最優(yōu)控制與智能控制基礎(chǔ)文獻(xiàn)總結(jié)報告

最優(yōu)控制與智能控制基礎(chǔ)文獻(xiàn)總結(jié)報告基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)

計(jì)學(xué)生姓名：班級學(xué)號：任課教師：提交日期：2016.06.22成績：（一）、研究背景1965年，美國著名控制論學(xué)者L.A.Zadeh發(fā)表了開創(chuàng)性論文，《FUZZYSETS》首次提出了一種完全不同于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與控制理論的模糊集合理論。在短短的30年里，以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來的模糊控制策略已經(jīng)成功為將人的控制經(jīng)驗(yàn)納入自動控制策略之中。在現(xiàn)今的模糊控制領(lǐng)域中，經(jīng)典模糊控制理論已經(jīng)在很多方面取得了一大批有實(shí)際意義的成果（如90年代日本家電模糊控制產(chǎn)品和工業(yè)模糊控制系統(tǒng)）。此外經(jīng)典模糊控制也得到了相應(yīng)的改善，如模糊集成系統(tǒng)、模糊自適應(yīng)系統(tǒng)、神經(jīng)模糊控制等。現(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機(jī)沒有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位，如在鋼鐵冶煉過程中要對出爐的鋼鐵進(jìn)行熱處理，才能達(dá)到性能指標(biāo)，塑料的定型過程中也要保持一定的溫度［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應(yīng)能力的要求越來越高，被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)點(diǎn)的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)擾動、各種不確定性以及現(xiàn)場測試手段不完善等，使難以按數(shù)學(xué)方法建立被控對象的精確模型的情況［3］。對于這些系統(tǒng)來說采用傳統(tǒng)的方法包括基于現(xiàn)代控制理論的方法往往不如一個有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員的手動控制效果好，而模糊控制理論正是以人的經(jīng)驗(yàn)為重要組成部分。這就使模糊控制在一般情況下比傳統(tǒng)控制方法更有效、更安全。將模糊控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。模糊控制是基于模糊數(shù)學(xué)上發(fā)展起來的一門新的控制科學(xué)［3］。其運(yùn)算過程中有很多都要用到矩陣運(yùn)算，但控制其級別很少的時候可以進(jìn)行離線計(jì)算，很方便的完成矩陣運(yùn)算。這樣一來模糊控制就已經(jīng)簡化了，甚至比一般的PID運(yùn)算還更簡單。運(yùn)用一般的處理機(jī)，如單片機(jī)就能完成。（二）、用模糊控制的發(fā)展模糊集合和模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zadeh于1965年在其Fuzzy,FuzzyAlgorithm等著名論著中首先提出的。模糊集合的引入可將人的判斷、思維過程用比較簡單的數(shù)學(xué)形式直接表達(dá)出來，從而使對復(fù)雜系統(tǒng)做出符合實(shí)際的、符合人類思維方式的處理成為可能，為經(jīng)典模糊控制器的形成奠定了基礎(chǔ)［3"為了加快模糊控制理論的研究，1972年在日本東京大學(xué)建立了〃模糊系統(tǒng)研究會”，以后，各大學(xué)相繼招開模糊控制的國際學(xué)術(shù)交流會，大大促進(jìn)了模糊控制的發(fā)展。盡管模糊集理論的提出至今只有30年，但發(fā)展迅速。至今世界上研究〃模糊”的學(xué)者已超過萬人，發(fā)表的重要論文達(dá)5000多篇。80年代以來，自動控制系統(tǒng)的被控對象更加復(fù)雜化，它不僅表現(xiàn)在多輸入，多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)時變性和嚴(yán)懲的非線性，更突出的是從系統(tǒng)對象所能獲得的數(shù)據(jù)量相對的減少，以及對控制性能要求的日益增高。因此要想精確地描述復(fù)雜對象與系統(tǒng)的任何物理現(xiàn)象和運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)際已不可能。關(guān)鍵是如何在精確和簡明之間取得平衡，而使問題的描述具有實(shí)際意義。這樣模糊控制理論的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代控制理論中起著越來越重要的地位和意義。從已實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)來說，它具有易于掌握、輸出量連續(xù)、可靠性高、能發(fā)揮熟練專家操作的良好自動化效果等優(yōu)點(diǎn)。最近幾年，對于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善、模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究受到各國學(xué)者的重視。目前，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)相互結(jié)合，取長補(bǔ)短，形成一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用人腦的智能信息處理系統(tǒng)，其發(fā)展前景十分誘人。我國對模糊控制的理論與應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類分析、模糊圖像處理、模糊信息論、模糊模式識別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。建模與參數(shù)辨識是實(shí)現(xiàn)控制的重要基礎(chǔ)，因此這一研究工作從199年至今一直是模糊控制領(lǐng)域的熱門話題。系統(tǒng)模糊模型就是指采用與系統(tǒng)輸入輸出樣本數(shù)據(jù)相關(guān)的、能表示系統(tǒng)狀態(tài)的一組模糊規(guī)則來描述系統(tǒng)。具有模糊性的表示形式。模糊控制理論還有一些重要的理論課題還沒有解決。其中兩個重要的問題是：如何獲得模糊規(guī)則即隸屬函數(shù)問題以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大本說來，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強(qiáng)的主要課題有：

適合于解決工程上普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評價理論體系，控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性分析和可觀測性判定方法等。模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)設(shè)定方法，量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實(shí)現(xiàn)規(guī)則和隸屬函數(shù)自動生成等問題，以及進(jìn)一步給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論的確定以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算模糊控制算法的改進(jìn)和研究。由于模糊邏輯的范疇很廣，包括大量的概念和原則，然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用的卻為數(shù)不多。這方面的嘗試有待深入。(三),模糊控制系統(tǒng)的基本原理模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的微機(jī)數(shù)字控制，是模擬人的思維，構(gòu)造一種非線形控制，以滿足復(fù)雜的、不確定的過程控制的需要。它屬于智能控制范圍[2]o給定量+圖2.1給定量+圖2.1模糊控制系統(tǒng)的組成(1)測量元件傳感器它將被控對象輸出信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，測量元件的精度往往直接影響控制系統(tǒng)的精度，要注意選擇符合工程精度要求又穩(wěn)定可靠的測量元件。(2)輸入輸出接口裝置它完成模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換，信號采樣與濾波等工作。廣義對象它包括被控對象與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控對象為復(fù)雜的工業(yè)過程，可是線性的或非線性的，也可能存在各種干擾，是模糊的、不確定的、沒有精確數(shù)學(xué)模糊的過程。模糊控制器它是一臺處理器，用于完成模糊推理的過程與根據(jù)輸入量和模糊運(yùn)算做出模糊控制工作。在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器用于感受控制對象的溫度，然后由與溫度變化的線性關(guān)系產(chǎn)生與其大小相適應(yīng)的變化量交給變送器處理。變送器傳感器輸入轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或者電流信號，再通過輸入輸出接口裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸入到模糊處理器中進(jìn)行模糊控制。輸入輸出接口裝置包含了各種人機(jī)接口，如用于輸入控制溫度的鍵盤、用于顯示實(shí)時溫度的數(shù)碼管、用于報警的LED，還有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器等。很顯然，人機(jī)接口裝置越完備，其能實(shí)現(xiàn)的功能也越強(qiáng)，這樣也越能增加產(chǎn)品的功能和親合力?？刂茖ο罂梢允请姞t也可以是油爐，如果是電爐執(zhí)行器將會是晶閘管，也可以是靜態(tài)或固態(tài)繼電器；如果對象是油爐，執(zhí)行器可以選擇為調(diào)節(jié)閥，控制輸入到油爐的油量大小?；谀：惴ǖ臏囟瓤刂葡到y(tǒng)，可用各類處理器，如微機(jī)、單片機(jī)、DSP等作為模糊控制器，其內(nèi)部運(yùn)行模糊算法程序，用于根據(jù)輸入的溫度信號進(jìn)行處理從而達(dá)到做出模糊控制的目的。）、結(jié)論基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為模糊控制器，根據(jù)測量溫度與設(shè)定溫度的差值和模糊算法生成控制信號，控制電爐的通電與斷電。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高。在鍵盤、A/D轉(zhuǎn)換、顯示電路上都采用了串行方式，從而減小了單片機(jī)口線的使用，也使使用口線小的單片機(jī)成為可能，減小了成本開支；電源電路雖未采用流行的開關(guān)穩(wěn)壓電源，但也經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性能穩(wěn)定。在軟件上，基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的模糊算法，從某個角度上說這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，有更穩(wěn)定、控制精度更高等優(yōu)點(diǎn)，而控制量的輸出上采用了模擬的PWM變換，免去了一級D/A轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡單易行。在程序的編寫過程中特別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實(shí)現(xiàn)，如鍵盤控制管理程序和模糊運(yùn)算程序都是經(jīng)過深思熟慮而精心設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的操作界面更容易讓人理解，同時使用鍵盤輸入控制溫度，雖然一定程度上增加了程序的復(fù)雜性，但同時也使系統(tǒng)的溫度更容易設(shè)定；加了E2PROM，使系統(tǒng)能夠在掉電重啟動后繼續(xù)完成加熱。當(dāng)然，系統(tǒng)同時也存在幾點(diǎn)缺點(diǎn)。在選擇模糊控制器時用了速度相對較慢的單片機(jī)，而沒有采用速度更快的工控機(jī)，一定程度上降低了采樣頻率。采用了89C2051，一方面系統(tǒng)更緊湊但同時系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大大降低；采用了經(jīng)典的模糊控制理論，雖然算法簡單，但如果采用更先進(jìn)的模糊算法，如模糊PID，則控制精度會更高。很顯然，基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)能夠滿足一般溫度控制系統(tǒng)的要求，其

有著控制精度高、算法簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，有著很大的市場前景。當(dāng)然，如

果在其中加入更高級的算法，如模糊PID等，再將壓力等參數(shù)考慮到系統(tǒng)中，

且控制范圍控大到其它的領(lǐng)域中去，其將有著不可估量的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1]吳炳勝，王桂梅.80C51單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社2001：3-4⑵BB.拉古林著.趙志正，閻家賓譯.橡膠工業(yè)制品的生產(chǎn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985.4:100-101章衛(wèi)國.模糊控制理論與應(yīng)用[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.10：1012,78-79劉曙光，魏俊民.模糊控制技術(shù)[M].北京:中國防治出版社，2001.6:20,24LeonhardW.ControlofElectricalDrivesSpringer-Verlag,1985:73曲學(xué)基,王增福編著.穩(wěn)壓電源