模糊控制器的设计

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1、4 模糊控制器的设计4 Design of Fuzzy Controllor4.1 概述(In troduc tion)随着PLC在自动控制领域内的广泛应用及被控;寸象的日趋复杂化，PLC控制 软件的开发单纯依靠工程人员的经验显然是通的， 而必须要有科学、有效的 软件开发方法作为指导。因此，结合 PLC 可编程逻辑控制器的特点，应用最新控 制论、技术和方法，是进一步提高 PLC 软件开发效及质的重要途径。系统设计的目标之一就是要提高装车的均匀性，车厢中煤位的高变化直接 影响装车的均匀性，装车均匀寸车轴有很大的隐患。 要保持高值变就必须 断的调整槽的角，但是，在装车过程中，煤位的高和槽角之间无法

2、建确的数学模型。模糊控制它最大的特点是43-45：需建控制寸象确数学模型，只需要将操作人员的经验总结描述成计算机语言即可，因此采用模糊控 制思想实现均匀装车是之有效的方法。虽然很多 PLC 生产厂家推出 FZ 模糊推 模块，但这些专用模块价格昂贵，需使用专门的编程设备，成本高通用性差， 所以自主开发基于模糊控制论的 PLC 控制器有很大的工程价值。本章首先介绍模糊控制的基本原、 模糊控制系统及模糊控制器的设计步 骤；然后在寸煤位高控制系统分析的基础上，设计基于模糊论的 PLC 控制， 分别从查询表计算生成和 PLC 程序查询两个部分进设计。4.2 模糊控制原 (Fuzzy Control Pr

3、inciple)4.2.1 模糊控制论 (Fuzzy Control Theory)模糊控制论是由美国加尼亚大学的自动控制论专家L.A.Zadch 教授首次提出，由英国的 Mamdani 首次用于工业控制的一种智能控制技术46。模糊 控制(FUZZY)技术是-种由数学模型、计算机、人工智能、知识工程等多门科 学领域相互渗透、论性很强的科学技术。模糊控制是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 以及模糊逻辑推作为控制算法的数学工具， 用计算机来实现的一中计算机智 能控制47-48。它的基本思想是：把人类专家寸待特定的被控寸象或过程的控制策 总结成-系以“IF-THEN 形式表示

4、的控制规则，通过模糊推得到控制作用集，作用与被控寸象或过程。与传统的控制方法相比，它具有以下优点48： 无需知道被控寸象的数学模型；是一种反映人类智慧思维的智能控制；被人们 所接受；构造容；鲁棒性好。4.2.2 模糊控制系统(Fuzzy Control System)模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识 表示和模糊逻辑推为论基础， 采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构 是数字控制系统。模糊控制系统主要由模糊控制器、输入输出接口、检测装置、执机构和被控对象等组成46,49。 如图 4-1 所示。图4-1 模糊控制系统的组成Figure 4-1 The Compo

5、sition of the Fuzzy Control System模糊控制系统的结构与一般计算机数字控制系统类似，只是它的控制器为模 糊控制 器(图中虚线框内)，并且由计算机来实 现。模糊控制器( Fuzzy Controller，FC)也称为模糊逻辑控制器 50(Fuzzy Logic Controller， FLC)， 为模糊控制系统的核心部分。它根据误差信号产生合适的控制作用输出给被控对 象。模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推机和解模糊接口组成 46,51， 各部分的作用概述如下：(1) 模糊化接口 这部分的作用是将输入的确转换成模糊。其中包括外界的参考输入、系统的输出或状态等

6、。(2) 知识库 知识库中包含具体应用领域中的知识和要求的控制目标。 它通常由数据库和模糊控制规则两部分组成： 数据库主要包括各语言变的隶书函数、尺变换因子以及模糊空间的分 级数等。 规则库包括用模糊语言变表示的一系控制规则。它们反映控制专家 的经验和知识。(3) 模糊推机 模糊推是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概的推能。该推过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推规则来进的。(4) 解模糊接口(清晰化)解模糊接口的作用是将模糊推得到的控制 (模糊) 变换为实际用于控制的清晰。它包含以下两部分内容： 将模糊的控制经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰。 将表示在论域氛围的清晰经尺变换变成实际

7、的控制。4.2.3 模糊控制器的设计(Fuzzy Controller Design)由于模糊控制器采用数字计算机来实现的，它可以将系统的偏差从数字化 为模糊， 对模糊按给定的规则进模糊推， 最后把模糊推结构的模糊输 出转化为实际系统能够接受的确数字或模拟。(1) 模糊控制器算法设计的内容 模糊控制器的算法设计48,52-54主要包括以下内容： 选择模糊输入、输出变的论域范围及模糊变子集类型； 确定各模糊变的隶属函数类型； 确输入、输出的变的模糊化； 制定模糊控制规则； 确定模糊推算法； 模糊输出变的去模糊化； 生成查询表。(2) 模糊控制器实现的方法目前，随着PLC的广泛应用以及其功能的断提

8、高， 基于PLC 模糊控制器的 研究称为一个焦点，并取得一定的成果。 模糊控制集成到 PLC 主要有两种实现 方法：一种是基于硬件，一种是基于软件。基于硬件既是用模糊逻辑芯片55来是 现在模糊化、模糊推、去模糊化全过程；基于软件则是由软件来实现，分为查 表法56、软件推法 57两种。比较而言，基于硬件的模糊控制推速快，控制 高， 但灵活性差，价格昂贵，适合一般用户的要求而软件推控制高、 灵活性好，但资源投入大、需要花费大的计算时间；查表法则响应速快，投 入小，虽然控制相对较低，但完全能满足一般控制的要求。4.3 PLC 模糊控制器的实现(Implementation of the PLC Fu

9、zzy Controller)4.3.1 煤位高的控制 (Control of the Coal Level )对车厢装载的控制仅要控制装载的重， 还要实现均匀装车，即要车厢内 煤位高恒定。煤位高的控制受到很多因素的影响，如：槽的角、槽的 煤、 铁牛牵引的速、 煤炭颗的大小、 煤炭下的轨迹以及卡煤现象等等。 然而这些因素之间建确的数学模型。在实际装车过程中，操作人员是凭工作经验，根据车厢型号和载重， 通过 调节槽的角来控制煤位的高， 但是单凭人工操作严重影响装载的和 装车的效， 能满足自动化的需要。 基于此，对车厢煤位高的控制采用模 糊控制的方法。如图 4-2 煤位高控制系统方框图。图 4-2

10、 煤位高控制系统方框图Figure 4-2 The Block Diagram of the Coal Level Control System图中，PLC 模糊控制器为核心部分，它主要任务是数据接收，数据处和输 出控制；绞吊电机为执器控制槽的的角； 车厢为被控对象；超声波位计 为检测变送环节，将检测的高值以标准电信号的形式，传送到 PLC。本文采用工程中普遍使用的 “双输入单输出 控制器，选用受控变和输入给定的偏差E和偏差变化 EC作为输入，因为二维的控制器能够比较严格的 反映受控过程中输入变的动态特性 46，因而在控制效果上要好于一维控制器， 计算上要简单与三维控制器。以煤位高差 e和高差

11、变化 ec作为模糊控制 器的输入，以绞吊电机的启动时间作为控制器的输出。为克服实时计算大的缺点， 模糊控制器采用查表法。查表法的基本思想 59-64是通过计算推取得一个模糊控制表 ,并将其控制表放在 PLC 数据块中。当 进模糊控制时， 只需直接根据采样得到的误差和误差变化的化值来找出当 前时刻的控制的输出化值。 最后，将此化值乘以比因子得到最终的输出 控制。PLC 模糊控制器的基本结构见图4-3。图 4-3 PLC 模糊控制器基本结构Figure 4-3 The Basic Structure of the PLC Fuzzy Controller Based图中，查询表是用 Matlab

12、的辅助工具箱 Fuzzy Control Toolbox 建模 糊推系统，规则器计算生成的。查询表的查询是 STEP7 编写的 PLC 程序实的。4.3.2 查询 表的设计丄(0 ff-Line Design on the Fuzzy Cont roller)模糊控制器离线设计的主要目的就是煤堆高偏差及偏差变化到输出控 制绞吊电机时间的一个模糊控制查询表的构建，也是查表法设计的关键。论文对 查询表的建是通过 MATLAB 7 来实现的。具体步骤如下：(1) 模糊化 常用车厢的高基本为 15002000 范围之内。通常根据操作人员的装车经 验，煤位的期望高 L0 为车厢高的基础上增加 10020

13、0，可达到均匀装车的效 果，所以LX的范围约为02200，得出偏差的最大直为2200 在实际的装车过程 中，偏差为基本在大于的范围， 且允许有较大的负偏差。 所以取 e 的实际测 范围为 -200， 1000(把小于-200 或大于 1000 的值，作为临界值处) 。设 系统设定的煤位高为 L ，实际检测的煤位高为 L ，则煤位高误差0Xe = L -L ，其语言变为 E 0XE 的论域为： E = -6,-5,-4,-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6相应的语言直为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB 分别表示测高 c相对于目标高 r 为：“极高 ，“很高 ，“偏高

14、 ，“ ，“偏低 ，“很低 ，“极低 取 ec 的实际测范围为 -200， 200(把小于-200 或大于 200 的值，作 为临界直处)。设高误差两次采样直的变化是 ec(k) = e(k) 一 e(k 一 1)，其语 言变为 EC 论域为：EC= -6,-5,-4,-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6相应的语言直为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB 分 表示测高 c相对于目标高 r 为：“快速升高 ，“升高 ，“缓慢升高 ，“变 ，“缓慢低 ，“ 低 ，“快速低 。 控制系统的输出是绞吊电机的运时间， 通过计算可以得到槽的绞吊速为 v0 90 ，对应的运时间约为

15、18.5s 而实际中-般槽的角控制中060的变化范围内，运时间约 12s，所以时间的变化范围为-12,12。设绞吊电机的启动时间为系统的输出控制 u，其语 言变为 U，论语为：U= -6,-5,-4,-3,-2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6当 U 为正直时表示绞吊电 机正转（槽下）的时间为|U| ，当U为负直时表示绞吊电机反转（槽上升）的时间为 |U| 。相应的语言值为 U= NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB 分别表示控制绞吊电 机启动的时间为：“很长时间反转 ，“长时间反转 ，“较长时间反转 ，“变，“较长时间正转 ，“长时间正转 ，“很长时间正转 。（2）确定各模糊变的隶书函数类型 语言值的隶属函数就是语言值的语义规则， 可分为连续式隶属函数和离散化的隶属函数 42。本系统论域是离散的，所以选用离散化的隶属函数。 隶属函数在很大程上带有随意性， 是根据操作人员的经验给出。设计中 遵循的一般原则是：选择的隶属形状越陡， 其分辨就越高， 模糊控制的灵敏 ；相反，如果隶属函数形状越平缓，其分，控制性能就越平稳。所以在误差为的区域附近， 要采用高分辨的隶属函数，而在误差较大的区域选择分辨低的隶属函数，使系统获得较好的稳定性。常用的隶属