2022年模糊控制基本原理 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 模糊掌握的基本原理模糊掌握是以模糊集合理论、模糊语言及模糊规律为基础的掌握,它是模糊数学在掌握系统中的应用,是一种非线性智能掌握；模糊掌握是利用人的学问对掌握对象进行掌握的一种方法,通常用“if 条件, then结果” 的形式来表现,所以又通俗地称为语言掌握；一般用于无法以严密的数学表示的掌握对象模型,即可利用人娴熟专家 的体会和学问来很好地掌握；因此,利用人的智力,模糊地进行系统掌握的方法就是模糊掌握；模糊掌握的基本原理如下列图：模糊掌握系统原理框图它的核心部分为模糊掌握器；模糊掌握器的掌握规律由运算机的程序实现,实现一步模糊掌握算法的过程是

2、：微机采样猎取被掌握量的精确值,然后将此量与给定值比较得到误差信号 E；一般选误差信号 E 作为模糊掌握器的一个输入量,把 E 的精确量进行模糊量化变成模糊量,误差 E 的模糊量可用相应的模糊语言表示；从而得到误差 E 的模糊语言集合的一个子集 ee 实际上是一个模糊向量 ；再由 e 和模糊掌握规章 糊掌握量 u 为：R模糊关系 依据推理的合成规章进行模糊决策,得到模式中 u 为一个模糊量；为了对被控对象施加精确的掌握,仍需要将模糊量 u 进行非模糊化处理转换为精确量：得到精确数字量后,经数模转换变为精确 的模 拟量送给执行机构,对被控对象进行一步掌握；然后,进行其次次采样,完成 第 二步掌握

3、 ；这样循环下去,就实现了被控对象的模糊掌握；模糊掌握 Fuzzy Control是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊规律推理 为基础的一种运算机数字掌握；模糊掌握同常规的掌握方案相比,主要特点 有：1模糊掌握只要求把握现场操作人员或有关专家的体会、学问或操作数 据,不需要建立过程的数学模型,所以适用于不易获得精确数学模型的被控过 程,或结构参数不很清晰等场合；2模糊掌握是一种语言变量掌握器,其掌握规章只用语言变量的形式定性 的表达,不用传递函数与状态方程,只要对人们的体会加以总结,进而从中提 炼出规章,直接给出语言变量,再应用推理方法进行观看与掌握；3系统的鲁棒性强,特别适用于时变、非线性、

4、时延系统的掌握；4从不同的观点动身,可以设计不同的目标函数,其语言掌握规章分别是名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 独立的,但是整个系统的设计可得到总体的和谐掌握；它是处理推理系统和掌握系统中不精确和不确定性问题的一种有效方法,同时也构成了智能掌握的重要组成部分；模糊掌握器的组成框图主要分为三部分：理,模糊量的反模糊化 ；（1） 精确量的模糊化精确量的模糊化 , 规章库模糊推模糊化是一个使清晰量模糊的过程,输入量依据各种分类被支配成不 同的隶属度,例如,温度输入依据其高低被支配成很冷、冷、常温、热和 很热等；一般在实际

5、应用中将精确量离散化,即将连续取值量分成几档,每一 档对应一个模糊集；掌握系统中的偏差和偏差变化率的实际范畴叫做这些变量的基本论域,设偏差的基本论域为-x,+x ,偏差所取的模糊集的论域为-n,-n+1, 0,n-1,n,即可给出精确量的模糊化的量化因子 k：（2） 规章库和推理机模糊掌握器的规章是基于专家学问或手动操作娴熟人员长期积存的体会,它是按人的直觉推理的一种语言表示形式；模糊规章通常由一系列的关系词连接而成,如 If-then,else,also,and,or等；例如,某模糊掌握系统输入变量为 e误差 和 ec误差变化率 ,它们对应的语言变量为 E 和 EC,可给出一组模糊规章；R1

6、：If E is NB and EC is NB then U is PB R2：If E is NB and EC is NS then U is PM 通常把 If.部分称为“ 前提” ,而then.部分称为“ 结论” ；其基本结构可归纳为 If A and B then C,其中 A 为论域 U 上的一个模糊子集, B为论域 V 上的一个模糊子集；依据人工的掌握体会,可离线组织其掌握决策表 R,R 是笛卡儿乘积集 U V 上的一个模糊子集 ,就某一时刻其掌握量 C 由式 2-2给出：规章库用来存放全部模糊掌握规章,在推理时为“ 推理机” 供应掌握规章；由上述可知,规章条数和模糊变量的模糊

7、子集划分有关；划分越细,规章条数越多,但并不代表规章库的精确度越高,规章库的“ 精确 性” 仍与专家学问的精确度有关；在设计模糊掌握规章时,必需考虑掌握规章的完备性、交叉性和一样名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 性； 完备性 是指对于任意的给定输入均有相应的掌握规章起作用；要求控 制规章的完备性是保证系统能被掌握的必需条件之一；假如掌握器的输出 值总由数条掌握规章来打算,说明掌握规章之间相互联系、相互影响；这 是掌握规章的 交叉性 ；一样性 是指掌握规章中不存在相互冲突的规章；常用的模糊掌握规章生成方法有：a、 依据

8、专家体会或过程掌握学问生成掌握规章 模糊掌握规章是基于手动掌握策略而建立的,而手动掌握策略又是人们通 过学习、试验以及长期体会积存而形成的；手动掌握过程一般是通过被控对象 或过程的观测,操作者再依据已有的体会和技术学问,进行综合分析并做出控 制决策,调整加到被控对象的掌握作用,从而使系统达到预期目标；b、依据过程模糊模型生成掌握规章 假如用语言去描述被控过程的动态特性,那么这种语言描述可以看作为过程 的模糊模型；依据模糊模型,可以得到模糊掌握规章集；c、 依据对手工操作的系统观看和测量生成掌握规章 在实际生产中,操作人员可以很好地操作掌握系统,但有时却难以给出用 于模糊掌握所用的掌握语句；为此

9、,可通过对系统的输入、输出进行多次测 量,再依据这些测量数据去生成模糊掌握规章；推理 是模糊掌握器中,依据输入模糊量,由模糊掌握规章完成模糊推理来求解模糊关系方程,并获得模糊掌握量的功能部分；合成推理方法（3） 反模糊化Mamdani 推理法 ,本质上是一种通过模糊掌握决策得到的是模糊量,要执行掌握,必需把模糊量转化为精确量,也就是要推导出模糊集合到一般集合的映射也称判决 ；实际上是在一个输出范畴内,找到一个被认为最具有代表性的、可直接驱动掌握装置的准确的输出掌握值；主要反模糊化判决方法有：法；模糊掌握器的结构最大隶属度法 ,重心法 和加权平均依据输入变量和输出变量的个数,分为单变量模糊掌握和

10、多变量模糊控制；二维输入 -单输出模糊掌握器二维模糊掌握器如图2-2b,两个输入变量基本上都采纳受控变量的偏差 e 和偏差的变化率 ec,由于它们能够严格地反映受控过程中输出变量 的动态特性,因此在掌握成效上要比一维模糊掌握器好得多,这也是最常 用的一类模糊掌握器；供暖锅炉掌握系统属于过程掌握系统,过程掌握系统是指把生产过程的温 度、压力、流量、液位和浓度作为被控参数的掌握系统；因此供暖锅炉掌握系 统作为过程掌握系统其掌握的总任务是维护总的出水温度恒定,同时燃烧效率名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 尽可能高、污染尽可

11、能小,保证设备运行安全,满意用户的供热要求,以及对各运行参数和设备状态进行检测,以便进行显示、报警、工况运算以及制表打印等；PID 掌握1. 比例环节成比例地反映掌握系统的偏差信号 et ,偏差一旦产生,掌握器立刻产生掌握作用,以减小偏差；当仅有比例掌握时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）； P 参数越小比例作用越强,动态响应越快,排除误差的才能越强；但实际系统是有惯性的,掌握输出变化后,实际 yt 值变化仍需等待一段时间才会缓慢变化；由于实际系统是有惯性的,比例作用不宜太强,比例作用太强会引起系统振荡不稳固；P 参数的大小应在以上定量运算的基础上依据系统响应情形,现

12、场调试打算,通常将 P 参数由大向小调,以能达到最快响应又无超调 或无大的超调 为最佳参数；优点 :调整系统的开环比例系数,提高系统的稳态精度,减低系统的惰性,加快响应速度；缺点 :仅用 P 掌握器 ,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大,而且会使系统稳固裕度变小,甚至不稳固；2. 积分环节掌握器的输出与输入误差信号的积分成正比关系；主要用于排除静差,提高系统的无差度；积分作用的强弱取决于积分时间常数 T,T 越大,积分作用越弱,反之就越强；为什么要引进积分作用？比例作用的输出与误差的大小成正比,误差越大,输出越大,误差越小,输出越小,误差为零,输出为零；由于没有误差时输出为零,因此比例

13、调剂不行能完全排除误差,不行能使被控的 PV 值达到给定值；必需存在一个稳固的误差,以维护一个稳固的输出,才能使系统的 PV 值保持稳固；这就是通常所说的比例作用是有差调剂,是有静差的,加强比例作用只能削减静差,不能排除静差 静差：即静态误差,也称稳态误差 ；为了排除静差必需引入积分作用,积分作用可以排除静差,以使被控的yt值最终与给定值一样；名师归纳总结 引进积分作用的目的也就是为了排除静差,使yt 值达到给定值,并保持一样；第 4 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 积分作用排除静差的原理是,只要有误差存在,就对误差进行积分,使输出连续

14、增大或减小,始终到误差为零,积分停止,输出不再变化,系统的 成效；但由于实际系统是有惯性的,输出变化后,PV 值保持稳固, yt 值等于 ut值,达到无差调剂的yt 值不会立刻变化,须等待一段时间才缓慢变化,因此积分的快慢必需与实际系统的惯性相匹配,惯性大、积分作用就应当弱,积分时间 I 就应当大些,反之而然；假如积分作用太强,积分输出变化过快,就会引起积分过头的现象,产生积分超调和振 荡；通常 I 参数也是由大往小调,即积分作用由小往大调,观看系统响应以能达到快速排除误差,达 到给定值,又不引起振荡为准；对一个自动掌握系统,假如在进入稳态后存在稳态误差,就称这个掌握系统是有稳态误差的或简称有

15、差系统（ System with Steady-state Error）；为了排除稳态误差,在掌握器中必需引入“积分项 ”；积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大；这样,即便误差很小,积分项也会 随着时间的增加而加大,它推动掌握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 PI 掌握器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差；PI 掌握器不但保持了积分掌握器排除稳态误 差的 “记忆功能 ”,而且克服了单独使用积分掌握排除误差时反应不灵敏的缺点；优点：排除稳态误差；缺点：积分掌握器的加入会影响系统的稳固性,使系统的稳固裕度减小；3. 微分环节反映偏差信号的变化趋势

16、,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信 号,从而加快系统的动作速度,削减调剂时间；在微分掌握中,掌握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；为什么要引进微分作用？前面已经分析过,不论比例调剂作用,仍是积分调剂作用都是建立在产生误差后才进行调剂以排除 误差,都是事后调剂,因此这种调剂对稳态来说是无差的,对动态来说确定是有差的,由于对于负载变化或给定值变化所产生的扰动,必需等待产生误差以后,然后再来渐渐调剂予以排除；但一般的掌握系统,不仅对稳固掌握有要求,而且对动态指标也有要求,通常都要求负载变化或给 定调整等引起扰动后,复原到稳态的速度要快,因此光有比例

17、和积分调剂作用仍不能完全满意要求,必需引入微分作用；比例作用和积分作用是事后调剂 即发生误差后才进行调剂 ,而微分作用就是事 前预防掌握,即一发觉 yt 有变大或变小的趋势,立刻就输出一个阻挡其变化的掌握信号,以防止出 现过冲或超调等；D 越大,微分作用越强,D 越小,微分作用越弱；系统调试时通常把D 从小往大调,详细参数由试验打算；如：由于给定值调整或负载扰动引起yt 变化,比例作用和微分作用肯定等到yt 值变化后才进行调剂,并且误差小时,产生的比例和积分调剂作用也小,订正误差的才能也小,误差大时,产生的比例和积分作用才增大；由于是事后调剂动态指标不会很抱负；而微分作用可以在产生误差之前一发

18、觉有产生误差的趋势就开头调剂,是提前掌握,所以准时性更好,可以最大限度地削减动态误差,使整名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 体成效更好；但微分作用只能作为比例和积分掌握的一种补充,不能起主导作用,微分作用不能太强,太强也会引起系统不稳固,产生振荡,微分作用只能在 着加上去；P 和 I 调好后再由小往大调,一点一点试自动掌握系统在克服误差的调剂过程中可能会显现振荡甚至失稳；其缘由是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 delay 组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化；解决的方法是使抑制误差的作用的变化

19、“超前 ”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应当是零；这就是说,在掌握器中仅引入 “比例 ”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项 ”,它能猜测误差变化的趋势；这样,具有比例 +微分的掌握器,就能够提前使抑制误差的掌握作用等于零,甚至为负值,从而防止了被控量的严峻超调；所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分 PD 掌握器能改善系统在调剂过程中的动态特性；PD 掌握只在动态过程中才起作用,对恒定稳态情形起阻断作用；因此,微分掌握在任何情形下都不能单独使用；优点：使系统的响应速度变快,超调减小,振荡减轻,对动态过程有“猜测 ”作用；在低频段,主要是 PI

20、 掌握规律起作用,提高系统型别,排除或削减稳态误差；在中高频段主要是 PD 规律起作用,增大截止频率和相角裕度,提高响应速度；因此,掌握器可以全面地提高系统的掌握性能；三、 PID 掌握器的参数整定 PID 掌握器的参数整定是掌握系统设计的核心内容；它是依据被控过程的特性确定 PID 掌握器的比例系数、积分时间和微分时间的大小；1. 理论运算整定法PID 掌握器参数整定的方法许多,概括起来有两大类：它主要是依据系统的数学模型,经过理论运算确定掌握器参数；这种方法所得到的运算数据未必可 以直接用,仍必需通过工程实际进行调整和修改；2. 工程整定方法它主要依靠工程体会,直接在掌握系统的试验中进行,

21、且方法简洁、易于把握,在工程实际中被广 泛采纳； PID 掌握器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法；三种方法各有 其特点,其共同点都是通过试验,然后依据工程体会公式对掌握器参数进行整定；但无论采纳哪一种 方法所得到的掌握器参数,都需要在实际运行中进行最终调整与完善；现在一般采纳的是临界比例 法；利用该方法进行 PID 掌握器参数的整定步骤如下：1第一预挑选一个足够短的采样周期让系统工作；2仅加入比例掌握环节,直到系统对输入的阶跃响应显现临界振荡,登记这时的比例放大系数和 临界振荡周期；3在肯定的掌握度下通过公式运算得到 PID 掌握器的参数；PID 调试一般原就名师归纳总

22、结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - a.在输出不振荡时,增大比例增益 P；b.在输出不振荡时,减小积分时间常数 Ti；c.在输出不振荡时,增大微分时间常数 Td；PID 调试一般步骤a. 确定比例增益 P 确定比例增益 P 时,第一去掉 PID 的积分项和微分项,一般是令 Ti=0 、Td=0 （详细见 PID 的参数设定说明）,使 PID 为纯比例调剂；输入设定为系统答应的最大值的 60%70% ,由 0 逐步加大比例增益 P,直至系统显现振荡；再反过来,从今时的比例增益 P 逐步减小,直至系统振荡消逝,记录此时的比例增益 P

23、,设定 PID 的比例增益 P 为当前值的 60%70% ；比例增益 P 调试完成；b. 确定积分时间常数 Ti 比例增益 P 确定后,设定一个较大的积分时间常数 Ti 的初值,然后逐步减小 Ti,直至系统显现振荡,之后在反过来,逐步加大 Ti,直至系统振荡消逝；记录此时的 Ti ,设定 PID 的积分时间常数 Ti为当前值的 150%180% ；积分时间常数 Ti 调试完成；c. 确定积分时间常数 Td 积分时间常数 Td 一般不用设定,为 0 即可；如要设定,与确定 P 和 Ti 的方法相同,取不振荡时的 30% ；d. 系统空载、带载联调,再对 PID 参数进行微调,直至满意要求；变速积分的基本思想是,设法转变积分项的累加速度,使其与偏差大小相对应：偏差越大,积分越慢；反之就越快,有利于提高系统品质；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页