基于模糊pid的智能溫度控制研究

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1、第1章緒論1.1課題的研究背景及意義現(xiàn)代控制系統(tǒng)，規(guī)模越來越大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，用傳統(tǒng)的控制理論方法已不能滿足控制的要求。智能控制是在經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是控制理論、人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能控制主要分為模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)。研究的主要目標(biāo)不僅僅是被控對(duì)象，同時(shí)也包含控制器本身。模糊理論是在美國(guó)柏克萊加州大學(xué)電氣工程系L.A.Zadeh教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面內(nèi)容。L.A.Zadeh教授

2、在1965年發(fā)表的FuzzySet論文中首次提出表達(dá)事物模糊性的重要概念——隸屬函數(shù)。模糊控制理論的核心是利用模糊集合論，把人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言所描述的算法。但它的控制輸出卻是確定的，它不僅能成功的實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式，對(duì)一些無(wú)法構(gòu)成數(shù)學(xué)模型的對(duì)象進(jìn)行控制?！澳：拍睢备m合于人們的觀察、思維、理解、與決策，這也更適合于客觀現(xiàn)象和事物的模糊性?！澳：刂啤钡奶厣褪且环N“語(yǔ)言型”的決策控制。模糊控制技術(shù)，已經(jīng)成為智能控制技術(shù)的一個(gè)重要分支，它是一種高級(jí)算法策略和新穎的技術(shù)。自從1974年英

3、國(guó)的馬丹尼(E.H.Mandani)工程師首先根據(jù)模糊集合理論組成的模糊控制器用于蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的控制以后，在其發(fā)展歷程的30多年中，模糊控制技術(shù)得到了廣泛而快速的發(fā)展?，F(xiàn)在，模糊控制已廣泛地應(yīng)用于冶金與化工過程控制、工業(yè)自動(dòng)化、家用電器智能化、儀器儀表自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域。尤其在交通路口控制、機(jī)器人、機(jī)械手控制、航天飛行控制、汽車控制、電梯控制、核反應(yīng)堆及家用電器控制等方面，表現(xiàn)其很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。并且目前已有了專用的模糊芯片和模糊計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品，可供選用。我國(guó)對(duì)模糊控制器開始研究是在1979年，并且已經(jīng)在模糊控制器的定義、

4、性能、算法、魯棒性、電路實(shí)現(xiàn)方法、穩(wěn)定性、規(guī)則自調(diào)整等方面取得了大量的成果。著名科學(xué)家錢學(xué)森指出，模糊數(shù)學(xué)理論及其應(yīng)用，關(guān)系到我國(guó)二十一世紀(jì)的國(guó)力和命運(yùn)。1.2PID控制的特點(diǎn)PID控制的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：(1)PID控制具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，適應(yīng)各種控制對(duì)象，參數(shù)的整定是PID控制的一個(gè)關(guān)鍵問題；(2)只要參數(shù)整定合適，對(duì)大多數(shù)被控對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差控制，穩(wěn)態(tài)性能好，但動(dòng)態(tài)特性不太理想；(3)PID控制不具有自適應(yīng)控制能力，對(duì)于時(shí)變、非線性系統(tǒng)控制效果不佳。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，控制性能會(huì)產(chǎn)生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)

5、的不穩(wěn)定。雖然PID控制具有一些不理想的方面，但由于其具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域一直占據(jù)了主導(dǎo)地位，而且全世界的控制技術(shù)研究和應(yīng)用人員對(duì)PID控制進(jìn)行了大量的研究，努力改善PID控制的性能。圍繞PID控制，并與多種其它控制技術(shù)結(jié)合，形成了多種PID控制技術(shù)，以下是一些PID控制技術(shù)的發(fā)展和研究方向：（1）專家PID控制：專家控制(ExpertControl)的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，并以智能的方式利用這些知識(shí)來設(shè)計(jì)控制器。利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PID參數(shù)便構(gòu)成專家PID控制；（2）模糊PID控制：模糊控制技術(shù)

6、與PID控制結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制；（3）神經(jīng)PID控制：運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，構(gòu)成神經(jīng)PID控制；（4）遺傳PID控制：用遺傳算法對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定和優(yōu)化，構(gòu)成遺傳PID控制；（5）灰色PID控制：灰色系統(tǒng)理論與PID控制結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)控制構(gòu)成PID控制。以上多種PID控制方法，是PID控制與現(xiàn)代控制技術(shù)的結(jié)合，主要是在PID參數(shù)動(dòng)態(tài)整定上進(jìn)行了大量研究，在保持PID控制基本原理的基礎(chǔ)上，改善了PID控制的性能，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域繼續(xù)占據(jù)著主導(dǎo)地位。1.3模糊控制技術(shù)概述模糊控制主要還是建立在人的直覺和經(jīng)驗(yàn)

7、的基礎(chǔ)上，這就是說，操作人員對(duì)被控系統(tǒng)的了解不是通過精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是通過操作人員豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和直觀感覺。這種方法可以看成是一組探索式?jīng)Q策規(guī)則。模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法，作為智能控制的一個(gè)重要分支，在控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。模糊控制的核心是模糊控制器，而模糊控制器的關(guān)鍵是模糊控制規(guī)則的確定，即模糊控制規(guī)則表，模糊控制規(guī)則表是根據(jù)專家或者操作者的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的一系列控制規(guī)則。一般最易為人所觀察到的就是被控過程的輸出變量及其變化率，因此通常把誤差及其變化率ec作為模糊控制

8、器的輸入語(yǔ)言變量，把控制量作為模糊控制器的輸出語(yǔ)言變量，從關(guān)系上看為，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)為模糊控制器是一種非線性的比例微分(PD)控制關(guān)系。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。圖1.1模糊控制系統(tǒng)框圖誤差e、誤差變化率ec和輸出y的實(shí)際變化范圍，