模糊控制系统设计及实现

物理与电子工程学院

《人工智能》

课程设计报告

课题名称模糊控制系统的设计与实现专业自动化

班级 2班

学生姓名梁检满

学号

指导教师崔明月

成绩

2014年6月18日

模糊控制系统的设计与实现

摘要

自然界与人类社会有关系的系统绝大部分是模糊系统，这类系统的数学模型不能由经典的物理定律和数学描述来建立。本文在模糊控制理论基础上设计模糊温控系统，利用专家经验建立模糊系统控制规则库，由规则库得到相应的控制决策，并分析系统隶属度函数，利用matlab与simulink结合进行仿真。仿真结果表明，该系统的各项性能指标良好，具有一定的自适应性。模糊控制算法不但简单实用，而且响应速度快，超调量小，控制效果良好。

关键词：模糊逻辑;隶属度函数;模糊控制; 控制算法

1引言

在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。随着社会及科技的发展，现代工程实践对系统的控制要求也在不断地提高，但对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，随着人类生产、生活对控制的精细需求，传统的控制理论已渐渐不能满足工艺要求。虽然于是工程师利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了，因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。

“模糊”是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。模糊并非是将这个世界变得模糊，而是让世界进入一个更现实的层次。“模糊”比“清晰”所拥有的信息量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。“模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学著名教授L. A. Zadeh于1965年首先提出，至今已有50多年的历史。模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控制，它是用语言规则描述知识和经验的方法，结合先进的计算机技术，通过模糊推理进行判决的一种高级控制策略。它含有人工智能所包括的推理、学习和联想三大要素；它不是采用纯数学建模的方法，而是将相关专家的知识和思维、学习与推理、联想和决策过程，有计算机来实现辨识和建模并进行控制。因此，它无疑是属于智能控制范畴，而且发展至今已发展成为人工智能领域中的一个重要分支。其理论发展之迅速，应用领域之广泛，控制效果之显著，实为世人关注。

在工业生产过程中，温度控制是重要环节，控制精度直接影响系统的运行和产品质量。在传统的温度控制方法中，一般采取双向可控硅装置，并结合简单控制算法（如PID算法），使温度控制

实现自动调节。但由于温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后等特点，很难用数学方法建立精确的模型[4]。因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。鉴于此，本文拟以模糊控制为基础的温度智能控制系统，采用人工智能中的模糊控制技术，用模糊控制器代替传统的PID控制器，以闭环控制方式实现对温度的自动控制。

2. 模糊控制

2.1模糊控制的诞生

自20世纪60年代以来，传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论已经在工业生产过程、军事科学以及航空航天等许多方面取得了成功的应用，但它们有一个共同的特点，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、传递函数或状态方程）的基础上。然而在实际工业生产中，由于一系列原因（例如被控对象和过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测量仪条件的不足等），建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的，而通常只能测得其参数间模糊的关系估计。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。

1965年美国的伯克利加州大学教授扎德发表了著名的论文《模糊集合论》，提出了模糊性问题，给出了其定量的描述方法，从而模糊数学诞生了。模糊数学不是使数学变得模模糊糊，而是让数学进入模糊现象这个客观的世界，用数学的方法去描述糊涂现象，揭示模糊现象的本质和规律，模糊数学在经典数学和充满模糊的现实世界之间架起了一座桥梁。

美国著名的学者教授L. A. Zadeh于1965年首先提出模糊控制理论，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略。1974年，英国伦敦大学教授E. H. Mamdani研制成功第一个模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功，这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生，也充分展示了模糊控制技术的良好应用前景。

2.2模糊控制的发展

1974年E. H. Mamdani成功对发动机组模糊控制之后，模糊控制如雨后春笋般迅速发展起来，1980年，在丹麦对水泥生成炉进行模糊控制获得成功。最重视模糊控制应用的当属日本，在成功应用模糊控制于仙台地铁以及家用电器之后，1989年4月，在通产省的支持下，成立“国际模糊工程研究所”，作为政府、工业界与高等学校协同合作科研的机构。从1989年开始，投资50亿日元，进行模糊控制产品系列开发，参加的公司企业有48家。1983年，美国加州决策产业公司推出模糊处理的决策支持系统，并在饭店管理和VAX超级小型机管理方面取得成功。1985年开始研究自动导航的模糊控制器，并用飞行模糊控制器做了实验，取得了好的性能。在宇航领域，NASA的约翰逊宇航中心在以控制无人飞行器对接的原型系统中利用了模糊控制器。经过仿真试验表明，利用模糊控制器比利用库里斯普控制规则控制器的性能高出20%以上。

目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。各种模糊产品充满了日本、西欧和美国市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄像机等等，模糊技术几乎变得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。直接采用模糊芯片开发产品己成为趋势。模糊开发软件包也充满市场。模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发展。随着其它学科新理论、新技术的建立和发展，模糊理论的应用更加广泛。模糊理论结合其它新技术和人工神经网络和遗传基因形成交叉学科神经网络模糊技术(Neuron Fuzzy Technique)和遗传基因模糊技术(Genetic Fuzzy Technique)，用于解决单一技术不能解决的问题。模糊理论在其它学科技术的推动下，正朝着更加广泛的方向发展。