模糊控制的应用实例与分析

模糊控制的应用

学院实验学院

专业电子信息工程

姓名

指导教师

日期 2011 年 9 月 20 日

在自动控制中，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型(如微分方程等)的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。现代控制系统中的的控制能方便地解决工业领域常见的非线性、时变、在滞后、强耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。可编程控制器以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性很好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，这两者的结合，可在实际工程中广泛应用。

所谓模糊控制，其定义是是以模糊数学作为理论基础，以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的一种控制。模糊控制具有以下突出特点：

(1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现

场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用

(2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对

那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

(3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易

导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

(4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控

制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。(5)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，

尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

由于有着诸多优点，模糊理论在控制领域得到了广泛应用。下面我们就以下示例介绍模糊控制在实际中的应用：

电机调速控制系统见图1，模糊控制器的输入变量为实际转速与转速给定值

，输出变量为电机的电压变化量u。图2为电机调试之间的差值e及其变化率e

c

输出结果，其横坐标为时间轴，纵坐标为转速。当设定转速为2 000r／s时，电机能很快稳定运行于2 000r／s；当设定转速下降到1 000r／s时，转速又很快下降到1 000r／s稳定运行。

图1

图2

现以阀控液压缸作为执行机构的磨削闭环控制系统如图3为例，此系统是以

给定的磨削工件表面粗糙度Rao 为输入，以磨削表面粗糙度的实测值Ra 为输

出。

图3

以表面粗糙度的给定值 Rao 为输入，以磨削后表面粗糙度的实测值Ra

为输出的控制系统组成如图4所示：

图4

介绍完模糊控制的基本应用，我们就来看看模糊控制具体应用在哪些领域：

(1)模糊控制在工业企业大型生产过程中的应用

湖南大学的刘国才等对T-S 模糊推理方法进行了深人研究，并将其成功应用

于国家“八·五”重点新技术开发项目“氧化铝熟料烧成自动控制管理系统中，

实现了氧化铝烧成过程的自动控制，攻克了几十年来一直未能得到很好解决的氧

化铝熟料烧成回转窑的自动控制难题，取得了显著的社会效益和经济效益。其他

还有将模糊控制应用到聚丙烯匠应釜温度控制、电弧炼钢的控制、退火炉燃烧过+ -

模 糊 e n E n 模 糊 清

晰 磨削R a

测量装置 0a R d dt n e n E 执行模糊控制器

程的控制等。

(2)模糊控制在典型工业控制对象中的应用

模糊控制还被应用到现代控制领域的典型工业控制对象，如交流伺服系统模糊控制、机器人控制中的模糊控制、车辆自动驾驶模糊控制、温室温度模糊控制等等，可以说基本上在各种典型工业控制对象中的能见到模糊控制的身影。(3)模糊控制技术在智能家用电器中的应用

模糊控制在智能家电中的应用技术日本走在世界前列。目前已经出现了全自动洗衣机的模糊控制、电饭锅的模糊控制、空调的变频模糊控制、电冰箱的模糊控制、微波炉的模糊控制等。模糊控制技术大大提高了这些家电的智能化水平和控制效果，家用电器中使用模糊控制也成为目前的一个时尚。

(4)模糊控制在国民经济等复杂大对象的预测中的应用

国民经济等大型对象非常复杂，其变化趋势受很多因素影响，非常难以建立精确的数学模型来进行模拟。如人口变化趋势预测、黄河流域雨量预测、物价上涨趋势预测等。但是可以通过模糊控制理论、专家系统理论等建立模糊预测模型，获得这些对象的变化趋势。

模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决。其中两个重要的问题是：如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要方向为：

(1)适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；

控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。

(2)模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化

水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函

数参数自动生成等问题；进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设

计方法。

(3)模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和

算法等。

(4)模糊动态模型的辨识方法。

(5)预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。

(6)神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。

(7)模糊控制算法改进的研究：由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念

和原则；然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却

为数不多。这方面的尝试有待深入。

(8)最优模糊控制器设计的研究：依据恰当提出的性能指标，规范控制规则

的设计依据，并在某种意义上达到最优。

(9)简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用

模糊控制系统的开发和推广应用。

近年以来，模糊控制得到长足发展。它的应用领域涉及各各方面，控制方法也有广很大进展，模糊控制器的性能不断提高。模糊控制系统易于接受，设计简单，维护方便，而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒性高。由于它的这些特点，模糊控制正在得到越来越广泛的应用。