Ch 第十三章 機械電子系統(tǒng)的微機控制

機械電子工程原理第十三章機械電子系統(tǒng)中的微機控制控制對象的分類數(shù)字程序控制以邏輯狀態(tài)作為控制對象，理論基礎是數(shù)字邏輯或布爾代數(shù)，最常見的是順序控制和數(shù)值控制。順序控制是指以預先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，使機械電子系統(tǒng)按正確的順序自動地“運動”或“停止”。數(shù)值控制是利用計算機把輸入的數(shù)字值按一定程序處理后，轉(zhuǎn)換為控制信號去控制一個或幾個被控對象，使被控點按所要求的軌跡運動。模擬控制以模擬量作為控制對象，理論基礎是自動控制理論。213.1順序控制和數(shù)值控制順序控制順序控制器根據(jù)應用場合和工藝要求，劃分各種不同的工步，然后按預先規(guī)定好的“時間”和“條件”，依次序完成各工步。各工步動作所需要的持續(xù)時間因產(chǎn)品類型或生產(chǎn)過程的不同而異，通?？梢酝ㄟ^操作員來設定或調(diào)整定時器的時間常數(shù)；“條件”是指被控裝置中運動部件移動到一個預定的位置，或者管道、容器中的液體或氣體壓力達到了某個預定值，或者加熱部件的溫度達到了某個預定點。3數(shù)值控制數(shù)值控制隨著微處理機的發(fā)展得到了廣泛的應用，如數(shù)控機床、線切割機及低速小型繪圖儀等，都是利用數(shù)值控制原理實現(xiàn)控制的機械電子設備?；镜臄?shù)值控制原理的實現(xiàn)步驟1）把一條復雜的曲線分成若干段直線或二次曲線；2）求出各分段直線(或曲線)的中間值，這個過程稱為插值，或稱為插補；3）對插補運算過程中求出的各點，用脈沖信號去控制x、y方向上的步進電動機，帶動刀具或畫筆運動，從而加工出或繪出要求的線段來。4直線插補偏差定義比如有一條直線段OP在第一象限，且線段的起點就位于坐標原點，如圖所示，可以形成三個點集：位于直線段OP上所有的點；位于直線段OP上方所有的點A+；位于直線段OP下方所有的點A-。已知起點位于原點，終點的坐標為P(xe,ye),則OP線的斜率為

tanα=ye/xe

因為tanα”>tanα，即yi

”/xi”>ye/xe，所以xeyi

”-yexi”>0;因為tanα’<tanα，即yi’

/xi’<ye/xe，所以xeyi’

-yexi’<0

5直線插補偏差定義設第一象限內(nèi)任意點M的坐標為(xi,yi)，用Fi代表M點的偏差，并定義為Fi=xeyi

-yexi

當Fi=0時，M點在線上；當Fi＞0時，M點在A+區(qū)；當Fi＜0時，M點在A-區(qū)。6插補規(guī)劃例如可以采用如下直線插補規(guī)則：當Fi＞0時向右運動一步，當Fi＜0向左運動一步，分別可以獲得由M’和M”點開始的插補路徑如圖(a)、(b)中所示。713.2開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng):只靠輸入量對輸出量單方向控制閉環(huán)控制系統(tǒng)：一般是基于誤差的負反饋控制輸入裝置控制裝置驅(qū)動裝置被控對象Ui干擾Uo輸入裝置控制裝置驅(qū)動裝置被控對象Ui測量裝置Uo8開環(huán)控制系統(tǒng)實例可以把變頻器－電動機看作對象，負載的轉(zhuǎn)動慣量和負載轉(zhuǎn)矩都考慮在對象之內(nèi)。電動機轉(zhuǎn)速n是被控量。變頻器輸出的交流電壓頻率正比于u，并且能在規(guī)定范圍內(nèi)輸出適當?shù)碾妷汉妥銐虻墓β蕘眚?qū)動電動機，使電動機轉(zhuǎn)速正比于u。當負載增大引起轉(zhuǎn)速n下降而設定轉(zhuǎn)速r未變，電動機轉(zhuǎn)速無法自動恢復到設定值。如果變頻器輸出頻率漂移，電動機轉(zhuǎn)速也會偏離設定值，同樣無法自動恢復。9閉環(huán)控制系統(tǒng)實例引入了比較環(huán)節(jié)和偏差，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)把被控量轉(zhuǎn)速n的信息以信號y的形式送到比較環(huán)節(jié)，在比較環(huán)節(jié)中得到被控量y與設定值r的差，稱為偏差e，e=r-y。控制器根據(jù)偏差e生成控制信號u。10閉環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)工作原理反饋饋通通道道的的作作用用是把把被被控控量量信信號號送送到到比比較較環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)。。它它的的作作用用是是求求取取偏偏差差e=r-y。把把偏偏差差送送入入控控制制器器，，如如果果反反饋饋信信號號y偏離離設設定定值值r，就就有有偏差差，，控控制制器器就就會會根根據(jù)據(jù)偏偏差差e產(chǎn)生生控控制制作作用用u來減減小小偏偏差差。。當負負載載增增大大致致使使轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速n降低低時時，，反反饋饋信信號號y隨之之降降低低，，偏偏差差e就會會增增大大，，控控制制器器根根據(jù)據(jù)偏偏差差e給出出控控制制信信號號u，變變頻頻器器輸輸出出的的頻頻率率f就會會升升高高，，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速n隨之之上上升升。。當轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速設設定定值值r改變變時時，，由由于于負負載載和和電電動動機機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子的的機機械械慣慣性性，，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速n不能能立立即即跟跟隨隨r，也也會會出出現(xiàn)現(xiàn)偏偏差差e，控控制制器器根根據(jù)據(jù)偏偏差差e給出出控控制制信信號號u，使使電電動動機機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速n較快快地地跟跟上上當當前前的的設設定定值值r。11模擬量量的計計算機機閉環(huán)環(huán)控制制系統(tǒng)統(tǒng)當代工工程實實際中中，越越來越越多地地采用用計算算機作作控制制器，，組成成自動動控制制系統(tǒng)統(tǒng)。設定值值r、被控控量y和控制制信號號u都是模模擬量量，但但是在在計算算機中中都用用數(shù)字字量表表示，，所所以需需要D/A通道道和A/D通道道。1213.3控控制制系統(tǒng)統(tǒng)的品品質(zhì)和和性能能指標標控制系系統(tǒng)性性能的的品質(zhì)質(zhì)有快快速性性、準準確性性和穩(wěn)穩(wěn)定性性三個個方面面?？焖傩孕允窍Ｍ豢乜亓垦秆杆龠_達到設設定或或跟隨隨設定定值變變化；；穩(wěn)定性性是指被被控量量不發(fā)發(fā)生大大幅度度、長長時間間的振振蕩，，即使使有小小幅振振蕩也也應盡盡快衰衰減至至零；；如果系系統(tǒng)被被控量量與設設定值值之間間的偏偏差較較小，，就說說系統(tǒng)統(tǒng)的準確性性較好。。控制系系統(tǒng)品品質(zhì)可可以用用典型型設定定信號號下的的性能能指標標來表表示，，階躍信信號是是最常常用的的典型型設定定信號號之一一。上升時時間tr和峰值值時間間tp可以表表示系系統(tǒng)的的快速速性。。穩(wěn)態(tài)誤誤差ess可以表表示系系統(tǒng)的的準確確性。。系統(tǒng)的的穩(wěn)定定性可可以用用超調(diào)量量Mp或者進入誤誤差帶帶前的的振蕩蕩次數(shù)數(shù)表示。。13綜合性性能指指標1——絕對誤誤差積積分絕對誤誤差積積分（（IntegralofAbsoluteError，IAE）是常常用的的綜合合指標標之一一絕對誤誤差積積分包含了了系統(tǒng)統(tǒng)從t＝0時刻起起的全全部偏偏差絕絕對值值的累累積（（積分分上限限∞可以選選擇足足夠大大的T來取代代），，快速速性、、穩(wěn)定定性、、準確確性中中任何何一項項性能能不好好，都都會使使絕對對誤差差積分分增大大。絕對誤誤差積積分越越小，，控制制系統(tǒng)統(tǒng)的品品質(zhì)越越好。。14絕對誤誤差積積分絕對誤誤差積積分的的幾何何意義義是圖圖中陰陰影的的面積積。15綜合性性能指指標2平方誤誤差積積分(IntegralofSquaredError，，ISE)：：該指標標著重重考慮慮大的的偏差差而不不太考考慮小小的偏偏差信信號。。在控控制工工程中中，這這個準準則代代表以以能量量消耗耗作為為系統(tǒng)統(tǒng)性能能的評評價。。按照照這種種誤差差性能能指標標設計計的控控制系系統(tǒng)，，常常常具有有較快快的響響應速速度和和較大大的振振蕩，，相對對穩(wěn)定定性差差。時間加加權(quán)絕絕對誤誤差積積分(IntegralofTimeweightedAbsoluteError，ITAE)時間加加權(quán)平平方誤誤差積積分(IntegralofTimeweightedSquaredError，，ITSE)這兩項項誤差差性能能指標標的特特點是是著重重考慮慮瞬態(tài)態(tài)響應應后期期出現(xiàn)現(xiàn)的誤誤差，，較少少考慮慮響應應中大大的初初始誤誤差。。1613.4閉閉環(huán)環(huán)控制制系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)構(gòu)成及及PID控控制閉環(huán)系系統(tǒng)是是借助助輸出出信號號的反反饋，，能夠夠在存存在擾擾動的的情況況下，，力圖圖減小小輸出出與參參考輸輸入（（或任任意變變化的的希望望狀態(tài)態(tài)）之之間的的偏差差。閉閉環(huán)系系統(tǒng)控控制器器的工工作也也正是是基于于這一一偏差差進行行的。。按偏差差的比比例(P)、積積分(I)、微微分(D)控制制，即即PID控控制是是閉環(huán)環(huán)控制制中應應用最最廣泛泛的一一種控控制規(guī)規(guī)律。。17常規(guī)PID控制制Kp是對偏偏差e(t)進行行比例例（Proportional））運算算的系系數(shù)；；Ki是對偏偏差e(t)進行行積分分（Integral））運算算的系系數(shù)；；Kd是對偏偏差e(t)進行行微分分（Differential））運算算的系系數(shù)PID控制制的比比例、、積分分和微微分三三種運運算都都是針針對偏偏差e(t)進行行的。。PID控控制策策略歸歸結(jié)為為這三三個參參數(shù)的的選取取。18模擬PID調(diào)節(jié)節(jié)器模擬PID調(diào)節(jié)節(jié)器的的數(shù)學學表達達式為為：在實際際工業(yè)業(yè)過程程中調(diào)調(diào)節(jié)器器的性性能主主要靠靠整定定增益益Kp、積分分時間間常數(shù)數(shù)Ti、微分分時間間常數(shù)數(shù)Td這三個個參數(shù)數(shù)來完完成。。19比例控控制的的作用用比例控控制的的作用用是對對當前前的偏偏差信信號e(t)進行行比例例運算算后作作為控控制信信號u(t)輸出出。比例控控制的的特點點是，，只要要偏差差e(t)存在在，比比例控控制器器就能能即時時產(chǎn)生生與偏偏差成成正比比的控控制信信號。。比例例系數(shù)數(shù)Kp越大，，比例例控制制作用用越強強。在在階躍躍響應應早期期，偏偏差e(t)很大大，所所以控控制信信號u(t)很大大，可可以使使被控控量y(t)上升升加快快，改改善系系統(tǒng)的的快速速性。。但是，，被控控量上上升過過快可可能產(chǎn)產(chǎn)生較較大的的超調(diào)調(diào)，甚甚至引引起振振蕩，，使系系統(tǒng)的的穩(wěn)定定性劣劣化。。20比例控控制在在穩(wěn)態(tài)態(tài)時段段的作作用控制信信號u與偏差差成比比例：：被控量y成為：解出被控控量y：代入靜差差ess的公式：：21比例控制制在穩(wěn)態(tài)態(tài)時段的的作用可見，如如果增大大比例控控制參數(shù)數(shù)Kp，可以使使靜差ess減小，但但僅僅有有比例控控制Kp無法消除除靜差ess。如果Kp過大，使使u(t)=Kpe(t)超出控控制器的的允許范范圍，不不能輸出出更大的的控制信信號u(t)。u(t)超出控控制器允允許范圍圍這一現(xiàn)現(xiàn)象稱為為控制器飽飽和。當控制器器飽和時時，無法法起到減減小偏差差的作用用，偏差差可能很很大并且且在控制制器退出出飽和之之前繼續(xù)續(xù)存在。。比例系數(shù)數(shù)Kp必須適當當。22積分控制制的作用用積分控制制可以累累積系統(tǒng)統(tǒng)從t＝0時刻刻到當前前時刻的的偏差e(t)的全部部歷史過過程。系系統(tǒng)進入入穩(wěn)態(tài)后后，靜差差ess往往很長長時間不不變號，，經(jīng)過足足夠長的的時段，，靜差ess的積分結(jié)結(jié)果終將將能夠輸輸出足夠夠大的控控制信號號u來消除靜靜差ess。因此，，引入積分分控制的的目的是是消除靜靜差。但是，如如果對象象的響應應較慢，，在階躍躍響應早早期，可可能出現(xiàn)長時時間不變變號的大大偏差，，產(chǎn)生過過大的偏偏差積分分值，導導致控制制器飽和和。要適當選選取積分分控制參參數(shù)Ki。23微分控制制的作用用微分控制制正比于于偏差信信號e(t)的當前前變化率率de/dt，由當前前的偏差差變化率率能夠預預見未來來的偏差差，決定定控制信信號的符符號和大大小。對于設定定值的階階躍變化化，微分分控制能能減小超超調(diào)，抑抑制振蕩蕩，改進進系統(tǒng)的的穩(wěn)定性性。但是，當當系統(tǒng)受受到高頻頻干擾時時，對于于快速變變化的偏偏差e(t)，微分分控制的的作用可可能過于于強烈，，不利于于系統(tǒng)的的穩(wěn)定性性。如果果u(t)中的微分項項過大，還可可能使控制器器飽和，系統(tǒng)統(tǒng)階躍響應可可能很遲緩。。動用微分控制制應十分謹慎慎，參數(shù)Kd取值不宜很大大。24數(shù)字PID控控制器（位置置式）將模擬PID調(diào)節(jié)器方程程式離散化，，有式中，Kp為比例系數(shù)；；Ti為積分時間常常數(shù)；Td為微分時間常常數(shù)；T為采樣周期；；e(k)為第k次采樣所獲得得的偏差信號號；△e(k)為本次和上上次測量值偏偏差的差。在給定值r不變時25增量式PID控制器算式式考慮到：有則式中，Ki為積分系數(shù)，，；；Kd為微分系數(shù)，，。。26數(shù)字式的閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)可以進一步將將增量式PID控制器算算式簡化如下下式中，A=Kp+Ki+Kd；B=-Kp-2Kd；C=Kd。27分離式PID控制在階躍擾動下下，系統(tǒng)在短短時間內(nèi)會產(chǎn)產(chǎn)生很大的偏偏差，此時往往往引起積分分飽和、微分分項急劇增加加的現(xiàn)象，控控制系統(tǒng)很容容易產(chǎn)生振蕩蕩，調(diào)節(jié)性能能很差。為克服這一缺缺點，可采用用分離式的PID控制方方法。即當偏偏差很大時，，減小積分與與微分的加權(quán)權(quán)系數(shù)。這樣樣既能迅速減減小偏差，又又能保持調(diào)節(jié)節(jié)過程平穩(wěn)，，具體的做法法是判斷偏差差e是否大于臨界界值em，并使得e>em時Ki=K1×Ki，Kd=K2×Kde≤em時Ki=Ki，Kd=Kd式中，0<K1<1；0<K2<1。2813.5PID參數(shù)整整定采樣周期的選選擇一般對于響應應快或信號變變化較快的系系統(tǒng)，采樣周周期應當較小小。但是，采采樣周期受到到A/D、D/A通道速速率和計算機機處理速度的的限制，必須須保證應用程程序在一個采采樣周期內(nèi)能能完成所需要要的運算和輸輸入輸出操作作。為此，除除了選用適當當?shù)挠布?，，我們通常還還希望數(shù)據(jù)通通道和控制算算法高效，程程序簡潔。對于響應慢慢或信號變變化較慢的的系統(tǒng)，不不必用過小小的采樣周周期。如果采樣周周期過小，，相鄰兩次次采樣信號號數(shù)值過于于接近。A/D、D/A和計計算機的分分辨能力受受數(shù)字量位位數(shù)的限制制，可能無無法分辨相相鄰兩次采采樣信號數(shù)數(shù)值，反而而不能起控控制作用。。29PID參數(shù)數(shù)整定的方方法通過反復試試驗調(diào)整Kp、Ki和Kd三個參數(shù)值值，使系統(tǒng)統(tǒng)的品質(zhì)達達到滿意，，或者使某某個綜合指指標達到最最優(yōu)，譬如如使IAE最小，這個個過程稱為為PID參數(shù)數(shù)整定。常用的試驗驗調(diào)整方法法有調(diào)試法法和經(jīng)驗法法。近年來發(fā)展展了多種仿仿生物智能能的尋優(yōu)算算法。30調(diào)試法調(diào)試通常在在階躍設定定下進行。。調(diào)試步驟驟大致如下下1）Ki和Kd置為0，只將比例控控制系數(shù)Kp逐次由小變變大，每一次觀察察系統(tǒng)的階階躍響應，，兼顧上升升快、超調(diào)調(diào)小、振蕩衰減快快、靜差小小。如果比例控控制不能使使靜差達到到要求，必必須加入積積分控制來來消除靜差差。先給一個不不大的Ki值，再將第第一步所得得的Kp值略微減小小，然后后逐步減小小Ki，直到消除除靜差同時時保持良好好的動態(tài)品品質(zhì)。如果加入積積分控制后后動態(tài)品質(zhì)質(zhì)劣化，可可以加入微微分控制。。31經(jīng)驗法經(jīng)驗法也稱稱為工程法法。工程界界已總結(jié)出出一些經(jīng)驗驗方法，有有擴充臨界界比例度法法、擴充響響應曲線法法、歸一參參數(shù)法等等等。不同的方法法適用于不不同類型的的工業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)，必須正正確選擇使使用。這些些經(jīng)驗方法法在實用中中仍不能完完全擺脫現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試，，但是可以以減少盲目目性，減少少試驗次數(shù)數(shù)，提高參參數(shù)整定和和調(diào)試工作作的效率。。32數(shù)字PID控制程序序流程圖Kp、Ki和Kd三個參數(shù)的的值不依賴賴系統(tǒng)的數(shù)數(shù)學模型，，可以用于于得不到數(shù)數(shù)學模型的的對象，因因此PID控制是應應用最廣泛泛的一種控控制策略。。3313.6PID控控制的改進進控制器飽和和:無論比例、、積分或微微分，PID控制器器都可能計計算出很大大的控制信信號u，可能在一一段時間內(nèi)內(nèi)超出D/A轉(zhuǎn)換器的輸輸出電壓范范圍[umin，umax]，這種現(xiàn)象象稱為控制制器飽和。。當電動機拖拖動大慣性性負載起、、停時，或或溫度系統(tǒng)統(tǒng)中要求溫溫度迅速升升、降時，，設定值往往往要大幅幅度地增、、減，初期期會出現(xiàn)很很大偏差。。當系統(tǒng)遇遇到較大的的尖峰擾動動時，不僅僅會出現(xiàn)很很大偏差，，并且偏差差變化率也也很大。這這些情形下下，PID控制器容容易出現(xiàn)飽飽和現(xiàn)象。。34防止控制器器飽和的基基本措施控制信號限限幅當u(k)＜umin時，取u(k)＝umin；當u(k)＞umax時，取u(k)＝umax。積累補償法法如果PID計算得到的的u(k)超出D/A轉(zhuǎn)換器的輸輸出范圍[umin，umax]，將那些因因控制器飽飽和而未能能執(zhí)行的增增量控制信信號Δu(k)積累累起起來來，，一一旦旦控控制制器器退退出出飽飽和和，，立立即即補補充充執(zhí)執(zhí)行行這這些些未未能能執(zhí)執(zhí)行行的的增增量量控控制制信信號號ΔΔu(k)。35積分分項項的的改改進進積分分分分離離法法在e(k)較大大時時段段，，取取消消積積分分控控制制作作用用，，而而在在e(k)較小小的的時時段段，，投投入入積積分分控控制制作作用用。。逾限限削削弱弱積積分分法法在計計算算u(k)前，，先先判判斷斷先先前前一一次次的的控控制制信信號號u(k－1)是否否逾逾限限，，若若u(k－1)已逾逾限限，，應應判判斷斷逾逾上上限限還還是是逾逾下下限限，，再再判判斷斷偏偏差差是是正正還還是是負負，，采采用用以以下下策策略略若u(k－1)≥≥umax，但但e(k)＜0，積積分分可可減減小小e(k)；若u(k－1)≥≥umax，而而e(k)＞0，取取消消積積分分；；若u(k－1)≤≤umin，但但e(k)＞0，積積分分可可減減小小e(k)；若u(k－1)≤≤umin，而而e(k)＜0，取取消消積積分分。。36微分分項項的的改改進進不完完全全微微分分法法在PID控制制器器輸輸出出端端串串聯(lián)聯(lián)一一個個一一階階慣慣性性環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)。。一一階階慣慣性性環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的低低通通濾濾波波作作用用可可以以濾濾除除高高頻頻信信號號，，僅僅允允許許低低頻頻信信號號通通過過。。微分先行法在被控量y(t)進入比較環(huán)節(jié)節(jié)之前先單獨獨對y(t)求微分，不至至于計算出很很大的變化率率dy(t)/dt。不對偏差e(t)求微分，也就就是不對設定定信號r(t)求微分。這對對于設定值r(t)頻繁大幅度改改變的系統(tǒng)，，可以顯著地地改善動態(tài)品品質(zhì)。37不完全微分法法當一個短時快快速變化的偏偏差發(fā)生期間間，微分控制制幅度先急劇劇增大，隨后后又急劇減小小，信號u'(t)中含有豐富的的高頻成分。。信號u'(t)的高頻成分被被一階慣性環(huán)環(huán)節(jié)濾除，這這樣u(t)中的微分控制制作用可以適適中而且持續(xù)續(xù)。這種辦法法稱為不完全全微分法。38微分先行法在被控量y(t)進入比較環(huán)節(jié)節(jié)之前先單獨獨對y(t)求微分，不至至于計算出很很大的變化率率dy(t)/dt。不對偏差e(t)求微分，也就就是不對設定定信號r(t)求微分。這對對于設定值r(t)頻繁大幅度改改變的系統(tǒng)，，可以顯著地地改善動態(tài)品品質(zhì)。3913.7智能能型自適應PID控制智能(或仿智智能)型PID控制器的的重要優(yōu)點是是不需要在線線辨識被控系系統(tǒng)的精確模模型，對系統(tǒng)統(tǒng)的階數(shù)沒有有限制，又能能進行比較精精確的在線控控制。該方法法的核心是：：根據(jù)控制器器輸入信號(即系統(tǒng)誤差差)的大小、、方向及變化化趨勢等特征征而作出相應應決策，選擇擇適當?shù)哪Ｊ绞竭M行控制。。20世紀60年代中期，，一些學者把把人工智能技技術引進控制制系統(tǒng)，傅京京孫教授首先先題出“人工工智能控制””的概念，1967年首首次正式使用用“智能控制制”一詞。40二模式PID二模式(即開開關模式與PID模式)PID控制制的控制效果果比起普通PID控制來來有較大的改改進。二模式PID的兩種種控制模式式是根據(jù)兩兩種不同的的條件來確確定的，也也是一種控控制規(guī)則。。：1）如果滿滿足|e(n)|>M1的條件，則則采用開關關模式進行行控制（非非線性控制制），使誤誤差迅速減減??；2）如果誤誤差趨勢增增大，則加加大控制量量以便迅速速糾正偏差差，此時應應采用比例例模式；3）如果誤誤差經(jīng)過極極值而減小小，則減小小控制量，，采用保持持模式2；；4）如果誤誤差為零或或很?。ㄔ谠谠试S的誤誤差帶內(nèi)）），系統(tǒng)已已處于平衡衡狀態(tài)，則則保持原有有的控制輸輸出，即保保持模式1。41二模式PID這種控制算算法既有IF……THEN………這種人人工智能的的推理邏輯輯運算，又又有等數(shù)學的解解析運算，，控制功能能早就超出出了一般的的PID控控制規(guī)律的的范圍，充充分發(fā)揮了了計算機速速度快、精精度高、存存儲信息容容量大和邏邏輯判斷功功能強的優(yōu)優(yōu)點。從中仍可以以看到常規(guī)PID控制中的的思想：除除比例模式式外，保持持模式具有有類積分的的功能；在在判斷中用用誤差的差差分含有對對誤差微分分的作用。因此雖然其其內(nèi)容和形形式都遠遠遠超出了常常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的的范圍，仍仍采用了(智能)PID的名名稱。42PID得到到廣泛應用用的根本原原因PID控制制有能力對對閉環(huán)傳遞遞函數(shù)產(chǎn)生生影響，通通過極點的的配置實現(xiàn)現(xiàn)滿意的系系統(tǒng)響應。。由PID控控制器的傳傳遞函數(shù)發(fā)發(fā)現(xiàn)，PID控制規(guī)規(guī)律除可使使系統(tǒng)的精精度增加以以外，還能能提供兩個個負實數(shù)零零點。這與與PI控制制規(guī)律相比比較，除了了保持提高高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)態(tài)性能的優(yōu)優(yōu)點外，由由于多提供供一個負實實數(shù)零點，，所以在提提高系統(tǒng)動動態(tài)性能方方面具有更更大的優(yōu)越越性，這便便是PID控制規(guī)律律在控制系系統(tǒng)中得到到廣泛應用用的根本原原因所在。。43經(jīng)典控制和和現(xiàn)代控制制理論與智智能控制的的對比與智能控制制相比，經(jīng)經(jīng)典控制和和現(xiàn)代控制制理論著力力研究被控控對象而不不是控制器器，它們要要求能夠在在常規(guī)理論論規(guī)定的框框架下，用用數(shù)學模型型嚴格模擬擬被控對象象，其控制制能力依賴賴被控對象象數(shù)學模型型的精確程程度，因此此，難以適適應系統(tǒng)復復雜性增加加的需要。。智能控制是是以知識表表示的非數(shù)數(shù)學廣義模模型和傳統(tǒng)統(tǒng)的數(shù)學模模型表示相相結(jié)合的混混合控制理理論，為解解決那些用用傳統(tǒng)的方方法難以解解決的復雜雜系統(tǒng)的控控制問題提提供了新的的更有效的的方法。44自動控制的的發(fā)展過程程隨著科學技技術的發(fā)展展，對自動動化設備性性能的要求求越來越高高。控制理理論也相應應由經(jīng)典、、現(xiàn)代控制制發(fā)展到智智能控制。。4513.8模模糊控制制器及其特特點經(jīng)典控制理理論的發(fā)展展及其應用用經(jīng)典控制理理論在20世紀50年代已經(jīng)經(jīng)達到相當當成熟的程程度，與此此相應而發(fā)發(fā)展起來的的控制器以以PID調(diào)調(diào)節(jié)器為代代表。按偏差的比比例、積分分和微分控控制是過程程控制中應應用最廣泛泛的一種控控制率。實實際使用經(jīng)經(jīng)驗及理論論分析充分分證明，這這種控制率率在對相當當多的工業(yè)業(yè)對象進行行控制時能能夠得到較較滿意的結(jié)結(jié)果。但PID控控制也受到到一些限制制，如PID控制要要求被控系系統(tǒng)模型在在控制過程程中保持不不變，并且且為了滿足足控制系統(tǒng)統(tǒng)的性能要要求，最好好應求出各各個組成部部分的數(shù)學學模型。此此外，PID控制器器只能用于于固定參數(shù)數(shù)的系統(tǒng)，，且在某一一條件能達達到穩(wěn)定的的系統(tǒng)可能能在另一種種操作條件件下完全無無法使用。。46經(jīng)典和現(xiàn)代代控制理論論的發(fā)展及及其應用最優(yōu)控制用用狀態(tài)變量量對系統(tǒng)進進行了完全全的描述。。由于采用用了狀態(tài)反反饋，比起起經(jīng)典控制制理論中采采用的輸出出反饋方法法能得到更更多的系統(tǒng)統(tǒng)信息，因因此使系統(tǒng)統(tǒng)的響應更更快，控制制品質(zhì)最優(yōu)優(yōu)。但實際系統(tǒng)統(tǒng)中的有些些狀態(tài)是很很難觀測的的，因此要要設計相應應的狀態(tài)觀觀測器。47經(jīng)典和現(xiàn)代代控制理論論的發(fā)展及及其應用自適應控制制在一定程程度上解決決了非線性性和時變問問題，但它它要求在控控制過程中中獲得較多多的有關系系統(tǒng)信息。。但證明一種種算法比其其它算法更更優(yōu)是一大大課題，建建立算法的的收斂條件件也是一個個難點。所所有這些問問題可以歸歸結(jié)為一點點：自適應應控制的計計算量大、、算法復雜雜。一些文獻中中的試驗表表明：在對對確定性信信號（即不不滿足持續(xù)續(xù)激勵條件件）進行跟跟隨控制時時，自適應應控制方法法較PID控制方法法的效果要要差；在負負載階躍擾擾動下，自自適應控制制的效果也也較PID控制要差差。48經(jīng)典和現(xiàn)代代控制理論論的發(fā)展及及其應用PID控制制算法簡單單、所用存存貯量少，，計算量小小，占用嵌嵌入式微處處理器的資資源少，但但要解決參參數(shù)自適應應的問題；；自適應控制制雖能解決決參數(shù)變化化的問題，，但算法復復雜、計算算量大，需需有很高的的運算速度度和很大的的存貯容量量，這是大大多嵌入式式微處理器器較難滿足足的。49模糊控制理理論的發(fā)展展及其應用用自從美國控控制理論專專家查德(L.A.Zadeh)教授1965年關關于模糊集集合的論文文發(fā)表以來來，模糊數(shù)數(shù)學及模糊糊控制理論論的應用越越來越廣泛泛。模糊控制方方法的主要要優(yōu)點是它它不需要對對被控系統(tǒng)統(tǒng)有十分精精確的了解解，而主要要把注意力力放在控制制器的設計計上。模糊控制的的本質(zhì)是非非線性的，，因此對一一些不易獲獲取精確數(shù)數(shù)學模型的的系統(tǒng)或過過程及非線線性系統(tǒng)來來說，采用用模糊控制制的方法可可以得到用用常規(guī)控制制方法難以以取得的效效果。50模糊控制理理論的發(fā)展展及其應用用在經(jīng)典控制制理論中，，我們靠微微分方程(Equations)來獲獲取系統(tǒng)的的有關知識識；在模糊糊控制理論論中，靠經(jīng)經(jīng)驗(Experience)來獲取取系統(tǒng)的有有關知識；；而以神經(jīng)經(jīng)網(wǎng)絡為代代表的其它它智能控制制方法則是是根據(jù)事例例(Examples)、通通過學習來來獲取系統(tǒng)統(tǒng)的有關知知識。模糊控制制和其它它人工智智能方法法常常結(jié)結(jié)合在一一起使用用，因此此對系統(tǒng)統(tǒng)有關知知識的獲獲取，也也是根據(jù)據(jù)事例并并結(jié)合經(jīng)經(jīng)驗得到到的。51模糊量及及模糊控控制如果采用用模糊控控制的方方法對某某個液壓壓系統(tǒng)的的流量進進行控制制：首先先可以測測定一下下輸入（（如閥的的開口量量）和輸輸出（如如流量））的范圍圍（即所所謂的““論域””），由由于人經(jīng)經(jīng)常將相相比較的的同類事事物分為為三個等等級，如如溫度分分為高、、中、低低，速度度分為快快、中、、慢等。。對系統(tǒng)統(tǒng)的偏差差也可分分為大、、中、小小這樣三三個等級級。這樣樣，當系系統(tǒng)的流流量偏離離了目標標值時，，根據(jù)偏偏差的大大小，相相應地調(diào)調(diào)節(jié)閥門門（大或或小）就就可以使使流量趨趨向目標標值。上述的大和小小、快和慢不不是用數(shù)值、、而是用語言言來描述的，，它們之間的的邊界并不清清晰。因為人人的語言具有有很大的模糊糊性，所以這這些量被稱為為模糊變量。。52模糊量及模糊糊控制模糊控制不需需要系統(tǒng)精確確的數(shù)學模型型，而只需根根據(jù)人的經(jīng)驗驗，組成一些些控制規(guī)則就就能進行有效效的控制。我們知道，人在解決實際際問題時經(jīng)常常是只求滿意意解，而不求求最優(yōu)解。對于那些難以以獲得數(shù)學模模型或模型非非常粗略的工工業(yè)系統(tǒng)，仍仍然是以人的的操作經(jīng)驗為為基礎，進行行人工控制。。而在人的思思維、語言及及信息處理中中，表現(xiàn)出許許多模糊概念念，可見對一一些不清晰的的系統(tǒng)，就是是要把模糊信信息綜合起來來加以分析。。用模糊數(shù)學理理論與計算機機技術相結(jié)合合的方法，設設計成模糊控控制器，來代代替有經(jīng)驗的的操作者的人人工控制，以以實現(xiàn)工業(yè)過過程的智能控控制。53模糊集合和隸隸屬函數(shù)的概概念在康托（Contor）創(chuàng)立的集合論中，論域中的的任一元素，，要么屬于某某個集合，要要么不屬于某某個集合。若若元素x∈A，則其特征函函數(shù)XA(x)=1，若，，則XA(x)=0。如左左圖所示。查德(L.A.Zadeh)教授首次提出出了模糊集(FuzzySets)的概念，他把把模糊集合的的特征函數(shù)稱稱為“隸屬函函數(shù)”（它在在[0,1]閉區(qū)間里連連續(xù)取值），，某個元素x隸屬于某一模模糊集合A的程度可用它它的隸屬函數(shù)數(shù)來表示。如如右圖所示。。54模糊集合和隸隸屬函數(shù)的概概念就一個人的年年齡來說，用用特征函數(shù)的的概念，可以以說或者是年年青人，或者者不是年青人人。而用隸屬屬函數(shù)的概念念，則可以說說他“年青””、“不太年年青”、“不不年青”等，，如果我們考考慮具體問題題的范圍論域域為：U={x1,x2,x3,x4,x5}={40,60,25,28.5,32}模糊集合A表表示年青人的的集合，則隸隸屬函數(shù)55模糊集合和隸隸屬函數(shù)的概概念采用查德表示示法描述上述述的年齡問題題：A=0.2/x1＋0/x2＋1/x3＋0.8/x4＋0.34/x5式中，“＋””表示列舉，，xi表示模糊集合合的元素，0.2,0,1,0.8,0.34表表示相應元素素的隸屬度，，則有：則我們說x1不太年青，x2不年青，x3年青，……等等。56模糊集合和隸隸屬函數(shù)的概概念對于一個控制制系統(tǒng)來說，，輸出誤差E可用同樣的方方法來表示。。通常在控制制時不僅要考慮到到誤差E的模糊子集，，而且常常要要考慮誤差變變化率C=dE/dt的模糊子集。系統(tǒng)的給定值值和系統(tǒng)的輸輸出經(jīng)過比較較環(huán)節(jié)后得到到系統(tǒng)的偏差差E，由偏差E可求出偏差的的變化率C。在此，E和C都是精確量。。由于在日常生生活中，人們們習慣于把相相比較的同類類事物分為三三個等級，如如高、中、低低；大、中、、??；快、中中、慢等，所所以我們把把偏差差E和偏差差變化化率C也分為為三級級。因此，，偏差差和偏偏差變變化率率可以以從一一個精精確量量轉(zhuǎn)化化成如如“偏偏差大大”或或“偏偏差小小”這這樣的的語言言變量量。57模糊集集合和和隸屬屬函數(shù)數(shù)的概概念——實實例如果我我們觀觀察到到偏差差E的實際際變化化范圍圍在[a,b]之間間，可可以通通過變變換式式把在[a,b]區(qū)間間變化化的e轉(zhuǎn)化為為在[-6,+6]之之間變變化的的E。再將在在[-6,+6]之間間連續(xù)續(xù)變化化的E分為如如下8檔：：正大(PL)───+6附近近正中(PM)───+4附近近正小(PS)───+2附近近正零(PO)───比比零零稍大大負零(NO)───比比零零稍小小負小(NS)───-2附近近負中(NM)───-4附近近負大(NL)───-6附近近58模糊集集合和和隸屬屬函數(shù)數(shù)的概概念——實實例偏差E模糊子子集表表59模糊集集合和和隸屬屬函數(shù)數(shù)的概概念——實實例用查德德表示示法表表示偏偏差的的某個個模糊糊子集集(如如偏差差的負負大)，可可寫成成：E1=1/-6+0.8/-5+0.4/-4+0.1/-3+0/-2+0/-1+0/-0+0/1+0/2+0/3+0/4+0/5+0/6比起用用數(shù)學學解析析表達達式建建立系系統(tǒng)的的模型型來說說，用語言言變量量來描描述一一個系系統(tǒng)，，對任任何人人都很很容易易理解解，不不需要要對某某個系系統(tǒng)有有高深深的理理論知知識，，但確確定這這些語語言變變量相相對應應的模模糊子子集的的隸屬屬度卻卻要根根據(jù)經(jīng)經(jīng)驗來來完成成?！按蟠蟆焙秃汀靶⌒　本烤烤谷∪《嗌偕僮詈虾线m，，有時時需要要多次次調(diào)整整才能能得到到滿意意的效效果。。60模糊集集合和和隸屬屬函數(shù)數(shù)的概概念——實實例偏差變變化率率C模糊子子集表表61模糊集合合和隸屬屬函數(shù)的的概念——實例例控制輸出出u模糊子集集表6213.9模糊糊控制器器的設計計模糊控制制器的設設計需要要解決以以下三個個方面的的問題：：精確量的的模糊化化；模糊控制制規(guī)則的的構(gòu)成；；輸出信息息的模糊糊判決。。63精確量的的模糊化化對一個實實際系統(tǒng)統(tǒng)來說，，如果觀觀察到它它的偏差差e在[a，，b]之之間連續(xù)續(xù)地變化化，而我我們希望望把偏差差e分為大、、中、小小和零這這樣幾檔檔，則可可以通過過變換式式把在[a,b]之間連連續(xù)變化化的精確確量e轉(zhuǎn)化為在在[-6,+6]之間間變化的的模糊量量E，其中：正大(PL)───+6附近近正中(PM)───+4附近近正小(PS)───+2附近近正零(PO)───比比零稍大大負零(NO)───比比零稍小小負小(NS)───-2附近近負中(NM)───-4附近近負大(NL)───-6附近近64模糊控制制規(guī)則的的構(gòu)成最常用的的模糊控控制器是是兩維輸輸入、一一維輸出出的，如如圖所示示。該控制器器的語言言規(guī)則為為：如果果偏差為為E且偏差變變化率為為C則進行控控制操作作U，或?qū)懗沙桑篒FEANDCTHENU65模糊控制制規(guī)則的的構(gòu)成在經(jīng)典控控制理論論中，通通過系統(tǒng)統(tǒng)的輸入入和輸出出可以求求得系統(tǒng)統(tǒng)的傳遞遞函數(shù)，，而在模模糊控制制理論中中，通過過系統(tǒng)的的輸入輸輸出可以以求得系系統(tǒng)的模模糊關系系。如：已知知系統(tǒng)的的偏差控制量則與這條條規(guī)則相相對應的的模糊關關系是一一個二維維的模糊糊集，被被定義為為66模糊控制制規(guī)則的的構(gòu)成具體算法法如下式中，運運算符““””表示示“交””，即在在上述運運算中取取較小的的數(shù)。67模糊控制制規(guī)則的的構(gòu)成若模糊關系系R已知，當偏偏差為時，則控制制量=(0.8,0.8,0.5,0)即68模糊控制規(guī)規(guī)則的構(gòu)成成最常用的模模糊控制器器是二維的的，其語言言推理式為為IFE=EiANDC=CjTHENU=Uiji=1,2,...,mj=1,2,...,n其中，Ei，Cj與Uij分別為定義義在X，Y，Z上的模糊集集。這些模糊條條件語句可可歸結(jié)為一一個模糊關關系R，即即根據(jù)模糊數(shù)數(shù)學的理論論，運算符符“””的含義義由下式定定義69模糊控制規(guī)規(guī)則的構(gòu)成成如果偏差、、偏差變化化率分別取取E和C，根據(jù)模糊糊推理和成成規(guī)則，輸輸出的控制制量應當是是模糊集U即這樣，若已已知E、C和輸出控制制量U，可以根據(jù)據(jù)式求出模糊關關系R；反之，若已已知系統(tǒng)的的模糊關系系，則可以以根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)的輸入E和C求出輸出控控制量U。70模糊控制規(guī)規(guī)則的構(gòu)成成通常，對一一個工業(yè)過過程可以總總結(jié)出許多多條規(guī)則：：IFE1ANDC1THENU11IFE1ANDC2THENU12…IFEiANDCjTHENUij…對任何一條條規(guī)則都可可以推出相相應的模糊糊關系，即即：R1，R2，……，Rn，因此系統(tǒng)統(tǒng)總的控制制規(guī)則為71模糊控制規(guī)規(guī)則的構(gòu)成成系統(tǒng)的偏差差E、偏差變化化率C和控制量U之間的模糊糊關系R可以用下表表來表示。。72模糊糊控控制制規(guī)規(guī)則則的的構(gòu)構(gòu)成成模糊糊控控制制規(guī)規(guī)則則的的調(diào)調(diào)整整從從模模糊糊控控制制誕誕生生之之日日就就使使人人們們對對它它產(chǎn)產(chǎn)生生了了廣廣泛泛的的興興趣趣，，有有的的文文獻獻介介紹紹了了一一些些調(diào)調(diào)整整的的方方法法，，然然而而這這些些調(diào)調(diào)整整方方法法都都是是根根據(jù)據(jù)操操作作人人員員的的經(jīng)經(jīng)驗驗進進行行的的，，通通用用性性較較差差，，只只能能是是專專用用的的模模糊糊控控制制器器。。還有有的的文文獻獻為為模模糊糊控控制制規(guī)規(guī)則則的的自自調(diào)調(diào)整整問問題題奠奠定定了了必必要要的的理理論論基基礎礎，，并并提提出出了了一一種種有有效效而而又又簡簡單單的的方方法法，，具具體體作作法法如如下下：：73模糊糊控控制制規(guī)規(guī)則則的的構(gòu)構(gòu)成成關于于運運算算符符<··>的的說說明明：：用用<A>表表示示一一個個與與A符符號號相相同同而而其其絕絕對對值值是是大大于于或或等等于于|A|的的最最小小整整數(shù)數(shù)，，例例如如：：<0>=0<0.5>=1<-0.5>=-1<1>=1<-1>=-1<1.5>=2<-1.5=>-2………采用用一一種種帶帶修修正正因因子子的的控控制制規(guī)規(guī)則則：：式中中，，α是介介于于0,1之之間間的的實實數(shù)數(shù)很明明顯顯，，只只要要調(diào)調(diào)整整系系數(shù)數(shù)α，就就可可以以對對控控制制規(guī)規(guī)則則進進行行修修正正。。74模糊糊控控制制規(guī)規(guī)則則的的構(gòu)構(gòu)成成以α作為為調(diào)調(diào)整整參參數(shù)數(shù)不不僅僅簡簡單單易易行行，，而而且且物物理理意意義義也也是是很很明明顯顯的的，，它它直直接接表表示示對對偏偏差差E和偏偏差差變變化化率率C的加加權(quán)權(quán)程程度度。。在被被控控對對象象的的階階次次較較高高時時，，對對偏偏差差變變化化率率C的加加權(quán)權(quán)值值就就應應該該大大于于對對偏偏差差E的加加權(quán)權(quán)值值，，因因此此α要取取小小些些；；相反反，，當當被被控控對對象象階階次次較較低低時時，，對對偏偏差差變變化化率率C的加加權(quán)權(quán)值值應應小小于于對對偏偏差差E的加加權(quán)權(quán)值值，，即即α要取取大大些些。。這這種種方方法法克克服服了了單單憑憑經(jīng)經(jīng)驗驗來來選選擇擇控控制制規(guī)規(guī)則則的的缺缺陷陷，，是是合合理理并并可可行行的的。。75輸出出信信息息的的模模糊糊判判決決模糊糊控控制制的的輸輸出出是是一一個個模模糊糊子子集集，，它它反反應應的的是是不不同同控控制制語語言言所所取取值值的的一一種種組組合合。。但對對一一個個實實際際系系統(tǒng)統(tǒng)來來說說，，被被控控對對象象只只能能夠夠接接受受一一個個控控制制量量，，這這就就需需要要從從輸輸出出的的模模糊糊子子集集判判決決出出一一個個控控制制量量。。即即要要推推導導出出一個個由由模模糊糊集集合合到到普普通通集集合合的的映映射射，，這這個個映映射射通通常常被被稱稱為為模模糊糊判判決決，只只有有通通過過判判決決才才能能得得到到控控制制量量的的精精確確值值。。一種種常常用用的的方方法法是是最大大隸隸屬屬度度法法。即即在在要要判判決決的的模模糊糊子子集集Ui中取取隸隸屬屬度度最最大大的的元元素素umax作為為執(zhí)執(zhí)行行量量。。這這種種方方法法雖雖然然簡簡單單，，但但它它所所概概括括的的信信息息量量太太少少。。76輸出出信信息息的的模模糊糊判判決決按最大大隸隸屬屬度度的原原則則，，應應滿滿足足：：這樣做完完全排除除了其他他一切隸隸屬度較較小元素素的影響響和作用用，并且且為了