摘要：在工程實(shí)際中，很多被控對(duì)象具有時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，用常規(guī)的控制方法難以進(jìn)行控制或者控制效果不好，為了對(duì)這類實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制，本文基于模糊控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種雙模糊控制器，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)輸出信號(hào)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(tǒng)的快速性和消除誤差。從仿真結(jié)果來看，和常規(guī)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(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間等性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制和模糊控制。
關(guān)鍵詞：雙模糊控制器；時(shí)變；非線性；性能

    傳統(tǒng)的控制方法均建立在被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型之上，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型和滿足實(shí)時(shí)控制要求將越來越難以實(shí)現(xiàn)。模糊控制是模擬人的思維方法，無需建立系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型，在處理時(shí)變和非線性系統(tǒng)上取得了很好的應(yīng)用效果。很多專家和學(xué)者應(yīng)用模糊控制實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真，如曾鳴等人應(yīng)用雙模糊控制器用于車輛半主動(dòng)懸架控制、周妮娜應(yīng)用于模糊控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐除氧系統(tǒng)，張松蘭等人設(shè)計(jì)了鍋爐汽包水位模糊自適應(yīng)控制策略，馮冬青等設(shè)計(jì)了一類時(shí)變非線性系統(tǒng)的參數(shù)反饋模糊控制器等。
    從設(shè)計(jì)仿真結(jié)果來看，使用單模糊控制器雖然在很多性能上超越了傳統(tǒng)的PID控制，但是對(duì)于具體工業(yè)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的輸出波形仍然存在著一定的偏差，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差問題始終沒有得到很好的解決。本文試圖設(shè)計(jì)一種新的雙模糊控制器，解決系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差問題。

1 雙模糊控制器的設(shè)計(jì)
    單模糊控制器主要用于快速響應(yīng)及對(duì)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(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了對(duì)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(tǒng)振蕩。
    雙模糊控制器原理圖如圖1所示。假設(shè)變量eo為大、小誤差的臨界值(人為可以根據(jù)實(shí)際設(shè)定)，當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時(shí)，用單模糊控制器1控制，以達(dá)到快速響應(yīng)、消除誤差的目的；當(dāng)系統(tǒng)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(duì)于系統(tǒng)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(hào)為單位階躍信號(hào)?？刂茖?duì)象為一典型時(shí)變對(duì)象，數(shù)學(xué)模型表示為：，其中，T1、T2為時(shí)間常數(shù)，分別為100 s和72 s，τ為系統(tǒng)滯后時(shí)間10 s，K為比例系數(shù)，值為2。該系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，非線性特性，屬于典型的工業(yè)控制對(duì)象。
    設(shè)計(jì)雙模糊控制器時(shí)，將輸入信號(hào)誤差e量化為8個(gè)等級(jí)，{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(jí)，{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，誤差e及誤差變化率ec、輸出變量u論域?yàn)閇-6，6]。誤差e及誤差變化率ec、輸出變量u的隸屬度函數(shù)選為梯形隸屬度函數(shù)如圖2所示。

    在總結(jié)專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的基礎(chǔ)上，得到模糊控制規(guī)則表如表1所示?？刂埔?guī)則多少?zèng)Q定了控制系統(tǒng)的精度，控制規(guī)則的多少也與輸入輸出變量數(shù)目、每一變量的語言值數(shù)目等因素有關(guān)。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了56條規(guī)則如表1所示。

    使用的推理方法是最大最小推理法。最終推理結(jié)果是以模糊子集的形式來表示系統(tǒng)的輸出量閥門的校正量。閥門不能用這樣的表示方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，故需進(jìn)行模糊量的精確化，本設(shè)計(jì)中采用了重心法來進(jìn)行解模糊。

2 仿真過程及結(jié)果
    利用MATLAB的SIMULINK進(jìn)行仿真，建立本系統(tǒng)的雙模糊控制器仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。仿真結(jié)構(gòu)圖里設(shè)計(jì)了兩個(gè)子系統(tǒng)，見圖3，兩個(gè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本一致，只是具體參數(shù)選取不同。

    利用SCOPE觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果、記錄，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，其中圖4為常規(guī)PID控制輸出結(jié)果，圖5為模糊控制器輸出結(jié)果，圖6為雙模糊控制器輸出結(jié)果。

    從結(jié)果對(duì)照?qǐng)D來看，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的對(duì)比：雙模糊控制響應(yīng)時(shí)間最短，模糊控制其次，常規(guī)PID控制響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)；常規(guī)PID控制到達(dá)穩(wěn)態(tài)600 s左右的時(shí)間，模糊控制需要400 s到達(dá)穩(wěn)態(tài)，而雙模糊控制器不到300 s即可到達(dá)穩(wěn)態(tài)。
    常規(guī)PID控制存在明顯的超調(diào)，模糊控制及雙模糊控制則沒有超調(diào)。模糊控制方法和雙模糊控制器方法區(qū)別在于，模糊控制器存在2％～5％左右的穩(wěn)態(tài)誤差，而雙模糊控制器在穩(wěn)態(tài)時(shí)消除了穩(wěn)態(tài)誤差。

3 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種雙模糊控制器，利用雙模糊控制器完成了對(duì)系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果顯示，雙模糊控制器的上升時(shí)間短，響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)精度高。從實(shí)驗(yàn)來看，雙模糊控制器可以改善系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性能，若將此理論應(yīng)用于實(shí)際工程，無疑具有很好的應(yīng)用價(jià)值。