前言恒溫器主要用于溫度控制。它在當前時期我國工業(yè)現(xiàn)代化和工業(yè)生產(chǎn)科學技術(shù)與工程科學理論研究中都具有著非常重要的指導意義。因此,高溫低精度工業(yè)恒溫箱的時滯溫度控制管理系統(tǒng)的總體設(shè)計方法具有重大的技術(shù)現(xiàn)實意義和其它的應(yīng)用價值，最早被廣泛應(yīng)用于工業(yè)恒溫箱時滯溫度系統(tǒng)控制的一些主要經(jīng)典溫度控制設(shè)計技術(shù)以及一些主要具有現(xiàn)代智能化溫度控制管理技術(shù)的設(shè)計方法。近年來常被中國使用而且也引起了很多外國人的高度關(guān)注。本文主要介紹用于溫控器溫度控制的PID控制算法，模糊控制算法和模糊PID控制算法。1.1選題的目的、意義恒溫箱的作用是控制溫度。目前,它已廣泛應(yīng)用于工業(yè)實驗室,科研廠房，公司等。同時,它還為我們提供了進行農(nóng)業(yè)科學研究和生物技術(shù)實驗測試必須要求的各類環(huán)境仿真條件。因此,它在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用于無菌檢測,藥品,紡織和食品加工中對化學穩(wěn)定性的檢查和原材料,產(chǎn)品包裝和對工業(yè)產(chǎn)品使用壽命的檢測。還可用于一些科研單位和醫(yī)療機構(gòu)中的細菌培養(yǎng),也就是我們可以用于大規(guī)模的培養(yǎng)，發(fā)酵和培養(yǎng)。簡而言之，恒溫器在當前的工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中起著重要的作用。因此，高精度溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義和重要的應(yīng)用價值。Matlab是MatrixLaboratory的縮寫。它是美國MathWorks生產(chǎn)的商業(yè)數(shù)學軟件。它采用先進技術(shù)設(shè)計的電子語言與交互式軟件環(huán)境,適合于研究人員使用各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于開發(fā)算法，數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計算。它能夠很容易地實現(xiàn)許多個控件的模擬,仿真效果好,可以更加直觀地體現(xiàn)出一個個控件。因此,使用matlab對恒溫箱內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)進行了仿真,就能夠看出這種算法在設(shè)計中的正確率和實用程度。1.2關(guān)于本課題所涉及的問題研究發(fā)展現(xiàn)狀為了更好地實現(xiàn)對培養(yǎng)箱的溫度控制,通常采用兩種經(jīng)典的控制方法(該控制方法最初是專門用于時間延遲控制系統(tǒng))和一種智能控制的方法(該控制方法近年來一直受到廣泛的關(guān)注)。同時，將兩者結(jié)合的連接控制方法具有兩者的優(yōu)點。因此，它正在逐漸普及。1.2.1經(jīng)典控制所謂經(jīng)典控制方法，就是指目前世界上最早已被提出和廣泛應(yīng)用在時滯式系統(tǒng)中的控制問題。它主要由pid控制,smith預(yù)測控制和dalin算法組成。PID控制器因其具有算法簡便,魯棒性強,并且可靠度高的巨大優(yōu)勢,所以經(jīng)常被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中。pid數(shù)據(jù)控制的一個重要技術(shù)難點也就是如何通過正確設(shè)置數(shù)據(jù)控制參數(shù)變量來快速取得最優(yōu)的數(shù)據(jù)控制處理效果。但是,在一個進行特定時間上的推遲計算過程中,我們所經(jīng)常使用的算法pid推遲具有一些大的局限性,因為只有當一個系統(tǒng)設(shè)計中的推遲模型每個參數(shù)都可以為時不變的特定條件下,pid推遲算法才真正可以快速取得理想的推遲結(jié)果。當將具有良好匹配參數(shù)的PID控制器應(yīng)用推廣到那些沒有具備良好時變模型匹配參數(shù)的復雜時變控制系統(tǒng)中,該時變系統(tǒng)的基本性能就必然可以發(fā)生變差甚至完全失去系統(tǒng)穩(wěn)定。特別針對是那些額定溫度時滯比較高的控制系統(tǒng),比如的系統(tǒng)，時滯比較大，傳統(tǒng)的PID控制通常都顯得是無能為力的。但我們可以將其與其他控制方法相互作用結(jié)合在一起來對其進行綜合使用以便于增強延時控制過程處理中的延時控制處理效果,從而仍然還可以做到充分利用其中pid延時控制的一些特點。許多數(shù)學專業(yè)的模糊科學家已經(jīng)成功提出了多種新的模糊pid控制算法,并且一些研究人員開發(fā)了多種新的模糊pid自動控制器,例如與模糊時間移動相關(guān)的模糊可以和非確定性模糊控制pid自動控制器和可可自適應(yīng)模糊控制pid自動控制器,從而大大提高了控制性能。PID控制可以與模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，即基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的模糊自動相適應(yīng)控制pid模糊控制系統(tǒng)技術(shù)。smith預(yù)估器是一種廣泛應(yīng)用的基于時延系統(tǒng)的控制方法,是一種預(yù)測性的時延補償算法。通過分析和估計各種應(yīng)用對象的動態(tài)特征,可以使用預(yù)測模型對其進行補償,以便得到不存在時間和延遲的調(diào)節(jié)變量,并將其反饋給控制器,從而可以使整個系統(tǒng)的控制像沒有任何時間和延遲連接一樣,從而減少超調(diào)和改善的系統(tǒng)穩(wěn)定性,并且可以加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程,并大大提高系統(tǒng)的運行速度。從理論上來講，smith預(yù)測器已經(jīng)能夠完全地消除了時間推移和延誤的影響,但是這種方法在實踐和應(yīng)用中并不能令任何人感到滿意。其中一個重要的原因是smith預(yù)測器需要了解受控物體和對象之間精準的數(shù)學模型。當存在估算模型和現(xiàn)場中的實際物體時,如果發(fā)生錯誤，則控制質(zhì)量會嚴重下降，從而使史密斯預(yù)測器的控制性能在實際應(yīng)用中變差。因此，基于史密斯的預(yù)測因子，許多科學家提出了擴展或改進的解決方案。這些解決方案主要有:smith多變量預(yù)測器控制,用于非線性系統(tǒng)中的smith預(yù)測器,改進后的smith預(yù)測器,smith自適應(yīng)預(yù)測器控制。Dalin算法是IBM的Dahlin于1968年前的首次論文提出的一種控制算法,用來幫助研究在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制過程中的控制算法中的純性和滯后性。該設(shè)計算法的主要研究目的之一就是為了幫助設(shè)計一個合適的運動數(shù)字閉環(huán)控制器，以使整個數(shù)字閉環(huán)運動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)之間能夠得到對應(yīng)于某一運動階段的一個慣性運動連接,該純慣性連接具有閉環(huán)系統(tǒng)的純延遲和純延遲時間。必須與受控對象相對應(yīng)。純延遲時間。大林算法的方法相對簡單。只要我們能夠精心地設(shè)計出合適的且物理上完全可以實現(xiàn)的數(shù)字控制器,它就已經(jīng)可以有效地克服單片機和純磁滯現(xiàn)象的不良影響,因此這種控制器在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是,不利的一面就是設(shè)計中存在振鈴現(xiàn)象,并且像smith的算法一樣,需要精確數(shù)字處理模型。如果這種模型的誤差很大,則控制的質(zhì)量會被大幅度降低,并且整個系統(tǒng)甚至可能會變得更加不穩(wěn)定。1.2.2智能控制智能控制系統(tǒng)是一種完全的自動化控制,它允許一臺智能計算機獨立地供電以完成其目的,而不必進行任何人工的干預(yù)。它主要包括模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制,遺傳算法。模糊控制是一種較早的智能化控制形式。它吸收了現(xiàn)代人類的思維模糊。從一個廣義上來講,模糊邏輯控制方法是一種泛指模糊集理論在實際應(yīng)用和從總體上看待系統(tǒng)的一種控制方法。無需模糊控制所以就需要準確的數(shù)學模型,這就是解決非安全的系統(tǒng)管理問題的有效手段。模糊控制技術(shù)就是一種以專家為準則的模糊控制技術(shù)。在時間延遲的過程中,通常會對誤差和誤差的變化率實施模糊控制。對輸入值的準確度和精準值可以進行模糊處理,并根據(jù)相應(yīng)的輸入變量和模糊規(guī)律,依靠模糊推理綜合的規(guī)則,計算得出相應(yīng)的控制值,然后進行澄清。獲得精確的輸出控制過程，其中模糊規(guī)則最為重要。然而，模糊控制具有諸如控制精度差和算法復雜的缺點。因此，如果可以將其與其他算法組合以提高其控制精度，則它非常有效，例如B.模糊史密斯控制器，模糊自適應(yīng)控制器，模糊PID控制算法等。獲取準確的輸入和控制信號的過程,其中最為關(guān)鍵的模糊性規(guī)則。然而,模糊控制仍然具備諸如控制精度低、算法復雜等缺點。因此,如果我們可以將其與他人的控制算法進行組合以提高它們所控制的精度,則它非常有效,例如b.模糊史密斯控制器,模糊自適應(yīng)控制器,模糊pid控制算法等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制主要是對于人腦某些基本結(jié)構(gòu)機制以及其他關(guān)于人類的知識和實踐經(jīng)驗進行研究和運用,以控制的一種系統(tǒng)。人們已經(jīng)普遍認為,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)使系統(tǒng)在設(shè)計上具有良好的智能性和魯棒性,可以有效地解決那些具有高尺寸,非線性,強耦合和不確定性的復雜大型工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中的控制問題,其獨特之處主要在于它們的可視化和數(shù)據(jù)庫優(yōu)勢。。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢之處就是它們既可以完全地近似任何復雜的非線性系統(tǒng),又可以具有極高的魯棒性和易于容錯。通常,有兩種對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行控制的方法:一種就是對其進行建模,另一種就是將其直接應(yīng)用到控制中。就像模糊控制那么簡單,而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具備了算法繁瑣的缺陷。同時,學習和訓練中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很耗時,并且需要很高的訓練率。1.2.3結(jié)論由于我國經(jīng)典的電子控制系統(tǒng)設(shè)計方法,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好,實用性大,在實際工業(yè)生產(chǎn)的過程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是,由于它們都采用的是基于參數(shù)模型的控制算法,因此它們的適應(yīng)性和魯棒度很低,對模型精度的穩(wěn)定性要求高,并且抵御干擾的能力也很差。智能化控制系統(tǒng)是一種非參數(shù)模型的控制方式,因此該系統(tǒng)在魯棒性、干擾抑制功率等方面均具備很大優(yōu)勢。但是,智能化的控制系統(tǒng)也存在著其他的缺點,即理論太強，算法太復雜，大多數(shù)方法僅限于理論研究和仿真研究，沒有太多可用于測試的用途。設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)這兩種控制方法的特性，將這些控制組合在一起以進行復合控制是一種時滯系統(tǒng)的有效控制策略成功投入應(yīng)用的技術(shù)包括模糊控制pid函數(shù)控制,模糊控制smith-nn函數(shù)控制,neuronsmith-nn控制預(yù)測函數(shù)控制。估算與計量控制。這些自動控制設(shè)計方法不但完全可以有效充分利用我國傳統(tǒng)的一些經(jīng)典自動控制設(shè)計方法的簡易軟件結(jié)構(gòu),可靠性和其在技術(shù)上的強大實用性,而且可以利用智能控制的優(yōu)點，即適應(yīng)性強，魯棒性強，抗干擾能力強，可以彌補自身的不足。時滯控制系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。1.3主要解決的問題本文的設(shè)計主要目的是為了深入研究恒溫器的熱量自動控制及該系統(tǒng)所需要采用的控制算法。由采用pid控制算法,模糊控制處理算法和模糊處理pid控制算法進行控制。通過使用matlab控制仿真器你可以快速獲得一個新的控制仿真結(jié)果,然后將它們與所有用戶預(yù)期的控制目標相同化并進行了一次比較,以便于檢查這些各種控制算法都功能是否完全并且可以直接達到要求。將兩種算法數(shù)據(jù)進行流量比較,選擇一個更好的流量控制策略。在應(yīng)用pid控制算法中,主要的技術(shù)研究發(fā)展方向就是研究使用不同的整體數(shù)學控制模型時對一個整體運動系統(tǒng)控制性能的直接波動影響。模糊控制分析算法主要專注于模糊控制的正確設(shè)計,模糊子集的正確選擇,模糊控制規(guī)律的正確定義和模糊推理。對于一種系統(tǒng)稱為模糊誤差pid的誤差算法,模糊誤差控制器系統(tǒng)可以通過使用模糊誤差密度e和模糊誤差密度變化率中的ec公式來分別作為其中的輸入。控制的一個重要關(guān)鍵步驟之一就是準確地快速找出參數(shù)pid的三個基本參數(shù)、和與數(shù)據(jù)e及參數(shù)ec之間的模糊控制關(guān)系,在其中的運行中我們發(fā)現(xiàn)可以通過連續(xù)地不斷檢測參數(shù)e和以及ec,然后依照模糊控制的基本原理,實現(xiàn)了對，和模糊在線數(shù)據(jù)更新,以便于及時滿足該模糊控制的基本要求。

2控制算法概述2.1PID控制概述pid控制算法(利用比例函數(shù)p分為積分函數(shù)i和導出函數(shù)積分d),它們都已經(jīng)是目前我國最為典型的控制算法。pid系列數(shù)控機床在現(xiàn)場機械工作原理過程及其機床運動過程控制中一直占有重要技術(shù)位置。據(jù)統(tǒng)計，PID控制器占工業(yè)控制器的90％以上。PID控制策略是最早要開發(fā)的控制策略之一。由于算法簡單，魯棒性好，可靠性高，因此具有廣泛的應(yīng)用范圍，非常方便易用。它特別適用于可以創(chuàng)建精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。然而,實際數(shù)學受控處理過程通常都存在具有非線性且可能隨特定時間而有改變的高度不確定性,并且很難幫助建立一個精確的實際數(shù)學受控模型。而且現(xiàn)在運用一些常規(guī)化的pid控制算法時也沒有什么辦法完全實現(xiàn)理想的溫度控制處理效果。隨著我國現(xiàn)代信息計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代人工智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)理論的不斷進步,為我們應(yīng)用提供了一種完全可以有效控制各種復雜的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)不安全系統(tǒng)的新技術(shù)手段。2.1.1模擬PID控制原理圖中顯示了模擬PID控制系統(tǒng)的原理框圖。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和受控對象組成。圖SEQ圖\*ARABIC1模擬PID控制原理框圖理想中的pid控制器按照給定值與實際輸入值所組成的控制偏差: （2-1）將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。其控制規(guī)律為: （2-2）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式; （2-3）式中:是一個函數(shù)比例的時間系數(shù)，是一個函數(shù)積分的時間常數(shù)，是一個函數(shù)微分的時間常數(shù)。簡單說其比例、積分和微分環(huán)節(jié)的作用為:比例環(huán)節(jié):即時成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即動作以減小誤差。積分控制環(huán)節(jié):主要一個功能特點就是有效地控制消除系統(tǒng)的靜差,提高系統(tǒng)的工作可靠性和積分控制器的精確度,積分環(huán)節(jié)功能發(fā)揮作用的范圍大小和功能強弱主要依賴于積分時間常i，越大，微分信號環(huán)節(jié):它們通常能夠準確地通過反應(yīng)計算出一個偏差微分信號的變化趨勢(及其變化的反應(yīng)速率),并且只有當一個偏差微分信號的內(nèi)部取樣閾值誤差變得過于巨大之前才可能會自動引入一個被人們稱為信號修正的微分信號,從而它們可以大大減小整個系統(tǒng)的信號超調(diào),加快整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過渡階段和修正進程﹐從而可以縮短整個調(diào)節(jié)的持續(xù)時間。2.1.2數(shù)字PID控制原理模擬PID控制器的輸入和輸出均為模擬量，例如電壓和電流。如果使用計算機來實現(xiàn)控制算法，則其輸入和輸出必須是數(shù)字離散量。PID控制律的上述所有連續(xù)形式都必須首先更改為離散形式，然后才能通過編程實現(xiàn)。PID控制器算法的離散形式為： (2-4)或者 (2-5)式中：T采樣周期K采樣序號u(k)第k次采樣時刻計算機的輸出值e(k)第k次采樣時刻輸入的偏差值積分系數(shù)微分系數(shù)根據(jù)Z變換性質(zhì)： (2-6) (2-7)上式變換為： (2-8)可得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為： (2-9)數(shù)字PID控制器的控制框圖為圖SEQ圖\*ARABIC2數(shù)字PID控制器控制框圖2.2PID控制器的參數(shù)整定方法由于pid控制器的零件輸出與偏差大小占系統(tǒng)中一定的比率,是微分和積分相互作用的線性組合,因此設(shè)置每一個零件的線性系數(shù)對pid控制器的控制性能至關(guān)重要。pid控制器參數(shù)必須匹配到各自受控對象。2.2.1湊試法也稱為經(jīng)驗方法,是根據(jù)調(diào)節(jié)儀表的參數(shù)、和對系統(tǒng)響應(yīng)的影響后反復地湊試,直至達到令人滿意的一種輸出響應(yīng)。湊試方法的第一個步驟是先調(diào)好比例系數(shù)，再調(diào)好積分系數(shù)，最后調(diào)好微分系數(shù)。將調(diào)節(jié)器中的各項參數(shù)逐一地進行了湊試,各項參數(shù)的調(diào)整都是以出小向大為原則依次進行。2.2.2擴充臨界比例度法該方法是Ziegler和Nichols提出的用于調(diào)整PID參數(shù)的方法。這是基于系統(tǒng)的關(guān)鍵振動參數(shù)的閉環(huán)調(diào)整方法。本質(zhì)上，它是模擬控制器中使用的穩(wěn)定極限方法的擴展。在控制系統(tǒng)中，控制器僅受比例作用，并且控制器的比例值從小到大逐漸變化，以獲得振幅恒定的振蕩過渡過程。此時的比例值稱為臨界比例值，相鄰的兩個波峰間的時間間隔稱為臨界振蕩周期，求得和后根據(jù)臨界振蕩整定計算公式就可以確定PID參數(shù)。2.2.3過波過程響應(yīng)法該法則由Cohen和Coan提出，因此也稱為C-C法則。談?wù)撍惴ㄒ馕吨鴮⒖刂茖ο蠼茷榫哂屑冄舆t的一階慣性復合物。 (2-10)通過開環(huán)實驗，測量系統(tǒng)單元的反應(yīng)步驟曲線，確定純延遲時間t和時間常數(shù)T，然后根據(jù)公式確定PID參數(shù)。確定各種控制方法的參數(shù)的公式如下：對于比例控制： (2-11)對于比例積分控制： (2-12) (2-13)對于比例積分微分控制： (2-14) (2-15) (2-16)當不能確切地知道一個廣義連接過程中各種動態(tài)特征和物理的順序或者參數(shù)的值時,使用響應(yīng)曲線控制器進行參數(shù)調(diào)整的方法尤為有用,因為響應(yīng)曲線顯示了所有的動態(tài)連接,測量連接和執(zhí)行連接的受控過程等。可以為廣義過程實驗的近似模型提供一個參考。2.3大純沿后過程的控制由于介質(zhì)的溫度變化本質(zhì)上是能量傳遞的結(jié)果，因此其溫度參數(shù)無法快速變化。因此，溫度物體通常包含純滯后現(xiàn)象。對于這種類型的系統(tǒng)。使用普通的pid等微控制器很難能夠?qū)崿F(xiàn)理想的遠程控制處理效果。預(yù)期的動態(tài)響應(yīng)只能通過使用特殊的控制算法來實現(xiàn)。過程的純滑移對控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響不取決于的絕對值，而是與過程的時間慣性常數(shù)T（）的比率有關(guān)。通常當時，可以將其作為一個大型的純延遲過程進行控制。2.3.1施密斯(Smith）預(yù)估補償控制Smith預(yù)測補償控制的思想是引入合適的反饋補償連接，以使閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母項不包含純延遲連接。圖SEQ圖\*ARABIC\s13Smith預(yù)估器由圖可以得出引入補償環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)為： （2-17）為使其分母中沒有項出現(xiàn)，即要求閉環(huán)特征方程為： （2-18）由上面兩式得： （2-19）由下圖可知，原來與設(shè)定值相對應(yīng)比較的是純測量滯后值,也是說就是在微控制器的作用函數(shù)u的值通過后的輸出，即有的純測量滯后。現(xiàn)在經(jīng)多次測量反饋和和補償后，中包含和兩項，后一項正好被與原先的輸入測量標準值相互作用抵消，其余部分僅僅只能通過一個模型后進行輸入測量u。所以當再次測試數(shù)據(jù)模型準確時，，作為再次檢測輸入信號的兩個數(shù)據(jù)包在進行再次反饋時,它們應(yīng)該是完全不會被認為含有的輸出，是及時地地被發(fā)送或輸出去的。從而有效消除了不利性和影響。圖SEQ圖\*ARABIC42.4模糊理論概述自1965年以來，美國著名的控制理論學者拉扎德（LaZadeh）出版了開創(chuàng)性的出版物“FuzzySets”，其中首次提出了模糊集理論，這與傳統(tǒng)的數(shù)學和控制理論完全不同。模糊邏輯獲得成功在短短20年的著名貝爾實驗室開發(fā)。這一歷史事實已經(jīng)充分事實表明,模糊控制科學技術(shù)發(fā)展作為一個新興的技術(shù)學科,它不僅具有巨大的技術(shù)市場性和生命力,并且也已經(jīng)具備了廣泛的國際應(yīng)用發(fā)展前景。模糊控制理論在當今的信息時代我們之所以能夠取得這么快的進步,是因為它給我們提供了一種全新的數(shù)學工具和技術(shù),主要表現(xiàn)在以下三個方面:首先,模糊理論為人們提供了多種用于表達機器自身語義的理論和技術(shù)方法,從而使人們可以將各種自然語言直接地轉(zhuǎn)換成機器所能夠理解和接受的事物,從而大大提高了機器的靈活度。其次,模糊理論為人們提供了模糊邏輯與近似思維相結(jié)合的理論與方法。通過簡單的軟件和硬件,機器就可以在設(shè)計上變得"智能"并進一步提高它們的智能性。目前應(yīng)用于家庭電器及工業(yè)模糊控制系統(tǒng)中的模糊控制設(shè)備已被確認。模糊理論較普遍地使用于一般數(shù)學理論中。除了電子科學和工程學以外，還為社會，經(jīng)濟學，哲學，心理學，教育和管理等人文科學提供了用于數(shù)學描述的語言和工具。這將是合理的。促進這些學科的發(fā)展。模糊控制基于模塊化數(shù)學，其中精確量被總結(jié)為“自然語言”的模糊量，然后根據(jù)人們的思維方式使用模糊推理規(guī)則來計算這些模糊量，并輸出模糊運算結(jié)果。最后，對模糊輸出進行去模糊處理以獲得可以在控制系統(tǒng)中使用的精確大小。這反映出控制過程的控制者正在不斷地將所觀察到的過程輸出的準確量轉(zhuǎn)換為模糊量。通過人腦的思維和推理獲得模糊判斷之后，將通過判斷獲得的模糊量轉(zhuǎn)換為準確量。實現(xiàn)手動遠程控制的整個操作過程。可以清楚地看到,模糊集的控制器概念。充分體現(xiàn)了模糊集的思維理論,語言集的變量和模糊集的思維方式是一種在沒有復雜的模糊數(shù)學邏輯模型基礎(chǔ)條件下的有效綜合運用,其所需要采取的模糊控制策略就是以模糊語言集的形式具有確定性地用來描述復雜的模糊控制處理過程。圖SEQ圖\*ARABIC52.5基本模糊控制器的設(shè)計步驟設(shè)計模糊控制器通常需要五個步驟：（1）確定模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：在此步驟中，確定模糊控制器的輸入和輸出。（2）對于精確進行量的一個模糊化:也是說就是實現(xiàn)對于一個輸入量的一個精確性對于進行量的模糊化,并且可以使得這個精確性對于進行基礎(chǔ)變化的閾值幅度(稱為基礎(chǔ)變化范圍)經(jīng)過模糊量化而被模糊為一個相應(yīng)的模糊性變化范圍影響因素。（3）模糊控制算法的設(shè)計：使用一組模糊條件集來形成模糊控制規(guī)則。并計算出由模糊控制規(guī)則確定的模糊關(guān)系。（4）對輸出信息進行模糊性評估:以便于完成從一個模糊測量向一個精確測量的過程。（5）創(chuàng)建查詢表

3恒溫箱數(shù)學模型的確立3.1恒溫箱機械結(jié)構(gòu)設(shè)計恒溫器的溫度控制系統(tǒng)不僅需要恒溫器內(nèi)部保持恒定的溫度，而且還要求整個房間具有一定的溫度均勻性。同時，恒溫器中不得有較大的氣流和溫度盲點，因此恒溫器必須如此。機械結(jié)構(gòu)經(jīng)過特殊設(shè)計。在這里，我們假設(shè)具有多個工作室的立方結(jié)構(gòu)，即在立方箱結(jié)構(gòu)中將三個工作室分為恒溫室，恒壓室和冷卻室。如圖6所示，盒子的整個內(nèi)部都通過氣流，以達到恒定的溫度。空氣在恒定溫度下從空腔流過回風口，進入半導體散熱片的冷端。冷卻后，將其首先在冷卻腔中混合，以使空氣溫度相對均勻。然后，通過交流風扇以恒定的壓力將空氣從冷藏室吹入空腔。通過空氣的流動，在散熱片上產(chǎn)生的冷能被傳遞到恒溫室，這確保了恒溫室內(nèi)空氣溫度的穩(wěn)定性，并使房間內(nèi)的溫度場均勻。溫度的穩(wěn)定性主要通過控制半導體冷卻器芯片工作時的電流來達到。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠確保溫度場的均衡。它由三部分組成：恒壓腔，風道和開口。恒壓腔的主要作用之一就是通過使從冷卻室內(nèi)部流出的空氣重新與恒壓腔混合,使得溫度變得更加平衡,同時也可以使得吹入恒溫腔內(nèi)的空氣和液體在氣流上的組織變得更為均勻,從而促進了溫度場腔內(nèi)的恒溫滿足了系統(tǒng)的均勻性。氣流與空腔內(nèi)的恒定壓力開口,可以讓氣流在空中的組織得更加平整。風管采用漏斗形設(shè)計裝置,氣流通過風管后能夠均勻地分布于一定的區(qū)域。孔板采用一塊50×50cm的樹脂板,帶有均勻打孔的小孔（圖7）。這樣,由于恒壓室內(nèi)部中的空氣流量高于恒溫室中的壓力,因此開口兩側(cè)有一定的壓差,因此從恒溫室到整個恒溫室中的空氣流變成了活塞式的氣流。這樣的空氣和流量可以均勻分布在整個恒溫室內(nèi),并且不會產(chǎn)生很大的吹風,并且最終可以使整個恒溫室內(nèi)的氣流和溫度場均勻。整個盒子外面設(shè)置有一個80毫米厚的填充層,由超細隔熱棉材料制成,以有效減少了盒子內(nèi)部與其周圍環(huán)境之間的熱交換。冷卻腔可通過鋼板與其他兩個腔隔開,絕緣棉也直接插入到鋼板中,以確保恒壓腔與恒溫腔之間是獨立的工作部位,并且恒溫腔不會在隨后的冷卻過程中直接進行熱交換腔。圖SEQ圖\*ARABIC6圖SEQ圖\*ARABIC73.2恒溫箱數(shù)學模型的確定溫度是用來表示物體內(nèi)各種分子在加速時的熱運動中活躍的程度。這種觀點表明,溫度的變化發(fā)生過程其實也就是一種能源的獲取與損失。因此，溫度變化不大。許多相關(guān)文獻的重要參考資料都已經(jīng)表明,恒溫器在一個自動溫度控制過程階段中就是純粹的全無延遲自動溫度控制。因此,在進行matlab過程仿真的整個過程中用于選擇受控對象的一個數(shù)學過程模型公式可以使其表示形式為: （3-1）這里通過Matlab的模式識別工具可以得到，， （3-2）

4PID控制及仿真pid控制器因為其具有的結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)簡便且控制精度高的特點而常被應(yīng)用于各種工業(yè)控制的全過程。然而,由于其復雜的動力學機理,時間的變化,時滯等各種原因,使得工業(yè)控制的過程本身很難獲得精確的數(shù)學模型。通常是通過利用一階或二階的慣性重新復合增加純延時,通過減少階數(shù)和增加低階的方式近似某些高階物體。在純磁滯系統(tǒng)中,使用常規(guī)pid控制的主要缺陷是動態(tài)響應(yīng)指數(shù)極低。暴露于干擾后通常會發(fā)生明顯的過沖，并且建立時間會更長。但是，在某些情況下，不允許過大。因此，首先在PID控制的基礎(chǔ)上提出了一種帶導數(shù)的PID控制算法。4.1微分先行PID算法圖中顯示了先導微分的PID控制的結(jié)構(gòu)圖。它的屬性是區(qū)分輸出，而不是指定的值。這樣，更改指定值不會更改輸出，并且受控大小的更改通常相對平滑。這種類型的第一輸出微分控制適用于頻繁增加和減少設(shè)定值的情況，并且可以避免由于設(shè)定值的上升和下降引起的系統(tǒng)振動，從而大大改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。R（s）Y（s）R（s）Y（s）Y（s）——+Y（s）——+如圖所示，微分部分的傳遞函數(shù)為： （4-1）則： （4-2）由差分得 （4-3） （4-4） （4-5） （4-6） （4-7）其中，，4.2參數(shù)辨識本文利用了時域檢測的方法確定了受控系統(tǒng)參數(shù)。時域測量的主要過程就是將一個具有階躍干擾的輸入和對象信號通過一個輸出端將其中的一個輸入和對象施加到受測控制的系統(tǒng)或物體,并在一個輸出端向其映射隨時間發(fā)生響應(yīng)。曲線;或者當使用脈沖輸入時,將監(jiān)視輸出脈沖響應(yīng),然后通過分析響應(yīng)曲線結(jié)果來確定被檢查物體的傳遞函數(shù)。時域測量技術(shù)中使用的測試裝置設(shè)備簡便,測試操作量輕,因此已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。當我們使用一種時域法來確定被檢測的系統(tǒng)或物體所處的對象進行數(shù)學模型時,有必要將這個階段性的輸入人為化地直接應(yīng)用于檢測到的物體,然后通過測量檢測到的物體輸出和響應(yīng)的曲線以尋找其中的傳遞函數(shù)。在本文中，使用二階慣性復合物加上純滯后復合物來近似恒溫器的溫度控制系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （4-8）對于溫度控制器在系統(tǒng)中所傳遞函數(shù)的各個參數(shù)進行了辨識，得到k=5,=8,1,10。則被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為： （4-9）4.3PID參數(shù)的整定調(diào)整pid參數(shù)的目標主要是為了確定、和。在已有的基于設(shè)計方法所選取的結(jié)構(gòu)及其控制公式的一個控制體系中,其控制的性能和質(zhì)量主要依賴于其所選的參數(shù)。本文采取zn的一種經(jīng)驗性計算公式法對pid控制器進行了調(diào)整。4.3.1PID參數(shù)的特點在PID控制中、、具有以下特點:（1）通過增加比例增益，可以加快響應(yīng)速度，可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并且可以提高控制精度。但是，如果太大，則系統(tǒng)超調(diào)甚至會導致不穩(wěn)定。（2）積分作用主要目的是為了消除系統(tǒng)中的靜態(tài)誤差,增強其他方面的積分效果,有助于降低系統(tǒng)靜態(tài)誤差。但是，如果過大，則會增加過沖，甚至引起振蕩；（3）由于微分效應(yīng),可以提高動態(tài)特征的性能。通過進行增益，可以有效地加快對系統(tǒng)的反應(yīng),減少對系統(tǒng)的過沖,并且可以提高其穩(wěn)定度。但是，它對干擾很敏感，抑制外部干擾的能力也會減弱。這會導致設(shè)置過程中的過沖延遲，并增加設(shè)置時間。相反，如果太小，則系統(tǒng)響應(yīng)變慢并且穩(wěn)定性變差。4.3.2ZN經(jīng)驗公式法對于一個經(jīng)典的PID控制器，其傳遞函數(shù)為 （4-10）對于二階慣性加純滯后環(huán)節(jié) （4-11）經(jīng)驗公式為 ，， （4-12）由上述公式可得：=93.75,=10，=2.5。4.4PID算法仿真上面的分析確定了系統(tǒng)的參數(shù)。在MATLAB環(huán)境中創(chuàng)建了Simulink模擬框圖，以模擬控制系統(tǒng)并檢查控制效果。

5模糊控制及仿真恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)本身就是一個延時式的系統(tǒng),很難形成一個數(shù)學的模型。使用經(jīng)典的控制原理很難完全控制一個系統(tǒng)。模糊控制最大的優(yōu)點之一就是它并沒有依賴于被控對象精確的數(shù)學模型。總結(jié)了一些關(guān)于人們在恒溫箱中的控制實踐和經(jīng)驗,并且借助模糊數(shù)學工具,通過模糊推理,完成了對恒溫箱的控制。模糊控制系統(tǒng)屬于一種智能化的控制,它主要適合于非線性,時變和間歇的系統(tǒng)。同時,模糊控制器還具有簡易的結(jié)構(gòu)和輕松的參數(shù)配置。因此,它已成為當前我國在智能化控制領(lǐng)域中的一個重要手段。5.1模糊控制基本原理5.1.1模糊控制基本思想模糊控制的基本設(shè)計思想主要是通過總結(jié)學者和專家對特定的控制受限物對象或其中過程進行控制的策略,以"if-then"這個表達式的方法來表示其控制規(guī)律,并獲取由其作用于模糊推理受限物對象的模糊推理所確定的控制。5.1.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)輸出輸入入入清晰化模糊推理模糊化規(guī)則庫輸出輸入入入清晰化模糊推理模糊化規(guī)則庫通過正確選擇各種模糊功率控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型來精確決定各種模糊功率控制器在不同工作時間段內(nèi)的內(nèi)端輸入和外部輸出功率變量。通常,選擇一個用于有或無誤差改動信號E（或e）和和一個用于有或無誤差信號變化改動信號EC（或ec）它們作為模糊信號控制器的一個送出輸入控制變量,并且將每個控制變量x和y的誤差改動信號用作一個輸出輸入變量。通常,模糊式微控制器的基本設(shè)計框架結(jié)構(gòu)設(shè)計如框圖所示:如圖所示，模糊控制器主要由四個部分組成：模糊化，規(guī)則庫，模糊推理和清晰化。每個部分的功能總結(jié)如下：1.模糊化模糊化的主要目標也就是把準確的一個輸入輸出數(shù)據(jù)從矢量變量換成了一個可以模糊化的輸出數(shù)據(jù)量。輸入端具有外部的系統(tǒng)參考信號輸入,系統(tǒng)的狀態(tài)輸出或系統(tǒng)運行時的狀態(tài)。模糊化的制作具體步驟介紹如下:（1）首先將這些輸入處理為模糊控制器所需的輸入；（2）將上面處理的輸入轉(zhuǎn)換為各自的論述區(qū)域。（3）使已轉(zhuǎn)換到宇宙范圍內(nèi)的輸入變量模糊，以使最初精確的輸入變量變?yōu)槟：兞浚⒂上鄳?yīng)的模糊集表示。2.規(guī)則庫規(guī)則庫包括特定的一個應(yīng)用程序場景中所有的的知識以及一些需要用來實現(xiàn)的應(yīng)用控制器和對象。它通常認為有兩個主要的部分由其構(gòu)成:一個是行為數(shù)據(jù)庫,另一個為模糊控制的基本規(guī)則數(shù)據(jù)庫。（1）數(shù)據(jù)庫主要功能是提供包含每種編程語言中每個變量的各種隸屬度轉(zhuǎn)換函數(shù),尺度劃分轉(zhuǎn)換賦值因子和包含模糊空間的尺度劃分轉(zhuǎn)換因子等函數(shù)等;（2）規(guī)則庫包含由模糊處理語言控制變量所值為代表的一系列模糊控制語言規(guī)則。它們真實體現(xiàn)和充分反映著過程控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)實踐和理論知識。3.模糊推理模糊推理模仿技術(shù)是它是模糊推理控制器的一個技術(shù)核心,它獲得使用者幾乎可以完全依靠模糊式的思維方式來進行模仿別人。推理的發(fā)展過程以模糊推理邏輯的基本含義關(guān)系為理論基礎(chǔ),并且始終遵循了模糊推理的基本規(guī)律。4.清晰化清晰化的功能是將通過模糊推理獲得的控制變量轉(zhuǎn)換為實際控制變量。它包含以下兩個部分：（1）將模糊控制變量轉(zhuǎn)換為在話語范圍內(nèi)表達的清晰變量；（2）通過縮放將話語范圍中表達的清晰度幅度轉(zhuǎn)換為實際控制幅度。5.1.3模糊控制的特點與經(jīng)典控制相比，模糊控制具有以下優(yōu)點：（1）模糊控制不僅僅只是需要準確的一種數(shù)學控制模型,而且必須是一種用于解決不安全的信息系統(tǒng)控制管理問題的有效解決手段。（2）模糊控制是一種非線性控制，適用范圍廣，適用于控制非線性系統(tǒng)。（3）模糊控制在系統(tǒng)設(shè)計上仍然具有很強的魯棒性,大大降低了電磁干擾和控制參數(shù)的波動變化對模糊控制系統(tǒng)效果的不良影響。它目前可以廣泛應(yīng)用在自動控制各種類型具有高速時變、非線性化等特點的復雜電子系統(tǒng)中。（4）模糊控制機理與過程控制效果之間的直接表征和思考邏輯相適應(yīng)。從建立一個用于控制語言變量的定性規(guī)則開始。（5）模糊控制基于啟發(fā)式的知識和語言決策的規(guī)則,有助于實現(xiàn)模仿手動控制的操作過程和方法,提高對控制系統(tǒng)的靈敏度,并且還具有一定的智能化。同時，模糊控制還存在以下缺點：（1）當控制更復雜的不安全系統(tǒng)時，模糊控制的準確性往往很差。全局控制規(guī)則過于依賴于站點操作，并且調(diào)試時間很長。（2）模糊控制在很大程度上取決于控制經(jīng)驗。由于沒有受控對象的模型，因此在投入運行之前很難進行閉環(huán)穩(wěn)定性和魯棒性分析。5.2模糊控制器的設(shè)計模糊控制系統(tǒng)就是模糊化控制體系的核心。模糊控制器的設(shè)計取得成功,直接決定了其在模糊控制中的性能。所以,設(shè)計一種合適的模糊控制儀在進行模糊控制時起著很大的作用。模糊控制器的基本設(shè)計如下:1.選擇合適的模糊控制器結(jié)構(gòu)通過設(shè)計選擇各種模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計方式可用來初步確定各種模糊控制器的模擬輸入與控制輸出相互變量。通常,模糊信號控制器的兩個輸入輸出變量分別被設(shè)定稱為輸入誤差和輸出誤差的自動變化率,輸出往往系統(tǒng)會自動選擇一個被控制的變量。根據(jù)每個需要輸入模糊變量的維數(shù)類型和輸入數(shù)量,我們通常可以將模糊控制器大致可以分為:單個多變量模糊控制器和多個單變量模糊控制器,單個多變量模糊控制器所需要輸入的變量類型和輸入數(shù)量被我們統(tǒng)稱成名為模糊控制器的模糊維數(shù)。理論上模糊控制器,其中控制器塊的尺寸相對較大,其控制器的效果也就愈來越好,但真際實現(xiàn)操作起來就越困難。尺寸太小的模糊控制器在其中對特定溫度范圍進行自動控制時使其效果并不理想。因此,目前最典型的模糊控制設(shè)計方法之一就是二維模糊控制。其中的讀出輸入系數(shù)是輸出誤差系數(shù)e與輸入誤差之間變化率中的ec。2.選擇模糊控制規(guī)則（1）所需要選用的詞來用于描述一個變量控制器的變量輸入或者操作是變量輸出一個變量時的格式語義類型術(shù)語類或詞匯我們把這些語義變量稱之為變量的模糊狀態(tài)。當您自己選擇了更多的詞匯時,規(guī)則將會變得更加靈活,而所形成的規(guī)律也將會變得更加準確。但是,這樣的管理規(guī)則往往會變得復雜和困難。所以,在選擇模糊狀態(tài)的同時,還要考慮到簡單度和靈活性。在實際的應(yīng)用中,通常可以選擇7到9個模糊的狀態(tài),也就是說正大,正中,正小,負大,負中，負小和零七個模糊的狀態(tài),再同時加上兩個正零和負零模糊的狀態(tài)。（2）規(guī)定模糊集模糊集合也代表了不同模糊性質(zhì)的狀態(tài)。例如,當兩個輸入量的誤差變化發(fā)生在一個非常高分辨率的圖形模糊子集中發(fā)生變化后,由于兩個輸入量的誤差而變化導致的輸出量誤差變化相對嚴重。相反,如果一個大的輸入和輸出誤差變化發(fā)生了在一個低分辨率的一個模糊子集中時就發(fā)生了小的變化,則輸出變化將相對較小因此,在較大頻率誤差和較小頻率轉(zhuǎn)化變動幅度范圍內(nèi)的各種情況下,應(yīng)盡量減少使用一個較低的較小分辨率高頻模糊子集,而且當較大誤差頻率趨于零時,則我們應(yīng)盡量減少使用一個較低的高分辨率模糊值的子集。對應(yīng)著一個誤差值為e的一個編程語言中的變量我們可以將其劃分歸類為以下7個模糊化的狀態(tài):PL,PM,PS,ZE,NS,NM,NL。對應(yīng)于一個錯誤率大于ec的各種語言狀態(tài)變量我們可以將其劃分分別為7個模糊化的狀態(tài):PL,PM,PS,ZE,NS,NM,NL。3.確定模糊化的去模糊策略與模糊化相反，模糊思維是模糊集的形式，對于實際控制，模糊思維必須是唯一的集。因此,有必要把模糊量轉(zhuǎn)化為唯一的量。常用的去模糊方法包括最大隸屬度的方法,中位數(shù)定律和重心。5.3溫度模糊控制器的設(shè)計5.3.1控制器結(jié)構(gòu)如圖所示,輸入數(shù)值分別為誤差E和誤差變化率ECUYEe+RA/D被控對象模糊控制器D/AUYEe+RA/D被控對象模糊控制器D/AEC-——EC-——dt/dedt/de溫度傳感器溫度傳感器5.3.2模糊子集的選取輸入輸出變量（E),輸入輸出變量的一個二或三階導向函數(shù)(EC)和一個輸出輸入變量的u的模糊導數(shù)子集對其列表定義如下:E={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；EC={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；U={NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；其中NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL分別為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。選取各輸入量與輸出量的論域為:輸入變量(E)的模糊論域取{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6}；輸入變量(EC)的模糊論域取{-6，-5，-4，-3，-2，-l，O，+l，+2，+3，+4，+5，+6}；輸出變量(U)的模糊論域取{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。輸入輸出變量的隸屬度賦值表如表所示：模糊集合隸屬度-6-5-4-3-2-101`23456PL0.00.00.00.00.00.00.00.00.01.0PM0.00.00.00.00.00.00.00.00.70.2PS0.00.00.00.00.00.00.0ZE0.00.00.00.00.00.01.00.00.00.0NS0.00.00.00.00.00.00.0NM0.00.00.00.00.00.00.0NL1.00.00.00.00.00.00.00.00.00.05.3.3模糊規(guī)則的確定模糊規(guī)則主要根據(jù)運營商長期管理控制實踐經(jīng)驗和有關(guān)領(lǐng)域的專家所學知識形成。它指的是用來控制受控物體的知識模型。您可以通過使用這種模糊化的設(shè)計方法來為自己設(shè)計更理想的模式調(diào)節(jié)器。本文中制定的模糊規(guī)則如下表所示：UENLNMNSZEPSPMPLECNLNLNLNLNLNMNSZENMNLNLNLNMNSZEPSNSNLNLNMNSZEPSPMZENLNMNSZEPSPMPLPSNMNSZEPSPMPLPLPMNSZEPSPMPLPLPLPLZEPSPMPLPLPLPL5.3.4模糊推理（1）按照控制規(guī)律表格編寫合適的模糊推理語句;（2）運用mamdani推理的方法對其思維模糊進行推理;（3）使用質(zhì)心法求解模糊，并根據(jù)模糊規(guī)則表為每個模糊條件集計算相應(yīng)的模糊控制變量U。根據(jù)模糊推理法的綜合計算規(guī)則,可以直接得出以下兩個關(guān)系:,這樣,獲得了一個模糊控制曲線圖。在實時自動控制中,根據(jù)控制輸入輸出偏差模糊變化值和根據(jù)輸出輸入偏差模糊變化值的頻率直接通過查詢實時控制數(shù)據(jù)儀表即時就可以準確地檢測得到該實時控制值。為了更好地實現(xiàn)基本的模糊控制器。通常做法是把上述的表格保存在一個微處理器中。在過程控制中,計算機依靠宇宙學的采樣及轉(zhuǎn)換方法直接用宇宙各個元素之間的相位運動,接收其誤差及相位運動誤差。由查詢表的第i行和第j列可以找到跟誤差和誤差變化率相對應(yīng)的,同樣是將論域中每一個元素的數(shù)值乘以一個比例因子所表示的控制量進行乘以相當?shù)谋壤蜃?從而得到了實際的控制量,并且被作用于一個執(zhí)行機構(gòu)。也就是說,模糊控制的策略主要是通過一種離線電腦計算法和一種在線查詢方法來設(shè)計和實現(xiàn)的,以達到更好的控制質(zhì)量和更好的實時性。ECUE-6-5-4-3-2-10123456-6-6-5-6-5-3-3-3-2-10000-5-5-5-5-5-3-3-3-2-10000-4-6-5-6-5-3-3-3-2-10000-3-5-5-5-5-4-4-4-211111-2-6-5-6-5-3-3-1022333-1-6-5-6-5-3-300223330-6-5-6-5-3-101223331-3-3-3-20013356562-3-3-3-10013356563-1-1-10001336666400011233356565000112333555560001113335656

6模糊PID控制及仿真模糊PID控制是一種將模糊技術(shù)與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合的控制方法。模糊PID控制的優(yōu)點是不必掌握受控對象的數(shù)學模型，而是根據(jù)手動控制規(guī)則來組織控制決策表。然后,利用模糊推理的設(shè)計方法,pid參數(shù)，和對所有規(guī)則例程進行了在線的自定義優(yōu)化,不僅有效保證了例程的準確和有效,而且我的pid例程控制管理系統(tǒng)還完全具備了工作原理簡單,使用方便,魯棒性強,效率高等幾大特征。該系統(tǒng)模型的控制精度高,并且同時具備了模糊控制時的操作靈活性和復雜環(huán)境中的適應(yīng)能力好的兩大優(yōu)勢。6.1模糊PID控制器結(jié)構(gòu)模糊pid控制器基于一種新的常規(guī)pid編程控制,采用了模糊推理的設(shè)計思想,并根據(jù)各種參數(shù)E和D的EC設(shè)定值對模糊pid的各種參數(shù)設(shè)定值設(shè)置進行了在線自定義優(yōu)化。該推理控制器主要包括兩個主要的部分,即執(zhí)行常規(guī)控制pid并對控制推理單元及模糊推理控制單元的相對參數(shù)進行校正。圖中給出了一個模糊pid控制器正常工作的基本原理圖示框圖:e模糊推理模糊推理模糊化模糊化e模糊推理模糊推理模糊化模糊化ecec清晰化清晰化 清晰化清晰化TdTiKpTdTiKpYYPID控制器PID控制器——+R被控對象被控對象PID控制器PID控制器——+R被控對象被控對象de/dtde/dt6.2模糊控制器的設(shè)計6.2.1模糊控制器的語言變量模糊控制器中的語言變量關(guān)系到其輸入與輸出的變量。他們都是用一種自然語言來指定而非是一個數(shù)字取值的形式來表示。因此，它們被稱為“模糊”。確定模糊狀態(tài)控制器編程語言中的變量值這是我們建立模糊狀態(tài)控制器主要一個步驟。根據(jù)我們上一個設(shè)計環(huán)節(jié)中所需要給出的模糊控制器信號結(jié)構(gòu),這里把作為E和EC分別用來作為模糊控制器的信號輸入。而以一個模糊控制器變量U作為一個模糊作為控制器的進入輸出。因此一般都不需要把它的E、EC、U用模糊化的語言進行描述。根據(jù)人們的習慣，類似的事物通常分為“大”，“中”，“小”或“高”，“中”，“低”或“快”，“中”和“慢”。“有3個級別，因此操作員經(jīng)常使用“大”，“中”和“小”的模糊概念來表示誤差及其變化率和控制變量的變化量。要考慮正值和負值。變量的負數(shù)，通常是在設(shè)計模糊控制器時最常用的“正數(shù)”。正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），負小（NS）。負中（NM））和負大（NB）來描述這七個語言變量。當然,語言中的變量也可以使其具有較多的值,從而導致控制的規(guī)則更加靈活,控制的規(guī)則本身也更加詳盡,但是因此,控制的規(guī)則就會變得更加復雜且很難被制定。因此,在我們選擇一種語言的變量時,必須充分考慮到這種控制規(guī)律的靈活性及其準確度,以及對簡單性的要求。這里就取偏差e和偏差變化率ec以及控制量U的語言值為:{負小，負中，負大，零，正小，正中，正大}并記為:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM、PB}眾所周知,任何一種物理學和電子系統(tǒng)的信號都是有世界性的。在模糊控制系統(tǒng)中,這個有界量通常被稱為此種變量的根據(jù)論域,是實際控制系統(tǒng)變化的范圍。從而得到誤差E和其變化率EC的實際變化區(qū)間范圍被我們稱之為誤差E和其變化率的語言學變量基本理論域,分別標記為和。而控制量的論域為。具體不同系統(tǒng)的這些討論領(lǐng)域都是不同的,但是為了分析方便將這些論域設(shè)為:誤差的模糊論域:E={n1,-(n1,-1),….,0,1,n1,-1,n}誤差變化的論域為:EC={-n2,-(n2-1),…,0,1,n2-1,n2,}控制量所取的論域為:U={-m,-(m-1),…,0,1,m-1,m}通常，論域的量化程度越精細，控制精度就越高。然而，太精細的量化水平使算法困難并且不是必需的。在確定變量的基本域和模糊集的域之后，還確定了比例因子，這里用，和表示它們的比例因子：量化因子及的尺寸大小會對控制系統(tǒng)動態(tài)特征產(chǎn)生重要影響。所以當選擇量較大時,輸出和響應(yīng)的超調(diào)也更大,過渡期持續(xù)時間較長。從理論上來說,增大，,相當于擴展了縮小誤差的根據(jù)論域,增大了對誤差的控制功能。因此,導致上漲時間雖然變短,但系統(tǒng)響應(yīng)持續(xù)時間卻會更長。對超調(diào)的抑制效果十分明顯,當選擇較大時，超調(diào)量就會減小，越大，系統(tǒng)超調(diào)量就會越小，但是系統(tǒng)的超調(diào)響應(yīng)持續(xù)時間就會逐漸變長。反映了我們在控制器的輸出幅度上做了一個調(diào)整。則會加快控制電路中信號頻率和振蕩幅度,使得響應(yīng)時間大大縮短,但卻很容易引起振蕩;過小，則響應(yīng)速度慢,系統(tǒng)會動態(tài)地響應(yīng)其相應(yīng)的時間。比例因子的選取并非唯一,可能會存在幾組不同的數(shù)據(jù)值,都有可能促進系統(tǒng)具備較好的動態(tài)和響應(yīng)性質(zhì)。6.2.2隸屬函數(shù)的選擇在語言變量理論領(lǐng)域中的模糊子集是由來描述的。隸屬函數(shù)是可以用一種綜合性地總結(jié)一個操作人員的運算經(jīng)驗或模糊的統(tǒng)計學方法。模糊隸屬函數(shù)的確定基于以下原則:首先,模糊的系統(tǒng)隸屬形式函數(shù)和它們的隸屬形式對于系統(tǒng)控制器的基本特征和系統(tǒng)性能的反作用力的影響非常小。常見的正態(tài)形狀分布曲線類型是正態(tài)形狀分布中的曲線,三角形,高斯的立體形狀,梯型,半徑和階梯型,狄克函數(shù)。其中,三角形的直線隸屬斜率函數(shù)的整體大小和局部形狀只是與局部直線斜線曲率密切關(guān)聯(lián)相關(guān),因此它們特別適用于直線隸屬斜率函數(shù)的局部在線自動化適應(yīng)和模糊控制。高斯隸屬推導函數(shù)的主要特點在于是連續(xù)地逐點進行推導,它更加特別適合用于改變自身相適應(yīng)和深度學習模糊控制的高斯隸屬推導函數(shù)。其次,每個模糊子集的隸屬度函數(shù)都會對于控制器的輸入和傳遞產(chǎn)生重要的影響。不同類型形狀的曲線在其輸出和變化傾向上有著不同的趨勢。如果這種變化都是平緩的,則模糊控制器的輸入和信號也將發(fā)生平滑的變化,即隸屬于函數(shù)的頻率相對較低。若變動幅度很大,則模糊控制器的輸入和信號也可能發(fā)生急劇的變動,即隸屬于函數(shù)的頻率很高。因此,通常在較大偏差范圍內(nèi)的區(qū)域中使用一個分辨率較低的隸屬度函數(shù)模型集,在系統(tǒng)中偏差較小或者是接近零值的情況下,使用一個分辨率相對于系統(tǒng)中的隸屬度函數(shù)模型集。第三,可以用我們通過分析測算在模糊隸屬集中任意兩個不同模糊集之間的兩個交點在此處最大模糊隸屬度的平均值h函數(shù)來進行計算和分析測量兩個不同模糊集之間的相互影響。H值越小,控制的運動靈敏度就可能會變得更高。H值加的越多,模糊溫度控制器在所接受到溫度監(jiān)視控制過程中對于溫度參數(shù)和被測溫度之間變化的自動適應(yīng)能力就越強,也就是說魯棒性越高。6.2.3模糊子集的選取pid三個參數(shù)的模糊自定義整定主要目的是通過分析找出基于pid模糊參數(shù)和基于E及基于EC的三個模糊參數(shù)之間的模糊控制關(guān)系,在系統(tǒng)運行的整個過程中連續(xù)地分別檢測到了E和以及EC,并根據(jù)模糊控制的工作規(guī)則對這三個模糊參數(shù)分別對其進行了實時在線動態(tài)校正,以此更便于一個被控制的對象同時能夠具有良好的在線動態(tài)和實時靜止控制性能。因此,選擇了一個系統(tǒng)的模糊偏差的值e和一個系統(tǒng)偏差c的變化率E和EC分別將它作為一個模糊偏差控制器的一個基本輸入,并且選擇，和作為輸出。每個模糊變量的一個模糊變量子集分別可以直接取為:NL,NM,NS,ZO,PS,PMPLl},域全部分別可以取為:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},考慮到模糊話語語言范圍的模糊涵蓋性和區(qū)域話語范圍和模糊敏感性,以及模糊穩(wěn)定性和魯棒的計算原理,每個模糊變量子集都必須可以直接采用一個半正三角形的模糊隸屬度定義函數(shù)。6.2.4模糊規(guī)則的建立模糊控制器的核心是一個形式為"if...then..."的模糊控制管理規(guī)則。控制規(guī)律的正確選擇與系統(tǒng)控制特點的優(yōu)缺點有著直接相關(guān)的影響,這是設(shè)計的關(guān)鍵。PID參數(shù)調(diào)整必須考慮三個參數(shù)對于不同時間的作用和它們之間是否存在連接。根據(jù)自己已有的控制系統(tǒng)設(shè)計實踐經(jīng)驗以及其中的參數(shù)、和對系統(tǒng)輸出特性的影響關(guān)系,歸納出在一般情況下,在不同的和時,被控過程對參數(shù)、和的自調(diào)整規(guī)則如下：（1）在反應(yīng)過程中,當較大時,為了有效地加快對系統(tǒng)反應(yīng)的速度并有效地防止初始偏差E立即減少,這種情況有可能會導致微分過飽和,并在允許的范圍之外進行控制動作,應(yīng)該選擇較大的和較小的；同時,應(yīng)該有限量地進行積分操作,以避免由于系統(tǒng)中的積分飽和而引起較大的超調(diào),通常采取=0。（2）如果當和為中等幅值大小時,為了使系統(tǒng)所要響應(yīng)的超調(diào)較小,應(yīng)取得小一些。在這種的情況下,的取值對系統(tǒng)的影響很大,要求采用適當?shù)暮汀＃?）當較小時,為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)增加和的值；同時，為了有效避免控制器在一個設(shè)定的值附近發(fā)生振蕩,并充分考慮到控制器的干擾和穩(wěn)定性能,應(yīng)適當?shù)剡x擇所需要的值，其原則是：當較小時，可以取得大些,通常可以取為中等的大小；當較大時,應(yīng)取小些。根據(jù)上述案例分析同時綜合考慮三個控制主要參數(shù)之間的相互影響,建立了一個模糊控制關(guān)系規(guī)則，，，與E，EC的模糊關(guān)系分別如表4，表5，表6所示：ECENLNMNSZEPSPMPLNLPLPLPMPMPSPSZENMPLPLPMPMPSZEZENSPMPMPMPSZENSNMZEPMPSPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMZEZENSNMNMNMNLPLZENSNSNMNMNLNLECENLNMNSZEPSPMPLNLNLNLNLNMNMZEPLNMNLNLNMNMNSZEZENSNMNMNSNSZEPSPSZENMNSNSZEPSPSPMPSNSNSZEPSPSPSPMPMZEZEPSPMPMPMPLPLZEZEPSPMPLPLPLECENLNMNSZEPSPMPLNLPLPSZEZEZEPLPLNMNSNSNSNSZEPSPMNSNLNLNMNSZEPSPMZENLNMNMNSZEPSPMPSNLNMNSNSZEPSPSPMNMNSNSNSZEPSPSPLPSZEZEZEZEPLPL6.2.5模糊推理及模糊決策（1）按照控制規(guī)律表格編寫合適的模糊推理語句；（2）運用mamdani推理的方法對其思維模糊進行推理；（3）使用質(zhì)心法進行模糊決策，計算公式為： （6-1），其中是加權(quán)系數(shù)。根據(jù)每個模糊綜合子集的各種隸屬空間關(guān)系矩陣映射模型表和每個具有參數(shù)的模糊控制器的矩陣綜合模型,利用模糊綜合的各種原因模型來設(shè)計建立具有PID參數(shù)的模糊矩陣映射表,并找到校正后的參數(shù)，并用于以下計算： （6-2） （6-3） （6-4）式中:，，為PID三個控制參數(shù)的取值。在線工作期間,控制系統(tǒng)經(jīng)常通過處理,查找圖表和計算模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果等方法來實現(xiàn)PID控制方法自校準,從而使控制器可以達到最佳狀態(tài)。6.3模糊PID控制的仿真7結(jié)論本文著重介紹PID控制的理論。通過對PID的仿真分析研究我們發(fā)現(xiàn),雖然PID控制在精確控制一般的過程和對象方面能夠取得更佳的效果,但它實際上是一種基于精確掌握被控制物體屬性的控制算法。因此，有許多關(guān)于不安全物體的規(guī)定。難點。最重要的是控制參數(shù)設(shè)置。從模擬實驗可以看出，如果未正確選擇同一對象的控制參數(shù)，則根本無法達到所需的控制精度。另外，如果受控對象的參數(shù)改變，則控制精度降低。這嚴重地直接限制了對于PID等算法的廣泛性和運用。因此,必須通過不斷引入先進的實驗控制科學理論和計算法和各種PID有效組合,才一定可以真正達到一個理想的實驗控制效果。通過學習模糊控制理論,根據(jù)實際控制需要,基于模糊推理設(shè)計出一種可以自適應(yīng)PID控制器。在進行系統(tǒng)設(shè)計的過程中,我們繼續(xù)深入學習模糊數(shù)學理論,掌握了模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方式,從更深入的層面上認識和了解PID控制器的三個主要參數(shù)對控制功率的作用和影響。參考文獻[1]宋子巍，陳思忠，楊林《模糊PID控制的MATlAB仿真分析》，北京：北京理工大學[2]李正軍《計算機控制系統(tǒng)》，北京：機械工業(yè)出版社，2005.1[3]愈瑞釗，史濟建《人工智能原理與技術(shù)》，浙江：浙江大學出版社，1993[4]張志杰《燃煤鍋爐模糊PID控制算法研究與引用》，大慶石油學院[5]楊紅，陳穎《基于模糊PID控制算法的溫控系統(tǒng)設(shè)計》，廣西師范大學學報，2004.8[6]李洪興，王加銀，苗志宏《模糊控制系統(tǒng)的建模》，中國科學，A輯，2002[7]樓世博，孫章，陳化成《模糊數(shù)學》，科學出版社，1982[8]李少遠，王景成《智能控制》，北京：機械工業(yè)出版社，2005.1[9]屠乃威，付華，閻馨《參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用》，遼寧工程技術(shù)大學[10]耿瑞《基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計算機仿真》，哈爾濱，載《信息技術(shù)學報》，2006第1期[11]劉金琨《先進PID控制及其MATLAB仿真》，北京：電子工業(yè)出版社，2003[12]王佳，納米計量與分子坐標測量機系統(tǒng)設(shè)計，航空計測技術(shù)，1996(2)[13]http:/www.nano.pe.u-tokyo.ac.jp.[14]陶永華，《新型PID控制及其應(yīng)用》(第二版)，機械工業(yè)出版社，2002.[15]徐用懋、顏綸亮，《微機在過程控制中的應(yīng)用》，清華大學出版社，1989[16]邵惠鶴，《工業(yè)過程高級控制》，上海交通大學出版社，2003[17]胡壽松，《自動控制原理》(第三版)，國防工業(yè)出版社，1994[18]李新春，《多種控制策略在爐溫控制中的應(yīng)用研究》，東北大學碩士學位論文，2003[19]諸靜，《模糊控制原理與應(yīng)用》，機械工業(yè)出版社，1995[20]ZadehLA.FuzzySets.InformatControl.1965[21]ZadehLA.FuzzyAlgorithm.InformatControl.1968[22]MamdaniEH.ApplicationsofFuzzyAlyorithmsforSimpleDynamicPlant.Proc.IEE.1974[23](美)Passino,K.M.，《模糊控制》，清華大學出版社，2001[24]劉普寅，吳孟達，《模糊理論及其應(yīng)用》，國防工業(yè)出版社，1998[25]潭良才，高大空間恒溫空調(diào)氣流組織設(shè)計方法研究，暖通空調(diào)，2002(2)[26]譚良才，基于神經(jīng)模糊控制的高大空間恒溫空調(diào)系統(tǒng)數(shù)字仿真及實驗研究:[博士學位論文]上海:同濟大學,1999[27]王珺，恒溫箱熱力學仿真分析，內(nèi)部交流[28]蘇衛(wèi)東等，《溫控箱數(shù)學模型的建立及其自適應(yīng)PID控制》，中國慣性技術(shù).學報，1995(3),4[29]徐建林，熱處理電阻爐爐溫控制系統(tǒng)的分析與仿真，金屬熱處理，200(11)[30]王茂等，測試轉(zhuǎn)臺溫控箱的計算機控制，中國慣性技術(shù)學報，1998(6)-4[31]朱麟章，試驗參量的檢測與控制，機械工業(yè)出版社，1989[32]薛定宇，《控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計》，清華大學出版社，1996[System]Name='FuzzyPID'Type='mamdani'Version=2.0NumInputs=2NumOutputs=3NumRules=49AndMethod='min'OrMethod='max'ImpMethod='min'AggMethod='max'DefuzzMethod='centroid'[Input1]Name='e'Range=[-11]NumMFs=7MF1='NB':'gaussmf',[0.1416-1]MF2='NM':'gaussmf',[0.1415-0.6668]MF3='NS':'gaussmf',[0.1415-0.3334]MF4='Z':'gaussmf',[0.1416-0.0052]MF5='PS':'gaussmf',[0.14150.3332]MF6='PM':'gaussmf',[0.14150.6668]MF7='PB':'gaussmf',[0.14191][Input2]Name='ec'Range=[-11]NumMFs=7MF1='NB':'gaussmf',[0.1416-1]MF2='NM':'gaussmf',[0.1416-0.6666]MF3='NS':'gaussmf',[0.1416-0.3334]MF4='Z':'gaussmf',[0.14160]MF5='PS':'gaussmf',[0.14160.3334]MF6='PM':'gaussmf',[0.14160.6666]MF7='PB':'gaussmf',[0.14161][Output1]Name='kp'Range=[-11]NumMFs=7MF1='NB':'gaussmf',[0.1416-1]MF2='NM':'gaussmf',[0.1416-0.6666]MF3='NS':'gaussmf',[0.1416-0.3334]MF4='Z':'gaussmf',[0.14160]MF5='PS':'gaussmf',[0.14160.3334]MF6='PM':'gaussmf',[0.14160.6666]MF7='PB':'gaussmf',[0.14161][Output2]Name='ki'Range=[-11]NumMFs=7MF1='NB':'gaussmf',[0.1416-1]MF2='NM':'gaussmf',[0.1416-0.6666]MF3='NS':'gaussmf',[0.1416-0.3334]MF4='Z':'gaussmf',[0.14160]MF5='PS':'gaussmf',[0.14160.3334]MF6='PM':'gaussmf',[0.14160.6666]MF7='PB':