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具有时空耦合特征的模糊逻辑控制系统及其应用

段小刚  
【摘要】:绝大多数工业生产过程为时空耦合系统,或分布参数系统,其明显的特征是系统的状态、控制、输出及参数等不仅随时间变化,而且还随空间变化。针对时空耦合系统,传统的基于被控对象精确数学模型的控制方法,需要复杂的控制理论,但实际系统往往存在参数不确定性、复杂非线性等情况,精确的数学模型难以获得,即使获得也很难实施有效控制。而智能模糊控制最大的优点是不依赖被控对象的精确数学模型并能达到令人满意的鲁棒控制效果。由于传统的模糊控制没有将空间信息考虑在内,所以它在本质上不具有处理时空耦合系统的能力。基于此,本文提出了具有时空耦合特征的模糊逻辑控制系统,它最主要的特色是在不增加传统模糊控制复杂度的情况下,只需增加数个传感器用于获得物理场的时空信息就可以实现时空处理机能,从而降低控制器的设计成本和工业生产的运行成本。最后的仿真和实验结果证明了本文提出的方法是有效的。 主要创新点包括以下几个方面: 1)建立了时空模糊逻辑系统 针对时空耦合系统的特点,结合type-2模糊系统,提出了时空模糊集、时空模糊关系及其运算法则,建立了较完善的时空模糊逻辑系统理论。将type-2模糊集的第二隶属度表征空间信息,定义了时空模糊集;时空模糊集可以由时间(第一)隶属函数和空间(第二)隶属函数来描述。跟三维模糊集相类似,时空模糊集具有三个坐标分别用于时间变量的论域、隶属度及表征空间信息。与三维模糊集最大的差别是时空模糊集定义了空间隶属函数来描述空间的信息。由于时空模糊集有明确的空间物理意义,时空模糊集的定义及其运算法则与type-2模糊系统有所差异,在Type-2中的降维运算在时空模糊逻辑系统中变成了空间降维运算。 2)设计了时空模糊逻辑控制器,并推导出其解析模型 针对时空耦合系统,首先归纳了时空模糊控制器存在的相关设计问题,并设计了一个时空模糊逻辑控制器。随后,给出了详细的时空模糊控制器解析模型的推导过程。再根据推导出的解析模型,基于Lyapunov稳定性理论,提出了时空模糊控制器的稳定性参数设计方法。最后,将时空模糊控制器应用在化工过程的反应棒上,仿真结果表明时空模糊逻辑控制器的控制性能优于传统的模糊逻辑控制器。 3)揭示了模糊PID控制器的饱和特性,提出了模糊PID控制器的整定方法 在实际应用模糊控制过程中,模糊规则的数量总是有限的,基于此,揭示了模糊PID控制器内在的饱和特性。然后根据内模控制原理,提出了一种模糊PID控制器的参数整定方法。仿真和实验结果验证了该饱和特性及其整定方法的有效性。 4)提出了时空模糊PID控制器的整定方法 首先基于传统模糊PID控制器的结构,设计了时空模糊PID控制器的结构,再根据传统的一阶加纯滞后模型,提出了融合空间特征的一阶加纯滞后模型。然后,基于奈奎斯特图的原理,提出了基于空间拓展的奈奎斯特图用于时空模糊PID控制器的整定方法,仿真和实验结果验证了时空模糊PID控制器及其整定方法的有效性。


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