机电系统智能控制

2013 年春季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目:机电一体化技术基础

:机电工程学院

学生所在院

（系）

学生所在专业:机电控制

:刘申

学生姓

名

学

:12S108012

号

考核结果阅卷

人

模糊控制技术在机电一体化系统中的应用

刘申

（哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 510000）

摘要：模糊控制是控制理论发展的新阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。由于机电一体化系统控制要求的不断提高，被控对象、环境、控制目标及任务日渐复杂，很多问题难以建立精确的数学模型或者建立的数学模型难以求解。这些都促进了模糊控制技术在机电一体化系统中的应用。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊集合理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门学科诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。本文介绍了模糊控制及模糊控制技术在机电一体化系统中的实际应用。

关键字：模糊控制；模糊集合；自动控制技术；机电一体化

Application of Fuzzy Control in Mechanics-electronics

Abstract: Fuzzy control is a new stage in the development of control theory. It is mainly used to solve the control problems of complicated systems which are difficult to solve useing the traditional methods. With the rapid improvement on control system of mechanics-electronics, controlled subject, environment, control objective and tasks are increasingly complex. Some problems is hard to establish a precise mathematical model or the established mathematical model is impossible to be answered. All above promote the application of puzzy control technology in mechanics-electronics. Fuzzy control is a new control method based on fuzzy set theory. It is the product of fuzzy set theory and the combination of fuzzy thechnology and automatic control. It has produced many explorative result or even a breakthrough in the study and application of automatic control since the birth of this new method. The method gradually become an important way for common people to solve other problems as welll. This paper make an introduction of puzzy control and its practical application in mechanics-electronics.

Key words: Fuzzy control; Fuzzy set; Automatic control; Mechanics-electronics.

0 引言

智能控制是指的是在无人操作控制的状态下，依靠智能机器设备来实现自动化控制的一种新技术，理论研究已经有近百年的历史。模糊控制作为智能控制的一项重要成果，对那些难以预测、难以量化、难以界定、随机性很大的动态特性常变的控制系统，取得了良好的控制效果。

机电一体化技术结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术。随着电子技

术特别是微电子技术以及超大规模集成电路的发展, 机电一体化技术日趋成熟, 并广泛应用到各种工业和生产过程, 对控制效果的要求也越来越高。许多工业对象或生产过程常常具有非线性、时变性、变结构、多层次、多因素以及各种不确定性等, 难于建立精确的数学模型, 即使对一些复杂对象能够导出数学模型, 但过于复杂, 既不利于设计, 也难于实现有效控制。而模糊控制的出现和不断发展,为解决这些问题提供了有效的方法。越来越多的模糊控制方法在机电一体化系统中得到应用, 模糊控制在机电一体化系统中的研究也日益受到重视, 从智能机器人到数控机床再到家用电器的智能化, 无不体现了模糊控制的重要性。将其与智能控制有效结合起来可以提高一体化系统的运行模式，维持系统的正常运行。

1 控制理论的发展和特点

控制理论的发展可以分为三个阶段：第一个阶段始于20世纪初到20世纪50年代，以反馈和传递函数作为数学基础的古典控制理论在这一阶段逐步趋于成熟。这一阶段是控制理论的形成阶段。第二阶段为20世纪50年代到20世纪60年代，以状态空间分析为基础，是现代控制理论成熟和发展的阶段。第三阶段始于20世纪60年代中期到现在，这一阶段的理论发展将人工智能、信息论、自动控制和运筹学等多个学科成果进行了综合形成了智能控制理论，是控制理论发展中的高级阶段。。智能控制是针对传统控制理论的缺陷面向复杂多样的控制任务和目的发展起来的, 适用于那些基于精确数学模型的传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题。

智能控制理论与系统和传统控制理论与系统相比，主要有以下一些特点:

( 1) 智能控制是对传统理论的发展, 传统控制是智能控制的一部分, 是智能控制的低级阶段。智能控制系统具有开放的、分级的、分布式的结构, 有较强的综合信息处理能力。智能控制不是追求系统的高度自治为最终目的, 而是追求系统的全局优化。

( 2)智能控制和传统控制相比，前者是一门由多个学科交叉而成的学科。经历了从傅京逊的二元论到Saridis 的三元论再到蔡自兴的四元论的发展过程。智能控制理的理论基础是人工智能、运筹学、自动控制理论和信息论的综合与交叉；而后者，传统控制有着完善的理论体系，其理论核心是反馈控制理论。

( 3) 智能控制的主要对象和任务具有模型的不确定性、高度的非线性和复杂的任务要求。传统控制方法一般只适用于具有精确的数学模型、线性的或可以线性化的和单一任务的对象。

( 4) 智能控制和传统控制相比，前者：设计上把重点置于对数学模型如何进行描述，如何识别符号和环境，如何设计知识库和推理机上；后者是借助运动学方程、动力学方程或是传递函数等等较为精确的数学模型来描述系统的方法。结合比较，可以看出智能控制有着混合控制的特点，其系统可以借助知识来描述非数学的广义模型以及用数学表示的混合控制过程，凭借定性决策、开闭环控制和及定量控制相结合的多模态控制方式。

2 智能控制系统的类别

智能控制系统实际上是一种多项控制技术。智能控制的顺利运行主要是依赖于各种不同的智能控制系统展开操作，以构建出混合、集成的控制系统，在智能系统中许多智能技术才能得到充分运用。比如将神经网络系统与模糊控制相结合形成有自学习能力的模糊控制系统。在智能系统中许多智能技术才能得到充分运用，当前采取的智能控制系统有以下几类：(1)分级控制系统。分级控制又称“分级递阶智能控制”，该控制的运行主要依靠自适应控制、自组织控制等前提条件。在分级递阶智能控制中涉及到3个方面，即：组织级、协调级、执行级（见图1），每个级都有自己的作用。分级递阶控制思想的实质是将一个大的控制系统按功能或结构进行层次分配，将全系统的监视和控制功能划属于不同的级别去完成，各级完成分配给它的功能，并将有关信息传递到上一级，接受上一级管理。综合控制功能由最高一级决策执行，各级的工作相互协调，力求整个控制系统达到最佳效果。分级递阶控制依据“层次越高，智能越高，控制精度越低；层次越低，智能越低，控制精度越高”的拟人原则进行设计的。