工业锅炉汽包水位模糊控制系统设计.doc

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1、目录摘要IAbstractII第一章 概述11.1 课题研究目的与意义11.2 工业锅炉控制综述11.2.1 工业锅炉的控制要求和工艺流程11.2.2 锅炉设备系统21.2.3 锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性31.3 课题研究的主要内容3第二章 汽包液位控制方案42.1 汽包水位特性分析42.1.1 汽包水位在给水流量扰动下的基本特性42.1.2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性52.1.3 汽包水位在燃料量扰动下的动态特性62.2 汽包水位控制系统设计方案72.2.1 单冲量水位控制系统72.2.2 双冲量水位控制系统82.2.3 三冲量水位控制系统92.2.4 水位三冲量模

2、糊控制102.2.5 汽包水位控制系统方案的选择11第三章 模糊控制123.1 模糊控制的产生与发展123.2 模糊控制的基本原理123.2.1 模糊控制系统组成123.2.2 模糊控制器的基本结构133.3 模糊控制器的设计的基本方法153.3.1 模糊控制器的设计方法153.3.2 模糊控制器的结构设计153.3.3 模糊控制规则设计163.3.4 精确量的模糊化173.3.5 模糊推理193.3.6 模糊量去模糊化203.3.7 模糊控制查询表21第四章 锅炉汽包水位模糊控制器的设计224.1 确定模糊控制器的结构224.2 确定各变量的隶属度函数和赋值表224.3 模糊控制规则的确定2

3、54.4 模糊控制响应表的生成264.5 仿真结果与分析27结论29致谢30参考文献31 工业锅炉汽包水位模糊控制系统设计摘要：锅炉是典型的复杂热工系统。对锅炉而言，维持汽包水位在一定的范围内是锅炉安全运行的首要条件。锅炉汽包水位的控制一直是控制领域的一个典型问题。随着控制理论及技术的发展，已有很多基于经典控制理论和现代控制理论的控制系统应用于汽包水位控制。然而，它们都是根据被控对象的数学模型建立起来的，而由于汽包水位控制对象的复杂性，其精确的数学模型往往无法获得，也就不能得到较好的控制效果。模糊理论应用于控制系统设计，不需要知道被控对象精确的数学模型，对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统能

4、获得很好的控制效果，同时能简化电路的设计。因此，本文采用了模糊理论进行汽包水位控制器的设计。 本文较为详尽地分析了汽包水位对象的动态特性和传统的控制技术以及对模糊控制理论进行了探究。在此基础上，提出了用模糊理论对汽包水位进行控制的方案，设计了锅炉汽包水位模糊控制系统，并利用MATLAB对传统PID控制系统与模糊控制系统进行了仿真，结果表明后者的结构简单，控制效果更好。关键词：工业锅炉；水位控制；三冲量；PID控制；模糊控制 The Design of Fuzzy Control System of TheIndustrial Boiler Drum Water Level Abstract：T

5、he boiler is a typical thermodynamic system .For boiler, maintaining water level of steam drum in a certain range is the chief requirement to guarantee the boiler running safely. The water level control for the steam drum is all along a typical issue in the control domain. With the development of co

6、ntrol theory and technology, there have been many control systems based on classical control or modern control theory applied to water level control of the steam drum. However, they are all established on the basis of the mathematical models of the steam drum often cannot be obtained, so we often ca

7、nnot get the better effects. On the other hand if fuzzy theory is applied to design control system, we need not know the exact mathematical models of the objects being controlled. Thus, as to many complex systems whose exact mathematical models cannot be established, we could get the better control

8、effects. According to this, fuzzy theory is applied to design the controller of the steam drum water level in this paper. The dynamic characteristics of steam drum water level along with its traditional control technology and the fuzzy control theory have been analyzed in detail in this paper. On th

9、e basis of these analyses, a scheme using fuzzy theory to control steam drum water level has been proposed, and designed the fuzzy control system of the boiler drum water level. Through making simulation of PID control system and fuzzy control system by MATLAB, the result proves the latter is easy a

10、nd control function is better.Key words：industrial boiler ;water level control ;three impulse ;PID control ;fuzzy controlII第一章 概述1.1 课题研究目的与意义锅炉是众多工业部门必不可少的重要动力设备。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。若水位过高，则会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的引起过热管爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁过热而爆管。由此可见锅炉汽包水位控制在锅炉设

11、备系统中的重要性。现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许的蓄水量就更少，这样对汽包水位的要求就更高。目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“虚假水位”现象，而常规仪表所用的PID算法对“虚假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“虚假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。因此，研究新的水位控制系统使其进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单，容易实现的特点，还是非常必要的。模糊控制是以模糊集合论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论

12、和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的语言所描述的控制算法，这种算法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。三冲量锅炉水位控制系统中的主回路部分正是这种情况，由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这一过程的数学模型，这样就不能采用常规的控制器来设计，因此采用模糊控制器来代替常规控制器。采用模糊控制的工业锅炉汽包水位控制系统结构更简单，鲁棒性强和适应性更好，抗干扰能力更强。1.2 工业锅炉控制综述1.2.1 工业锅炉的控制要求和工艺流程锅炉是化工、炼油、

13、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是现代化的石油化工企业里，锅炉的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反应器、蒸馏器、换热器以及其他设备提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机等提供动力来源。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量与蒸发量保持动态平衡，维持水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。 所有各种锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图1.1所示： 图1.1 工艺流程首

14、先除氧水通过水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因而水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在路牌的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热器包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下热烟气经过省煤器和空气预热器，把热量传导给进入过路的水和空气。通过这种方式使热烟气的热能得到充分利用，且烟气自身温度也不断降低。降

15、温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。1.2.2 锅炉设备系统锅炉生产控制系统，是指锅炉生产过程的自动化系统。即通过各种检测仪表，调节仪表，控制装置（运算器，监视器，执行器）等自动化技术工具，对锅炉生产过程中的温度，压力，流量，液位等热工变量进行自动控制的系统。自动控制的目的是实现各种最优的技术经济指标，减轻劳动强度，提高经济效益和生产率，节约能源，改善劳动环境条件。锅炉设备控制划分为若干个控制系统，主要控制系统如下。（1）锅炉汽包水位控制系统被控量是汽包水位，控制量是给水变量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。维持汽包

16、水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。（2）锅炉燃烧控制系统其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控量）；使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率使；引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个控制目的，控制量有三个，即燃料量、送风量和引风量。（3）过热蒸汽控制系统维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，控制变量是减温器的喷水量。1.2.3 锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性锅炉是一种受压又直接受火的

17、特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。 工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅内灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。1.3 课题研究的主要内容锅炉汽包水位控制系统在锅炉设备控制系统中是非常重要的，但是汽包水位由于“虚假水位”的影响和各种参数存在的时变性而导致

18、无法确定这一过程的数学模型，这样采用常规的控制器控制不仅结构复杂，而且也不能很好地满足生产控制要求。模糊控制技术是近年来新兴的一种控制技术，由于它并不需要获得系统精确的数学模型，在一些无法获得精确数学模型的复杂系统中得到了广泛应用。因此，本文提出了锅炉汽包水位模糊控制系统。本系统结构简单，不仅能够有效地防止“虚假水位”的产生，而且动态性能更高，控制效果更好。31 第二章 汽包液位控制方案2.1 汽包水位特性分析锅炉汽水系统结构如图2.1所示。汽包的输入量是水，给水量W由给水调节机构调节，而其输出量是蒸汽流量D，即汽轮机的耗汽量，由汽轮机进汽门来控制。汽包的水位H不仅反映其输入量与输出量间的平衡

19、关系，而且还受液面下水泡体积的影响。因为水循环系统中含有大量蒸汽气泡的水，可能由于某种原因使蒸汽气泡的体积发生变化，即使汽包的输入量和输出量没有变化，水位也会改变。而气泡的体积还受汽包压力和炉膛热负荷的影响。因此作为一个调节对象，其扰动主要有如下三个：给水量W，它是调节系统的调节量，即基本扰动，蒸汽量D和燃料量B。2.1.1 汽包水位在给水流量扰动下的基本特性在给水流量阶跃变化时，汽包水位的响应曲线如图2.2所示。如果仅考虑输入量和输出量的不平衡关系，则它相当一个积分环节，响应如图中直线H1所示。但由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，当“冷”的给水进入汽包后，吸收了原有的饱和水中的一部分热量，

20、使锅炉的蒸汽流量下降，液面下的气泡体积减小，使水位下降。只考虑这个因素，水位的变化如图中曲线H2，相当一个惯性环节。实际水位H的响应为H1和H2的和。当水位汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而直线上升。因此实际水位曲线如图中H线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段。由图可见，它是一个无自横能力的对象，其传递函数可表示为： (2-1)式中，：延迟时间 ：响应速度，即给水流量改变一个单位时。2.1.2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性蒸汽流量扰动主要来自汽轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。在蒸汽流量

21、阶跃扰动下，水位的响应曲线如图2.3所示。单从汽包输入量和输出量的平衡关系来考虑，输出量D的阶跃增加将使水位直线下降，如图中直线H1所示。但D的增加，使汽包压力下降，液面下气泡膨胀，气泡体积的增大将使水位升高，如图中曲线H2所示。实际的水位变化为上述两种作用的和，如图中曲线所示。由图可见，当蒸汽流量突然增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但在开始的一段时间内，水位不仅不下降，反而迅速上升，这种现象称为“虚假水位”。虚假水位是由于汽包出口蒸汽流量突然增加导致汽包蒸汽空间的压力突然下降，水空间的气泡容积很快增加而形成的。当水面下气泡的容积与负荷相适应而达到稳定状态后，水位就主要随给水量和蒸汽量的不

22、平衡关系下降。虚假水位的变化与锅炉的汽压和蒸发量变化的大小有关，而与给水量无关。蒸汽流量扰动影响汽包水位的传递函数可表示为下式： （2-2）式中，：曲线H2的时间常数 KD：曲线H2 的放大系数 ：曲线H1的响应速度2.1.3 汽包水位在燃料量扰动下的动态特性汽包水位在燃料量扰动下的响应曲线如图2.4所示。当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度也增大。如果汽轮机侧的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力的上升，它会使气

23、泡体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量缓慢增加，故虚假水位现象要比扰动下缓和得多。2.2 汽包水位控制系统设计方案2.2.1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最基本的一种形式。如图2.5所示是单冲量水位控制系统，单冲量即汽包水位，这种控制结构简单，是单回路控制系统。但是，单冲量水位控制系统存在的问题是：负荷变化时产生的“虚假液位”将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小

24、给水阀，等到汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”不严重，从负荷变化到水位下降要由一个过程，再有水位变化调节阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。因此，该系统只适用于锅炉容量小，蒸汽负荷较稳定，对调节质量要求不高的小型锅炉。2.2.2 双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加上了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制，如图2.6所示，由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水量信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向

25、变化的错误动作，使调节阀一开始就向正确的方向动作，因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过渡过程。 双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完成水位控制任务。在给水量比较平稳时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量水位控制系统存在的问题是：控制作用不能及时的反映给水方面的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位变化时才通过调节器作用执行器调节，滞后时间长，水位波动大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不能保持正常时，不宜采用双冲量控制。2.2.3 三冲量水位控制系统三冲量水位控制系统是根据汽包水位信号，蒸汽流量信号和给水流量信号对汽包水位进行控制。

26、其工作过程是将蒸汽流量信号作为前馈信号，用来克服负荷变化所引起的虚假水位所造成的调节阀的误动作，改善负荷扰动下的调节质量；给水流量信号作为反馈信号，用以消除给水侧的扰动，稳定给水流量；水位信号作为主信号，用以消除内外侧扰动对水位的影响，保证锅炉水位在允许范围内。三冲量水位控制又分为单级三冲量水位控制和串级三冲量水位控制。单级三冲量水位控制系统是一个只有一个调节器的三冲量水位控制系统。当蒸汽流量变化时，调节器立即动作，去适当地改变给水量，而当给水量变化时（如给水压力变化引起的给水流量变化），调节器也立即动作，使给水流量达到所需数值，起到有效控制汽包水位变化的作用。串级三冲量水位控制系统是通过两个

27、调节器来进行的三冲量水位控制系统。主调节器接受水位信号作为主控信号，通过调节副调节器对水位进行校正，使其保证在给定值；副调节器除接受主调节器输出水位信号外，还接受给水流量的反馈信号和蒸汽流量的前馈信号，当给水流量扰动时，副调节器迅速动作使给水流量不变；当蒸汽流量扰动时，副调节器也迅速改变，使给水流量与蒸汽流量相适应。控制原理如图2.7所示：2.2.4 三冲量水位模糊控制由常规控制理论的局限性和模糊控制理论的特点可以看出，对于存在精确数学模型的自动控制系统，常规控制理论发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。但在实际系统中，工业生产过程是极其复杂的，无法得到描述这些描述过程的数学模型，尽管

28、各种测试手段及数据处理方法获得数学模型，但也很难得到确切描述这些过程的传递函数或状态方程。这样常规控制理论就无法胜任，必须寻求新的控制理论来取代常规控制理论进行控制。三冲量系统可以克服“虚假液位”引起的反向动作，并且可以克服给水流量信号变化而引起调节器动作做不及时而引起的水位波动。但是各种参数又存在不同程度的时变性，且过程具有非线性，强耦合的特点，这样很难确定三冲量系统中给水流量系统的精确模型，这就使得三冲量控制系统的控制规律很难找到，即使找到控制规律也很难做的精确。这样采用常规的三冲量控制系统来实现锅炉水位的自动控制而又达到规定的工艺要求异常困难。对于大型锅炉，汽包的容量相对很小，则对锅炉汽

29、包水位的要求更高，汽包水位就必须实现全自动控制才能满足。因而，汽包水位控制就采用比较复杂而投资比较大的控制系统。对于中小型锅炉，汽包的容量相对较大，则对汽包水位的控制要求就没那么高，又由于常规三冲量控制系统很难实现汽包水位的自动控制，所以中小型锅炉允许适当的采用手动控制，这样对于中小型锅炉就可以考虑模糊控制系统来取代常规的三冲量PID控制系统。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新型的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能够实现控制，而且能够模拟人

30、的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效地控制。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。2.2.5 汽包水位控制系统方案的选择通过以上方案比较，在常规的三冲量控制系统中，由于汽包水位建模比较麻烦，考虑到模糊控制器的设计不需要知道该过程的数学模型以及它的其他特点适合于这种水位控制，因此主回路采用模糊控制器来控制，而蒸汽流量和给水流量扰动造成的水位变化的过程可以通过实验测试和数据处理得到精确的数学模型，这样就能够设计常规的控制器来控制，因此

31、本文选择汽包水位串级三冲量模糊控制系统。第三章 模糊控制3.1 模糊控制的产生与发展模糊理论的创始人是美国加利福尼亚大学的自动控制专家查德（L.A.Zadeh），1965年，他在他的一篇论文模糊集合中，首先提出了表达事物模糊性的重要概念隶属函数，这一概念的提出建立了模糊集合论的基础。模糊理论一出现就表现其强大的生命力和渗透力。20世纪70年代以后，在广泛的领域内得到了很快的发展。在控制系统传统设计中，都需要了解被控对象的数学模型。但是，对于这些生产过程，要获得既有足够的精确性，又便于系统分析的数学模型是相对困难的。这使现代控制理论的应用受到限制。查德的模糊理论为控制理论开辟了新的方向，提供了新

32、的控制系统设计的方法。最早取得应用的是英国伦敦大学教授E.H.Mamdani，1974年首次将模糊控制理论用于锅炉和蒸汽机的控制，取得了优于常规调节器的控制品质。随后，丹麦、美国与日本的学者相继将模糊控制方法成功应用于在温度、热水装置、压力与液面、十字路口交通枢纽指挥、水泥窑生产过程与汽车速度等自动控制系统中。1983年日本学者M.Sugeno和K.Murakani将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度控制，并取得成功。1984年，美国推出“模糊推理决策支持系统”。我国在模糊控制应用方面也取得了显著地成果。19791980年李志绶、刘志俊等人设计了一类缺乏数学模型的控制器，对模糊

33、控制器的特性进行仿真，与PI控制器进行比较，结果表明，模糊控制器对单位阶跃响应具有速度快、精确度较高以及对参数变化不敏感等优点。近年来在工业基础上应用模糊控制已取得了许多成果。模糊控制实际上一种非线性控制，是以模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种控制方法，从属于智能控制的范畴。目前模糊控制技术日趋成熟和完善。模糊控制在化工、机械、冶金、工业窑炉、水处理、食品生产、家电产品等诸多领域中得到应用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效果。可以预料，随着模糊控制理论的不断完善，其应用领域将会更加广泛。3.2 模糊控制的基本原理3.

34、2.1 模糊控制系统组成模糊控制系统一般可分为五个组成部分，如图3.1所示： （1）模糊控制器 它是整个系统的核心，实际上是一台微型计算机，主要完成输入量的模糊化、模糊关系运算，模糊决策以及决策结果的非模糊化处理（精确化）等重要过程。（2）输入/输出接口 模糊控制器通过接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换电路。（3）执行机构 常见的执行机构包括各种电动机，调节阀等。（4）被控对象 它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的，自然的，社会的，

35、生物的或其它各种的对象或过程。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。（5）测量装置 它是将被控对象的各种非电量，如流量、温度、压力、速度、浓度等转换为电信号的一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器、检测元件或传感器组成。3.2.2 模糊控制器的基本结构模糊控制器的基本结构如图3.2所示。它包括以下四个部分。1.模糊化接口模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解，因此实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。2.知识库知识库包括了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由以下两部分组成。（1）数据库。数据库所

36、存放的是所有值输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值（即经过论域等级的离散化以后对应值的集合），若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。但要说明的是输入、输出变量的测量数据集不属于数据库存放范畴。（2）规则库。模糊控制器的规则库是基于专家知识和手动操作人员长期累积的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成，如if-then，else，also，end，or等。关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词为if-then、also（or），对于多变量模糊控制系统还有and。通常把if部分称为“

37、前提部”;而then称为“结论部”，其最基本结构可归纳为if A and B then C，其中A为论域U上的一个模糊子集，B是论域V上的一个模糊子集.根据人工控制经验,可离线组织其控制决策表R，R是论域笛卡尔乘积UV上的一个模糊子集,则某一时刻其控制量由下列式给出： (3-1)式中, 为模糊直积运算, 为模糊合成运算.规则库就是用来存放全部模糊控制规则的,在推理时为“推理机”提供控制规则。模糊规则的条数与模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数越多，但并不代表规则库的准确度越高，规则库的准确性还与专家知识的准确度有关。3.推理机推理是控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来

38、求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。4.解模糊接口推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换作用的功能部分称为解模糊接口。3.3 模糊控制器的设计的基本方法3.3.1 模糊控制器的设计方法 在模糊控制系统中，模糊控制器是整个控制系统的核心，因为模糊控制是建立在人的经验的基础上的，而这些经验是不依赖于被控对象的精确模型，因此设计一个模糊控制器时并不需要像设计数字控制器那样，必须知道被控对象的传递函数的精确数学表达式，而是根据模糊控制器的原理进

39、行设计的，其设计的内容主要包括以下几个方面：（1）确定模糊控制器的输入输出语言变量（2）设计模糊控制器的控制规则（3）确定模糊化和非模糊化的方法（4）选择论域并确定有关参数3.3.2 模糊控制器的结构设计在进行模糊控制器的设计之前，需要先选定模糊控制器的结构，模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。从这个角度可以将模糊控制器分为单变量模糊控制器和多变量模糊控制器。常规的模糊控制器都是单变量模糊控制器，它有一个输入变量和输出变量。模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。常见的模糊控制器的结构有三种形式，如图3.3所示。 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制的效果越好，但

40、是维数高的模糊控制器实现起来相当复杂和困难。而维数低的模糊控制器控制效果又不理想，因此，目前被广泛采用的是二维模糊控制器，它的输入一般为误差E和误差的变化率EC，输出为控制量的变化U。3.3.3 模糊控制规则设计控制规律的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。1.选择输入和输出变量的词集 模糊控制器的控制规则一般表示为一组模糊条件语句。在条件语句用于描述输入输出变量状态的词汇（如正大负小等）的集合，称为这些变量的词集，亦称变量的模糊状态。如果选择较多的词汇即用较多的状态来描述每个变量，那么制定控制规则

41、就比较灵活，形成的规则就比较精确，不过这种控制规则比较复杂且不易制定。因此，在选择模糊状态时，必须兼顾简单性和灵活性。一般情况选七个词汇，即为：负大，负中，负小，零，正大，正中，正大，用英文字头缩写为一般NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB描述输入、输出变量的词汇具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此，模糊概念的确定就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。2.定义各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属度函数曲线的形状。隶属函数一般是根据经验或统计确定的，可以由经验丰富的专家给定，并根据实际使用情况进行调整。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，

42、便构成了一个相应的模糊变量子集。在确定语言变量的模糊子集的隶属函数时，应注意：隶属函数曲线的形状会导致不同的控制特性。隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特性也较平缓，系统稳定性较好。定义某一语言变量，如误差，误差变化和控制量的变化的全部模糊集合时，要考虑它们对基本论域的覆盖程度，应使论域中的任一点对这些模糊集合的隶属度的最大值都不能太小，否则在这样的点附近会引起失控，使模糊控制系统控制性能变坏。3.建立模糊控制规则模糊控制器的控制规则是以手动控制策略为基础的。它利用运算，用模糊集合理论将手动控制控制策略上升为具体的数值运算，根据推理运算

43、的结果做出相应的控制动作，使执行机构控制被控对象的运行。要建立模糊控制器的控制规则，就是要利用语言来归纳手动控制过程中所使用的控制策略。手动控制策略一般都可以利用“IF-THEN”形式的条件语句来加以描述。常见的模糊条件语句及其对应的模糊关系R总结如下：（1） if A then B （2） if A then B else C （3） if A and B then C （4） if A or B and C or D then E （5） if A then B and if A then C （6） if A1 then B1 or if A2 then B2 3.3.4 精确量的模糊化

44、在确定了模糊控制器的结构之后，就需要对输入量进行采样、量化、并模糊化。即将精确量转化为模糊量，以便实现模糊控制算法。（1）输入、输出变量的论域 我们把模糊控制器的输入量（偏差、偏差变化率）的实际范围称为这些变量的基本论域。对于二维控制器，通常设误差E所在的基本论域为-Xe,Xe，误差变化EC的基本论域为-Xec,Xec，输出的基本论域为-Yu,Yu。 误差E所取的模糊子集的论域为：-n，-n+1，0，n-1，n误差变化率EC所取的模糊子集的论域为：-m，-m+1，0，m-1，m输出变量U所取的模糊子集的论域为：-l，-l+1，0，l-1，l其中，n，m，l分别为正整数。由于语言变量的词集通常选

45、7个（或8个），为了确保各模糊子集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象，通常要求n6，m6,l7。从理论上讲，增加论域中的元素个数，提高控制精度，但也带来了计算量增大，占用内存增多等不利因素。实际经验表明，把等级分得过细并没有太大的必要。对基本论域的选择，由于在系统调试时对被控对象缺乏足够的经验知识，因此只能做初步的确定，在实际调试时加以具体认定。（2）量化因子和比例因子 当由计算机实现模糊控制算法进行模糊控制时，每次采样到的被控量需经计算机计算，便得到模糊控制器的输入变量误差及误差变化。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，这中间需将输入变量乘以相应的因子，这就是量化因子的概念。量化因子一般用K表示，误差的量化因子Ke及误差变化的量化因子Kec分别可用下面两个公式来计算： (3-2) (3-3) 此外，经模糊控制算法给出的控制量还不能直接控制对象，必须将其转换到为控制对象所能接受的基本论域中去。通常选取一个比例因子把控制量的模糊集论域转换到基本论域中,控制量的比例因子可由下式确定： (3-4) 合理的选择模糊控制器的输入变量的量化因子和输出变量的比