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圖1  模糊控制系統(tǒng)的組成

    (1)  模糊控制器：實(shí)際上是一臺微計算機(jī)，既可選用系統(tǒng)機(jī)，又可以選用單板機(jī)或單片機(jī)。
    (2)  輸入/輸出接口裝置：模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制的輸出信號經(jīng)過數(shù)模變換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象。
    (3)  廣義對象：包括被控對象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被控對象可以是線性或非線性的、定常或時變的，也可以是單變量或多變量、有滯后或無滯后的以及有強(qiáng)干擾的多種情況。
    (4)  傳感器：傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精
度[1]。
    模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。模糊控制器的設(shè)計具有通用性，即不同的模糊控制系統(tǒng)可使用相同的控制器，只是各個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)各不相同。
    模糊控制器完成模糊控制系統(tǒng)的模糊化、模糊推理和非模糊化操作，它的輸入為系統(tǒng)輸入，可以為偏差輸入、偏差變化輸入和其他測量或反饋輸入；它的輸出為系統(tǒng)輸出，可直接作為控制輸出，也可再進(jìn)行運(yùn)算后去執(zhí)行控制操作，它可以有一個或多個輸出。圖2為模糊控制器的一般結(jié)構(gòu)。 

圖2  模糊控制器結(jié)構(gòu)

    由圖2可知，模糊控制器由三部分組成：模糊化、模糊推理和非模糊化模塊，每一部分包括程序和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)又分為變量和參數(shù)兩種，其中變量包括：
    (1)  輸入變量：由其他程序如A/D采樣或計算機(jī)程序得出的數(shù)據(jù)，如偏差輸入變量由給定值減去反饋測量值得到，而反饋量值一般由A/D采用得到。
    (2)  模糊輸入變量：由模糊化程序按輸入變量計算得到。
    (3)  模糊輸出變量：由模糊推理程序按推理規(guī)則得出。
    (4)  輸出變量：由非模糊化程序按模糊輸出變量計算得出。輸出變量數(shù)取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，常見的系統(tǒng)均為單輸出變量，但有時會遇到雙輸出變量，甚至多輸出變量的控制系統(tǒng)。
    這些變量在控制過程中會不斷變化，一般放于計算機(jī)的RAM中[2]。

4  模糊控制器的設(shè)計方法

4.1  模糊控制器的輸入
    人們在手動控制中，所獲得的信息量基本上為三個：誤差、誤差的變化、誤差變化的變化。因為模糊控制規(guī)則是根據(jù)人的手動控制規(guī)則提出的，所以模糊控制器的輸入也有三個，即誤差、誤差的變化、誤差變化的變化。模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。一般來講，一維模糊控制器用于一階被控對象，由于控制器輸入變量只選一個，所以它的動態(tài)性能不佳。
    從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但是這將使控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。所以，目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化作為輸入變量，以控制量的變化作為輸出變量，其性能明顯優(yōu)于一維模糊控制器[3]。這種控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  模糊控制器的結(jié)構(gòu)

4.2  輸入量的離散化
    輸入量的離散化處理就是把輸入的連續(xù)量離散化為模糊集合論域[-n，+n]中有限的整數(shù)值。設(shè)輸入量的基本論域為[a，b]，模糊集合的論域為X={-n,-n+1，……，0，n-1，n}，是量化等級。首先將[a，b]的連續(xù)量轉(zhuǎn)化為[-n，+n]中的連續(xù)量，設(shè)x∈[a，b]，y∈[-n，+n]，轉(zhuǎn)換關(guān)系由下式所示：

     (1)

  接著把[a，b]中的連續(xù)量離散化，辦法是將y四舍五入，就得了x的離散量。
    在這個轉(zhuǎn)換中間有一個量化因子的概念。量化因子一般用K表示，誤差的量化因子K_e和誤差變化的量化因子K_c分別由下面兩個公式確定：

     (2)     (3)

    在模糊控制器實(shí)際工作中，一般誤差和誤差變化的基本論域選擇范圍要比模糊集論域選擇的小，所以量化因子一般都遠(yuǎn)大于1。當(dāng)K_e較大時，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，使得超調(diào)較大。而K_c選擇越大時，超調(diào)量就越小。
4.3  模糊規(guī)則的設(shè)計
    模糊控制規(guī)則是人們對控制對象實(shí)行手動操作時的經(jīng)驗總結(jié)。控制規(guī)則的設(shè)計是模糊控制器的關(guān)鍵，只有控制規(guī)則較好的反映出操作經(jīng)驗，系統(tǒng)才能獲得較好的效果。
    手動控制策略一般可以用條件語句加以描述，將其歸納一下，便可以建立模糊控制規(guī)則。常見的模糊條件語句為if … then …形式。但是，有時很難總結(jié)出完整的經(jīng)驗來，或總結(jié)的不夠準(zhǔn)確，這時的模糊規(guī)則就顯得不夠完善，這樣就會影響控制效果。而且由于過程的不斷變化，如果控制規(guī)則不變，則所得的結(jié)果可能與實(shí)際不相符[4]。所以，常引入修正因子來對模糊控制規(guī)則進(jìn)行量化描述。帶一個修正因子的模糊控制器算式如下式所示：

     (4)

    采用解析表達(dá)式描述的控制規(guī)則簡單方便，更易于計算機(jī)實(shí)現(xiàn)[5]，模糊控制規(guī)則可以不受模糊變量論域量化等級的限制，控制器的響應(yīng)比較快。
    上述帶有加權(quán)因子的模糊控制器在整個控制過程中α值一旦固定，即在控制規(guī)則中，對誤差與誤差變化的加權(quán)就固定不變。因此它除簡化了控制規(guī)則以外，與具有固定控制規(guī)則的控制器并沒有區(qū)別，這對于那些時變、非線性的系統(tǒng)來說，很難達(dá)到控制性能要求[6]。
    對于常用的模糊控制器而言，當(dāng)誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，這時，對誤差在控制規(guī)則中的加權(quán)應(yīng)該大些；當(dāng)誤差較小時，此時系統(tǒng)已接近期望輸出，控制器主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定減小超調(diào)，這樣就要求在控制規(guī)則中誤差變化起的作用大些，即對誤差變化加權(quán)大些。只靠固定的加權(quán)因子是難以滿足上述要求。
    為了滿足上述要求，采用了智能調(diào)整因子法。當(dāng)系統(tǒng)偏差大時，對偏差給予較大的加權(quán)，即α較大；反之，當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定，則對誤差變化給予較大的加權(quán)[7]，即(1-α)比較大。α的選擇可以利用誤差及誤差變化作為對自身的加權(quán)。帶有智能調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則為：

     (5)

    通過上式就可以達(dá)到上述的控制思想，也利于計算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
4.4  輸出信息的轉(zhuǎn)換
    每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量（精確量），不能直接控制對象，必須將其轉(zhuǎn)換到控制對象所能接受的基本論域中去。這里邊有比例因子的概念，將由控制算法得到的結(jié)果乘以比例因子就得到了控制輸出，完成了從控制量的模糊集論域到基本論域的變換。

5  實(shí)驗結(jié)果

    通過在溫度控制器的設(shè)計中采用上述模糊算法，采用紫金橋工控組態(tài)軟件，通過輸入模擬數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對模糊控制的仿真。得到系統(tǒng)的仿真曲線，如圖4所示，曲線1為模糊控制方式，曲線2為PID控制方式。

圖4  系統(tǒng)的仿真曲線