一種雙模糊控制器的設計實現

摘要：在工程實際中，很多被控對象具有時變、非線性的特點，用常規的控制方法難以進行控制或者控制效果不好，為了對這類實際系統進行有效地控制，本文基于模糊控制器的基礎上，設計實現了一種雙模糊控制器，根據實際系統輸出信號的誤差大小利用兩個模糊控制器分別進行控制，以改善系統的快速性和消除誤差。從仿真結果來看，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誤差，響應時間、超調量、穩定時間等性能均優于傳統的PID控制和模糊控制。
關鍵詞：雙模糊控制器；時變；非線性；性能

傳統的控制方法均建立在被控對象的精確數學模型之上，隨著系統復雜程度的提高，建立系統的精確數學模型和滿足實時控制要求將越來越難以實現。模糊控制是模擬人的思維方法，無需建立系統精確數學模型，在處理時變和非線性系統上取得了很好的應用效果。很多專家和學者應用模糊控制實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輛半主動懸架控制、周妮娜應用于模糊控制器實現對鍋爐除氧系統，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時變非線性系統的參數反饋模糊控制器等。
從設計仿真結果來看，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，但是對于具體工業系統而言，系統的輸出波形仍然存在著一定的偏差，系統的穩態誤差問題始終沒有得到很好的解決。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誤差問題。

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，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(人為可以根據實際設定)，當系統誤差較大時，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，用單模糊控制器2進行控制，從而改善模糊控制器對于系統誤差較小時的控制效果，進而幫助取得較好的控制效果。

進行仿真時，給定輸入信號為單位階躍信號?？刂茖ο鬄橐坏湫蜁r變對象，數學模型表示為：，其中，T1、T2為時間常數，分別為100 s和72 s，τ為系統滯后時間10 s，K為比例系數，值為2。該系統是一個大滯后系統，非線性特性，屬于典型的工業控制對象。
設計雙模糊控制器時，將輸入信號誤差e量化為8個等級，{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。