一種雙模糊控制器的設計實(shí)現

摘要：在工程實(shí)際中，很多被控對象具有時(shí)變、非線(xiàn)性的特點(diǎn)，用常規的控制方法難以進(jìn)行控制或者控制效果不好，為了對這類(lèi)實(shí)際系統進(jìn)行有效地控制，本文基于模糊控制器的基礎上，設計實(shí)現了一種雙模糊控制器，根據實(shí)際系統輸出信號的誤差大小利用兩個(gè)模糊控制器分別進(jìn)行控制，以改善系統的快速性和消除誤差。從仿真結果來(lái)看，和常規PID控制及普通模糊控制相比，雙模糊控制器有效地減小了系統穩態(tài)誤差，響應時(shí)間、超調量、穩定時(shí)間等性能均優(yōu)于傳統的PID控制和模糊控制。
關(guān)鍵詞：雙模糊控制器；時(shí)變；非線(xiàn)性；性能

傳統的控制方法均建立在被控對象的精確數學(xué)模型之上，隨著(zhù)系統復雜程度的提高，建立系統的精確數學(xué)模型和滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制要求將越來(lái)越難以實(shí)現。模糊控制是模擬人的思維方法，無(wú)需建立系統精確數學(xué)模型，在處理時(shí)變和非線(xiàn)性系統上取得了很好的應用效果。很多專(zhuān)家和學(xué)者應用模糊控制實(shí)現了復雜系統的設計和仿真，如曾鳴等人應用雙模糊控制器用于車(chē)輛半主動(dòng)懸架控制、周妮娜應用于模糊控制器實(shí)現對鍋爐除氧系統，張松蘭等人設計了鍋爐汽包水位模糊自適應控制策略，馮冬青等設計了一類(lèi)時(shí)變非線(xiàn)性系統的參數反饋模糊控制器等。
從設計仿真結果來(lái)看，使用單模糊控制器雖然在很多性能上超越了傳統的PID控制，但是對于具體工業(yè)系統而言，系統的輸出波形仍然存在著(zhù)一定的偏差，系統的穩態(tài)誤差問(wèn)題始終沒(méi)有得到很好的解決。本文試圖設計一種新的雙模糊控制器，解決系統輸出的穩態(tài)誤差問(wèn)題。

1 雙模糊控制器的設計
單模糊控制器主要用于快速響應及對大誤差的消除，在單模糊控制器中，將其誤差量化因子Ke增大，從而相當于縮小了誤差的基本論域，增大了對誤差變量的控制作用。同時(shí)，將誤差變化率因子Kec增大，以減小超量。將控制量的比例因子Ku減小，以減小系統振蕩。
雙模糊控制器原理圖如圖1所示。假設變量eo為大、小誤差的臨界值(人為可以根據實(shí)際設定)，當系統誤差較大時(shí)，用單模糊控制器1控制，以達到快速響應、消除誤差的目的；當系統的誤差較小時(shí)，用單模糊控制器2進(jìn)行控制，從而改善模糊控制器對于系統誤差較小時(shí)的控制效果，進(jìn)而幫助取得較好的控制效果。

進(jìn)行仿真時(shí)，給定輸入信號為單位階躍信號?？刂茖ο鬄橐坏湫蜁r(shí)變對象，數學(xué)模型表示為：，其中，T1、T2為時(shí)間常數，分別為100 s和72 s，τ為系統滯后時(shí)間10 s，K為比例系數，值為2。該系統是一個(gè)大滯后系統，非線(xiàn)性特性，屬于典型的工業(yè)控制對象。
設計雙模糊控制器時(shí)，將輸入信號誤差e量化為8個(gè)等級，{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，誤差變化率ec和輸出變量u量化為7個(gè)等級，{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，誤差e及誤差變化率ec、輸出變量u論域為[-6，6]。誤差e及誤差變化率ec、輸出變量u的隸屬度函數選為梯形隸屬度函數如圖2所示。