Mamdani模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析理論研究及其在暖通空調(diào)中的應(yīng)用.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，在控制工程中被控對象越來越復(fù)雜，控制過程往往具有非線性、多環(huán)路、大滯后等特點，各種參數(shù)也往往存在時變性，這類系統(tǒng)沒有明確的物理或化學(xué)規(guī)律可遵循，要進(jìn)行傳統(tǒng)的定量分析十分困難，致使復(fù)雜過程的數(shù)學(xué)模型難以建立，傳統(tǒng)經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制理論無法對其實現(xiàn)有效的控制，因此現(xiàn)代工業(yè)工程的迅猛發(fā)展迫切需要尋求更加有效的控制策略來完成實際過程的非線性系統(tǒng)控制。 自從1974年英國工程師Mamdani首次將模糊控制成功應(yīng)

2、用于蒸汽機控制以來，隨著計算機及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，模糊控制已成為智能控制的重要組成部分，模糊控制技術(shù)近年來在復(fù)雜工業(yè)過程控制方面發(fā)揮著日益重要的作用。模糊控制作為一種非線性系統(tǒng)控制策略，最大的特點是無需建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，可以將操作者的經(jīng)驗知識直接轉(zhuǎn)化為模糊規(guī)則，通過模糊推理過程對系統(tǒng)實施控制，克服了線性化方法的運算復(fù)雜性，同時充分利用了現(xiàn)場操作人員的成功經(jīng)驗，而且模糊控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性，可以克服由于系統(tǒng)本身的時變性、不確定性

3、和外部擾動等帶來的影響，有效的提高過程控制質(zhì)量，為復(fù)雜工業(yè)過程和非線性系統(tǒng)的控制研究開辟了新的途徑。 雖然模糊控制已經(jīng)在工業(yè)控制，家用電器自動化等很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法難以解決的很多控制問題，引起了越來越多的控制理論和相關(guān)領(lǐng)域廣大工程技術(shù)人員的極大興趣。另一方面，從整體模糊控制研究體系來看，模糊控制系統(tǒng)是處于發(fā)展中的一種控制方法，模糊控制系統(tǒng)還沒有形成完整的研究體系，模糊控制系統(tǒng)理論和應(yīng)用的發(fā)展仍然存在一些需要解決的問題。

4、為了更好的擴展模糊控制理論的應(yīng)用，本文首先研究了模糊控制器結(jié)構(gòu)的解析分析，然后吸收PID控制、模型預(yù)測模糊等相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，提出兩種復(fù)雜非線性過程的模糊控制器設(shè)計新方法，并且將設(shè)計的新型模糊控制器應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制中，仿真和實驗結(jié)果表明所提出模糊控制策略的良好控制效果?？偨Y(jié)全文，論文的主要內(nèi)容可具體概括如下： (1)首先對模糊控制系統(tǒng)的研究進(jìn)行了全面綜述，回顧模糊控制系統(tǒng)的研究背景，產(chǎn)生與發(fā)展?fàn)顩r，控制器特點和基本

5、類型，主要研究方向及發(fā)展現(xiàn)狀，介紹模糊控制系統(tǒng)理論的主要研究內(nèi)容，模糊控制與PID控制，預(yù)測控制等其它控制方法的滲透和結(jié)合研究，以及模糊控制的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r，指出目前模糊控制系統(tǒng)研究中存在的一些問題，提出論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。 (2)研究了模糊控制系統(tǒng)的基本原理，基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計方法等。通過引入一種新型模糊蘊含運算，從數(shù)學(xué)分析的角度研究了max-min型Mamdani模糊控制器的解析結(jié)構(gòu)，詳細(xì)推導(dǎo)了輸入、輸出隸屬函數(shù)均采用等

6、腰模糊數(shù)的一類具有線性規(guī)則的雙輸入單輸出模糊控制器的結(jié)構(gòu)表達(dá)式，證明了這類模糊控制器相當(dāng)于一個全局二維多值繼電器與局部非線性PD控制器的和，在此基礎(chǔ)上研究了它的極限結(jié)構(gòu)特性，對其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。然后與其它模糊推理方法進(jìn)行比較，分別推證了采用sum-product，sum-min，max-product等不同模糊推理方法的典型模糊控制器具有相似的結(jié)構(gòu)特性，并對模糊控制器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步討論。 (3)提出一種利用常規(guī)PID控制器

7、比例，積分，微分增益因子進(jìn)行模糊控制器設(shè)計的新型方法，該方法充分利用了常規(guī)PID控制器的成熟經(jīng)驗改進(jìn)模糊控制器的設(shè)計。首先通過比較和分析選擇適合實際工業(yè)應(yīng)用的模糊控制器結(jié)構(gòu)，然后通過模糊控制器的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果給出模糊控制器與PID控制器線性增益系數(shù)K<,p>，K<,I>，K<,D>之間的解析關(guān)系，表明模糊控制器本質(zhì)上是一種時變非線性的PID控制器，根據(jù)這一解析關(guān)系，利用常規(guī)PID控制器增益系數(shù)間接設(shè)計模糊控制器的正規(guī)化因子，建立一種新型模

8、糊控制器的設(shè)計方法。 (4)研究了模糊變論域思想的改進(jìn)算法，由于改變模糊控制器變量的論域本質(zhì)上等價于改變變量的正規(guī)化因子，因此如果保持模糊控制器的基本論域不變，那么通過增加模糊控制器輸入變量的正規(guī)化因子的取值同樣可以達(dá)到縮小論域的目的，而且改變正規(guī)化因子相對于論域變化更加容易操作。然后將這一改進(jìn)算法應(yīng)用到模糊控制器設(shè)計參數(shù)的在線調(diào)節(jié)和優(yōu)化中，進(jìn)一步提高了模糊控制系統(tǒng)的控制精度。 (5)針對非線性系統(tǒng)建模困難及難以控制的特

9、點，提出一種基于sum-min推理的Mamdani型模糊模型預(yù)測控制策略。該方法首先通過對模糊模型進(jìn)行解析分析，建立非線性系統(tǒng)的Mamdani型模糊預(yù)測模型，獲得系統(tǒng)在k+1采樣時刻的一步線性化預(yù)測模型和P步線性預(yù)測模型，然后基于模糊線性化預(yù)測模型進(jìn)行常規(guī)預(yù)測控制器設(shè)計，從而給出了實現(xiàn)該非線性系統(tǒng)模糊模型預(yù)測控制方法的具體步驟。仿真實驗結(jié)果表明了該算法是一種魯棒性強的有效控制方法，與常規(guī)的動態(tài)矩陣控制相比，該方法具有超調(diào)量小，調(diào)整時間短

10、等優(yōu)良的動態(tài)性能。 (6)對本文提出的新型模糊控制器設(shè)計方法在暖通空調(diào)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。首先對暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與控制進(jìn)行簡單描述，研究了暖通空調(diào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和主要控制回路，然后對空調(diào)處理機組的控制系統(tǒng)進(jìn)行物理建模，在此基礎(chǔ)上，將提出的模糊控制器新型設(shè)計方法應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)中，采用冷凍水的流速m<,chw>控制回風(fēng)機的干球溫度T<,ao>，獲得了良好的控制效果。該方法最突出的優(yōu)點是可以充分利用針對暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計比較成熟的PID控