本科毕业论文基于simulink的时滞系统模糊控制器的设计正文.docx
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本科毕业论文基于simulink的时滞系统模糊控制器的设计正文
一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。
）
工作基础：
了解时滞系统的基本概念，熟练使用MATLAB7软件。
研究条件：
Smith预估控制器的基本原理与模糊控制器的MATLABFuzzy工具箱。
应用环境：
基于模糊Smith控制器的大时滞被控对象的Simulink仿真。
工作目的：
熟练掌握MATLABSimulink工具箱。
了解智能控制的基本概念，模糊数学的基本内容以及模糊控制器设计的基本方法。
完成基于模糊Smith预估控制器的仿真设计。
二、参考文献
[1]王志萍.带有Smith预估器的模糊控制系统仿真研究[J].上海电力学院学报.2004（02）.
[2]储岳中,陶永华.基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J].安徽工业大学学报（自然科学版）.2004（01）.
[3]尹明,董振银,宋利君.模糊PID在电炉温度控制中的应用[J].齐齐哈尔大学学报.2003（02）.
[4]张涛,李家启.基于参数自整定模糊PID控制器的设计与仿真[J].交通与计算机.2001（S1）.
[5]周荔丹,童调生.模糊PID在电阻加热炉温控系统中的应用[J].自动化与仪器仪表.2001（05）.
[6]饶翡鹏,王东云,凌德麟.模糊控制的发展和现状[J].郑州纺织工学院学报.2000（03）.
三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。
）
1、了解模糊控制系统的基本概念与原理。
2、用MATLAB7中的FuzzyControl工具箱完成基于某大迟滞环节的模糊控制器的设计。
3、对比分析传统PID、Smith预估控制器以及单纯模糊控制器的优缺点。
4、在此基础上，完成模糊PID的算法仿真。
指导教师（签字）
年月日
审题小组组长（签字）
年月日
北京理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告
课题名称
基于Simulink的时滞系统模糊控制器的设计
系名
信息工程系
专业
自动化
学生姓名
陈莹
指导教师
扈书亮
1、课题来源及意义
在工业过程控制领域中，许多被控对象都不同程度存在着时滞现象，因此，时滞系统是一种在工业生产中广泛存在的。
任何实际系统的过去状态不可避免地要对当前的状态产生影响，即系统的演化趋势不仅依赖于系统当前的状态，也依赖于过去某一时刻的状态，这类系统统称时滞系统。
系统时滞产生的原因很多：
可能由测量元件或测量过程造成，也可能由控制元件和执行元件造成，或者由它们共同造成。
1957年O.J.M.Smith首次提出预估控制器，这是一个时滞补偿的预估算法。
它通过估计对象的动态特性，用一个预估模型作为补偿，从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到反馈器，实现了将纯滞后环节移到闭环控制回
路之外，从而有效地消除了纯滞后对控制系统的影响。
但是它过分依赖于精确数学模型，工业过程中不可能获得被控对象的精确数学模型，因此很难运用。
1956年美国的Zadeh首次提出模糊集合的概念，1974年伦敦大学的Mamdani成功地将模糊控制理论应用于锅炉和汽轮机的过程控制。
模糊控制主要是模拟人的思维，推理和判断的一种方法，因其能很好的避免传统Smith预测控制的缺点，所以已经广泛应用于各个领域。
由于时滞的存在严重影响了系统的控制效果和稳定性，导致系统的超调变大，调节时间变长，甚至出现振荡和发散。
提高了系统的响应速度和系统的稳定性,因此提出简单，有效，实用的大时滞控制方法是很有意义的。
二、国内外发展现状
模糊控制技术是一项正在发展的技术，在短短20多年时间里，模糊控制得到长足发展。
它的应用领域涉及各各方面，控制方法也有广很大进展，模糊控制器的性能不断提高。
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。
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。
三、研究目标
熟练掌握MATLABSimulink工具箱。
了解智能控制的基本概念，模糊数学的基本内容以及模糊控制器设计的基本方法，完成基于模糊Smith预估控制器的仿真设计。
四、研究内容
主要研究在工业过程中的得到大量应用的PID控制、Smith预估控制和模糊控制在多变量时滞系统中的应用。
了解模糊控制系统的基本概念与原理；完成基于某大迟滞环节的模糊控制器的设计；
五、研究方法与手段
在充分了解模糊控制基本原理的基础上，针对一典型带有大迟滞环节被控对象数学模型，利用MATLAB的Simulink以及FuzzyControl工具箱对比完成采用传统PID调节器、单纯采用模糊控制以及将模糊控制与Smith预估补偿原理相结合的方法之间控制效果的优劣。
六、进度安排
1、2014.12.10—2015.03.05查找资料，通过书籍和网络了解模
糊控制基本原理及研究方法，完成
开题报告。
2、2015.03.06—2015.03.29熟练掌握MATLABSimulink工具箱。
了解智能控制的基本概念，模糊数学
的基本内容以及模糊控制器设计的
基本方法。
3、2015.03.30—2015.04.20完成基于模糊Smith预估控制器的仿
真。
4、2015.04.21—2015.05.25对仿真结果进行分析，并得出结论。
5、2015.05.26—2015.06.10撰写论文，准备答辩。
七、主要参考文献
[1]王志萍.带有Smith预估器的模糊控制系统仿真研究[J].上海电力学院学报.2004（02）.
[2]储岳中,陶永华.基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J].安徽工业大学学报（自然科学版）.2004（01）.
[3]尹明,董振银,宋利君.模糊PID在电炉温度控制中的应用[J].齐齐哈尔大学学报.2003（02）.
[4]张涛,李家启.基于参数自整定模糊PID控制器的设计与仿真[J].交通计算机.2001（S1）.
[5]周荔丹,童调生.模糊PID在电阻加热炉温控系统中的应用[J].自动化仪器仪表.2001（05）.
[6]饶翡鹏,王东云,凌德麟.模糊控制的发展和现状[J].郑州纺织工学院学报.2000（03）.
[7]何明.工业自动化控制系统通讯网络的应用研究[D].合肥工业大学.2009.
[8]卢娟.BP神经网络PID在三容系统中的控制研究[D].合肥工业大学.2009.
[9]方鹏.基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计[D].合肥工业大学.2009
[10]李岩.模糊PID控制在液位控制中的应用[D].合肥工业大学,2008.
[11]简珣.模糊PID控制在三容水箱系统控制中的应用研究[D].合肥工业大学2007.
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
指导教师（签字）
年月日
选题是否合适：
是□否□
课题能否实现：
能□不能□
审题小组组长（签字）
年月日
摘 要
在工业过程控制领域中，许多被控对象都不同程度存在着时滞现象。
随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统精度、响应速度、系统稳定性、自适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。
然而，在许多情况下精确数学模型很难建立。
即使对一些复杂对象建立数学模型，模型也往往过于复杂，既不利于设计也难以实现有效控制。
虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但其能力也是有限的。
具有时间滞后特性的控制对象是非常普遍的，由于时滞的存在严重影响了系统的控制效果和稳定性，导致系统的超调变大，调节时间变长，甚至出现振荡和发散。
提高了系统的响应速度和系统的稳定性,因此提出简单，有效，实用的大时滞控制方法是很有意义的。
本文针对具有时滞特性的控制对象，主要研究在工业过程中的得到大量应用的PID控制、Smith预估控制和模糊控制在多变量时滞系统中的应用。
对现有的模糊方法加以改进，形成更加完善的控制方法；与现有的PID控制，史密斯预测控制相融合，构成综合控制法，通过这些来解决带有纯延迟环节的控制问题。
了解模糊控制系统的基本概念与原理；完成基于某大迟滞环节的模糊控制器的设计。
关键字：
模糊控制；大时滞对象；史密斯预估器；MATLAB仿真
ABSTRACT
Inthefieldofindustrialprocesscontrol,manyofthecontrolledobjectsaredifferentlevelthereisatime-delayphenomenon.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thefieldsofautomaticcontrolsystemprecision,responsespeed,systemstability,adaptiveabilityofthedemandishigherandhigher,thestudyofthesystemarealsoincreasinglycomplexandchangeful.However,inmanycasesitisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel.Evenforsomecomplexobjecttoestablishmathematicalmodel,themodelalsoareoftentoocomplex,isnotconducivetodesigncanalsobedifficulttoachieveeffectivecontrol.Althoughtheconventionaladaptivecontroltechnologycansolvesomeproblems,butitscapacityislimited.
Theessencecharacteristicsofcontrolledobjectisavery,verycommon,butbecauseofthelagseriouslyaffectthecontroleffectandthestabilityofthesystem,andthesystemovershoot,causedtoadjusttime,appearevenoscillationanddivergence.Improvestheresponsespeedofsystemandthestabilityofthesystem,thusputforwardthesimple,effective,practicallargetimedelaycontrolmethod,itisverymeaningful.
Inviewofthecontrolledobjectwithtimedelaycharacteristics,thispapermainlystudiestogetalotofapplicationinindustrialprocessofPIDcontrol,Smithpredictioncontrolandfuzzycontrolintheapplicationofmultivariablesystemswithtime-delay.Theexistingfuzzymethodsisimproved,andformamoreperfectcontrolmethod;WiththeexistingPIDcontrol,theintegrationofSmithpredictivecontrol,constituteacomprehensivecontrolmethod,throughthesetosolvethecontrolproblemwithpuredelaylink.Understandthebasicconceptandprincipleoffuzzycontrolsystem;Completethedesignoffuzzycontrollerbasedonalargehysteresislink。
Keywords:
FuzzyControl；Longtime-delay；Smithpredictivecontrol；MATLABsimulation
目 录
中文翻译
第一章 绪论
1.1 智能控制的研究背景
什么是智能控制？
简单地说，就是“聪明的控制，灵巧的控制”。
随着人工智能和计算机的发展，智能控制已经有可能把自动控制、人工智能、系统论（如系统工程、系统学及运筹学）、信息论、神经生理学、计划计算和计算机等多种学科结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。
从1932年奈奎斯特（H.Nyquist）发表反馈放大器稳定性的论文以来，控制理论学科的发展已经走过80余年的历程，其中前30年是经典控制理论的成熟和发展阶段，后50年至今是现代控制理论的星辰和和发展阶段。
一、智能控制的萌芽期
从20世纪60年代起，自动控制理论和技术的发展已渐趋成熟，控制界学者为了提高控制系统的自学习能力，开始注人工智能技术与方法应用于控制系统。
史密斯（F.W.Smiths）首先采用性能模式识别器来学习最优控制方法，试图利用模式识别技术来解决复杂系统的控制问题。
1965年美国著名控制论家扎德教授创立了模糊集合论，奠定了模糊的数学基础。
同年，美国的费根鲍姆着手研制世界上第一关专家系统。
1966年，J.M.门德尔首先主张人工智能应用于空间飞行器的学习控制系统的设计，并提出了“人工智能控制”的概念。
1967年利昂兹等人首次正式使用“智能控制”。
1971年，著名学者傅京孙从发展学习控制的角度首次提出智能控制“二元论”思想，开创了智能控制这个行星的学科领域。
这些标志着智能控制的思想已经萌芽。
二、智能控制的形成期
20世纪70年代开始，傅京孙等人从控制论的角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系。
1974年，英国工程师曼德尼将模糊集合和模糊语言用于锅炉和蒸汽机的控制，通过实验取得了良好的结果。
1979年，玛达尼成功地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制具有了较高的智能。
三、智能控制的发展期
20世纪80年代，随着专家系统技术的成熟和微型计算机的迅速发展，智能控制的研究和应用领域逐步扩大，智能控制的研究也进入了飞速发展的阶段。
1982年，Fox等人完成了一个称为智能调度系统（ISIS）的加工车间的调度专家系统，在生产中获得成功应用。
1983年，萨里迪斯把智能控制应用于机器人系统；1987年，美国Foxboro公司发表了新一代IA智能控制系统。
1987年，在美国费城由IEEE控制系统学会与计算机学会联合召开了智能控制国际会议。
此后，
IEEE智能控制国际学术研讨会每年举行一次，促进了智能控制系统的研究。
1.2 智能控制的主要形式
一、模糊逻辑控制
模糊逻辑控制在控制领域简称模糊控制。
模糊控制是智能控制的早期发展形势，基于模糊逻辑推理和模仿人类思维具有模糊性的特点。
模糊控制器是迷糊控制系统设计的关键，一般由模糊化、精确化计算、模糊决策三基本部分组成。
二、分层递阶智能控制
分层递阶智能控制是智能控制的最早理论之一，是从工程控制角度总结人工智能、自适应、自学习和自组织的关系后逐渐形成的。
由组织级、协调级、和执行级组成。
三、专家控制
专家控制是一种模拟人类专家解决问题的计算机软件系统。
具有全面的专家系统结构、完善的知识处理功能和实现控制的可靠性能。
这种系统采用黑板等结构，知识库庞大，推理机制复杂。
四、人工神经网络控制
人工智能网络采用仿生学的观点与方法研究人脑和智能系统中的高级信息的处理。
人工神经网络具有可以逼近任意非线性函数的能力，因此既可以用来建立非线性系统的动态模型也可以用于构建控制器。
1.3 智能控制的特点
一、智能控制是一门边缘交叉学科。
是由自动控制、人工智能、运筹学等多学科交叉组成的学科，为智能控制的深入研究提供理论指导和技术支持。
二、智能控制系统具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程，即在信息处理的方法上，既有数学运算，又有符号运算的逻辑推理。
三、智能控制的核心在高层控制，即组织级。
智能控制器具有分层信息处理和决策机构。
高层控制的任务在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划，实现广义问题求解。
当然底层控制级也是智能控制必不可少的组成部分，它一般采用常规控制。
四、智能控制具有自组织特点。
在控制过程中，当多目标出现冲突时，它可以在的任务要求范围内自行决策，主动采取行动。
五、智能控制具有优化能力。
它能够通过不断优化参数和徐兆控制器的最佳结构形式，以获取整体最优控制性能。
1.4 智能控制的应用
一、在机器人控制中的应用
由于机器人的工作经常处于动态、不确定和非结构化的环境中。
这些环境要求机器人具有高度的自制能力和对环境的感知能力。
20世纪80年代初E.H.Mamdan首次将模糊控制应用于一台实际机器人的操作臂控制。
1975年J.S.Albus提出小脑模型关节控制器，它是仿照小脑如何控制肢体运动的原理而建立的神经网络模型。
虽然目前工业上90%的机器人都不具有智能，但随着智能技术的迅速发展，需要各种具有不同程度智能的机器人
二、军事应用
主要的应用是进行目标的探测、跟踪和识别，包括C3I系统、自动识别、遥感、战场监视和自动威胁识别系统等。
迄今为止，美国、英国、法国等国家已经研制出了上百种军事数据融合与控制系统。
三、在航天控制系统中的应用
1977-1986年美国NASA喷气推进研究所在“旅行者”号探测器上采用人工智能技术完成了精密导航和科学观测等任务。
智能控制的应用提高了航天航空器的可靠性大幅度缩减了执行应用计划所需时间，减少了差错，降低了成本。
此外，在航天飞机的检测、发射、和应用等过程中也大量采用了智能控制系统。
第二章 模糊控制
2.1 模糊控制概况
在工业过程控制领域中，许多被控对象都不同程度存在着时滞现象，因此，时滞系统是一种在工业生产中广泛存在的。
任何实际系统的过去状态不可避免地要对当前的状态产生影响，即系统的演化趋势不仅依赖于系统当前的状态，也依赖于过去某一时刻的状态，这类系统统称时滞系统。
系统时滞产生的原因很多：
可能由测量元件或测量过程造成，也可能由控制元件和执行元件造成，或者由它们共同造成。
1957年O.J.M.Smith首次提出预估控制器，这是一个时滞补偿的预估算法。
它通过估计对象的动态特性，用一个预估模型作为补偿，从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到反馈器，实现了将纯滞后环节移到闭环控制回
路之外，从而有效地消除了纯滞后对控制系统的影响。
但是它过分依赖于精确数学模型，工业过程中不可能获得被控对象的精确数学模型，因此很难运用。
1956年美国的Zadeh首次提出模糊集合的概念，1974年伦敦大学的Mamdani成功地将模糊控制理论应用于锅炉和汽轮机的过程控制。
模糊控制主要是模拟人的思维，推理和判断的一种方法，因其能很好的避免传统Smith预测控制的缺点，所以已经广泛应用于各个领域。
模糊控制器是一种语言控制器，采用模糊集合论，无需被控对象的精确数学模型，即能实现良好的控制。
但是传统的模糊控制器对于大时滞系统稳态精度效果较差，控制动态响应品质也很差并且易出现振荡。
2.2 模糊控制的原理
模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。
模糊控制系统是利用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统，基本原理框图如图2-1所示。
它的核心部分为模糊控制器，，其控制规律由计算机的程序实现。
模糊控制系统由传感器获取被控量信息，并将其转化为与给定值具有相同量纲的物理量，然后将此转化后的物理量与给定值进行比较后获得误差信号E，一般选误差信息号E作为模糊控制器的一个输入量。
把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量，误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差E的模糊语言集合的一个子集e（e是一个模糊矢量），经过A/D转化后变为数字信号输入到控制器，信号在模糊控制中经过模糊化、模糊推理、去模糊等过程成为精确量由模糊控制器输出，再经过D/A转换为模拟信号推动执行元件控制被控对此昂整个过程反复循环，从而实现了整个系统的反馈控制。
（R表示模糊关系，u表示模糊控制量）
图2-1 模糊控制器原理框图
2.3 模糊控制的国内外发展现状
在应用方面，作为模糊控制理论的起源地美国已经成功地将该技术应用于人工智能、信息工程、空间飞行、卫星与导弹等控制系统中，并成为军事工程的热点。
日本已成功地将模糊控制技术应用于家用电器中，它对这一高新技术的应用领先于美国各欧洲4-5年。
同年，日本为确保在21世纪的竞争力，并为该技术的开发研究制定了长远的规划。
模糊控制在英国、德国等国也得到一定发展。
在我国，该技术也得到发展和应用。
模糊控制已成功地运用于纸张计算机控制系统、4.4万吨水泥窑煅烧过程、多温区加热炉等复杂工业过程，同时，春兰成功地生产出了智能模糊取暖器、小天鹅生产出了模糊洗衣机等家用电器。
模糊控制技术是一项正在发展的技术，在短短20多年时间里，模糊控制得到长足发展。
它的应用领域涉及各各方面，控制方法也有很大进展，模糊控制器的性能不断提高。
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。
各种模糊产品充满了日本、西欧和美国市场，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。
2.4 模糊控制器的设计
模糊控制器也称为模糊逻辑控制器，由于所采用的控制规则是由模糊理论中的模糊条件语句来描述的，因此，模糊控制器是一种语言性控制器。
最简单的实现方法是将一系列的模糊控制规则离线转化为一个查询表（又称为控制表），存储在计算机中供在线控制时使用。
单变量二维模糊控制器是最常见的结构形式，如图2-2所示。
本文选用的也正是二维模糊控制。
其设计步骤如下：
图2-2 二维模糊控制器
2.4.1 定义输入输出模糊集
对于误差e、误差变化ec及控制量u的模糊集及其论域定义如下：
e，ec和u的模糊集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。
P表示“正”，Z表示“零”，N表示“负”。
如果需要描述得更准确，还可以用“正大”（PB）、“正中”（PM）、“正小”（PS）、“零”（Z）、“负大”（NB）、“复中”（NM）、“负小”（NS）七个语言变量值来描述。
e和ec模糊论域为{－3，3}，分为7个等级，即e和ec={－3，－2，－1，0，+1，+2，+3}
任何物理系统总是有界的。
在控制系统中，这个有界限一般称为该变量的基本论域，它是实际系统的变化范围，通常，在模糊控制中取为对称的形式
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