程，它要由模糊推理结果产生控制u 的数1值，作为模糊控制器的输出。解模糊接口主要完成以下两项工作。解模糊：对Ut也要由真实论域 Z 变换到内部论域Z ，对u* Z 定义若干个模t糊集合，并规定各模糊集合的隶属函数。模糊推理是在内部论域上进行的，因此得到的推理结果C ，Z 上的模糊矢量，其元素为对u *的某个模