模糊控制器设计理论与应用

《模糊控制器设计理论与应用》一书主要介绍了易于应用到不同类型的工程实际中的模糊控制器设计技术。书中描述了一些模糊控制理论的基本概念和做出成功设计所必备的基础知识。混合、自适应和自学习模糊控制器结构的设计是本书的侧重点，同时还给出了适于离线和在线操作的自适应模糊控制器设计的完整策略。胡玉玲、张立权、刘艳军、陈一民译国际电气工程先进技术译从模糊控制器设计理论与应用Zdenko kovacic(克罗地亚)著Stjepan Bogdan胡玉玲张立权刘艳军陈一民译★机械工业出版社本书主要介绍了易于应用到不同类型的工程实际中的模糖控制器设计技术。书中描述了一些模糊控制理论的基本概念和做出成功设计所必备的基础知识。混合、自适应和自学习模糊控制器结构的设计是本书的侧重点,同时还给出了适于离线和在线操作的自适应模糊控制器设计的完整策略。全书共分7章,内容涵盖从基本的入门水平到面向专业应用水平的模糊控制器设计课题。包括模糊逻辑系统的导论和综述;模糊集合的基本定义及算子;标准模糊控制器设计的要点,并给出了几种易于实现的模糊控制器设计方法;给出了两种自组织模糊控制器;讨论了复杂模糊控制器结构;绐出了基于 MATLAB/ Simulink的模糊控制器设计工程应用范例,并在最后一章专门讨论了模糊控制器的工业应用。本书适用于从事自动化、自动控制、机械电子和电气自动化领域的工程技术人员及研究生、博士生阅读,也可以作为高等院校自动控制、智能控制等方面的教学参考书。Fuzzy Controller Design Theory and Applications, ISBN: 978-0-8493-3747-5by Zdenka Kovacicand Stjepan Bogdan, published by CRC Press, part of Taylar&Francis Group LCC◎2007 by CRC PressAuthorized translation from the English language edition punliehed by CRC Prese, part of TaylnnkFrandGroup LCCAll Rights Reserved本书中文简体宇版由机械L业出版社出版,未经出版者书面允许,本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有,翻印必究。本书版权登记号:图字0120075497号图书在版编目(CIP)数据模糊控制器设计理论与应用/(克罗)科瓦稀奇,(克罗)波格丹著;胡玉玲等译.一北京:机械工业出版社,2010.1(国际电气工程先进技术译丛)Fuzzy Controller Design Theory and ApplicationsISBN978-7-111-291022∴模…·Ⅱ①科…②波…③胡…Ⅲ模糊控制器讠设计Ⅳ.TM571.6中国版本图书馆CIP数据核字(2009)第2127号机械工业出版社(北京市百万庄大街22号邮政编码10037)策划编辑:靳平责任编辑:任鑫版式设计:霍永明封面设计:马精明责任校对:李婷责任印制:李妍北京铭成印刷有限公司印刷2010年3月第1版第1次印刷169mmx239mm·22.5印张·439千字0001-3000标准书号:ISBN9787-111291022定价:9.00元凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换电话服务网络服务社服务中心:(010)88361066门户网:htp:∥ww. cmpbook, com销售一部:(010)68326294销售二部:(010)88379649教材网;htp:ww. mpeda,com读者服务部:(010)68993821封面无防伪标均为盗版原书前言模糊控制是一种新方法,它主要解决复杂丰线性系统、难以建立数学模型系统以及不确定内部于冼约多输入多输出系统的控制问题。在对技术性和非技术性系统的大量应用之后,尤其是工业、经济和医药领域的复杂系统,模糊逻辑控制技术得到了工程界的广泛关注。模糊逻辑和模榭集合理论是人们对实际的控制问题和控制行为深刻理解的结果,使用经典的二值逻辑和传统的自动控制方法不能正确地解释操作员执行的控制行为。“模糊逻辑之父”一—一美国伯克利加州大学的IoA. Zadeh教授在其辉煌的职业生涯伊始就认识到现存的控制理论具有较大的局限性,它无法解决上述几类系统蚋控制间题。在20世纪60年代,udh教授巧妙地摆脱规范思想与解释的東缚,为一个新的系统控制理论的建立奠定了基础。在同模糊控制的反对者长达20余年的争辩之后,新理论终于得到了完全的认可,并赢得了一大批追随者。由于大多数反对者来自美国,因此这再一次验证了著名的拉丁格言“在他的国家没有任何一个人是先知”。Zadeh教授领导科学硏究机构在世界上传播“词计算”思想,已经成为本世纪末最受欢迎的科学家之一。作为一名空中常客,他在克罗地亚停留过两次。在1968年,杜布罗夫尼克举办了一次极为重要的科学座谈会,此次会议是第二次世界大战后东西方杰出控制领城科学家的第一次大聚会, zadeh教授也出席了此次大会。在2001年,杜布罗夫尼克迎来了第九届控制与自动化MED1的地中海会议,本书的作者有幸成为 Zadeh教授的东道主。在这次会议上, Zadeh教授做了一篇题为“感知计算:从数计算到词计算思维的变迁”的主题报告。与 Zadeh教授在一起的那些日子,给我们留下了深刻的印象,那些会议照片至今仍深深地埋藏在我们的记忆中。在和 zadeh教授的一次会谈中,他披露了一个非常有趣的细节一一在1968年的杜布罗夫尼克科学座谈会,是他第一次在美国之外发表樸糊逻辑的演讲。本书的作者十多年来一直致力于模糊控制领域的研究。虽然和当地工业有着密切的交往,并且努力尝试提高模糊控制技术的影响力,但是我们发现这种技术还没有达到被欣然接受的程度,这缘于模糊控制器设计的启发式特征。也就是复杂的非线性控制闩题通常与重大的工程应用有关,项目经理要求必须俣证模糊控制系统的稳定性和功能性,这一点有时难以做到。但是,我们相信通过开发足够简单的、容易实现的、尤其是有效的模糊控铜器设计技术,就能够弥补模糊控制原书第言Ⅴ理论和实践之间为差距。本书的目的是给读者提供易于应用到各种不同类型的工程实际中的不同约模禊控制器设计技术。本书不打算涵盖所有的模糊逻辑控制理论,而只是描述一些易理解的概念和做出成功设计所必备的基础知识。混合、自适应和自学习模糊控制结构的设计是本书的重点。书中解释了适于离线和在线操作的自适应模糊控俶器设计的策略。特别地,我们旨在建立范例,以便使读者能够更好地洞悉设计方法和设计步骤。在2001年的杜布罗夫尼克第9届控制与自动化地中海会议上,Lotfi A.Zadh教授和本书的作者及其学生本书的组织结构全书共分7章,内容涵盖较宽范围的模糊控制器设计课题——从基本的入门水平到面向专业应用水平。笫1章是模糊逻辑系统的导论和综述。第2章介绍模糊集合的基本定义及算子。首先解释语言变量、模糊规则、模糊蕴涵及推理机的含义,然后重点描述最常用的模糊控制器结构—双输入单輸出(Ds0)模糊控制器。本章也探讨了模糊控制系统稳定性这个重要问题。模糊控制器设计的启发式特征给闭环系统的稳定性评价带来了困难。在第2章中介绍了一些基于著名的李亚普诺夫稳定性理论设计模糊控制器的方法。本章给出了一种模糊控制器设计方法,它适合于那些能用二阶过程模型来逼近的系统。在研究系统稳定性时,本章也介绍了一种利用状态空间的几何特性设计模糊控制器Ⅵ模糊控制器设计理论与应用的方法。在状态空间简化成相平面的特殊情况(即二阶系统情况)下,论述了这种方法的实际价值。此外,利用模糊数和模糊算法,本章介绍了一种基于模糊李亚普诺夫稳定性准则的概念设计模糊控制器的方法。在本章中,列举范例的目的是要郴助读者更好地理解每一种设计策略。第3章讨论标准模糊控制器设计的主要缺点——它的启发式特征。这种特征使模糊控制器的调节变得极其缓慢和消耗时间,即使采用专门的开发工具也难以改变这种不利的状况。为了克服这一问题,本章介绍了几种易于实现的模糊控制器设计方法,这些方法与着名的控制理论及现存的控制器的综合息息相关:如PID控制算法的模糊仿真、基于模型参考的设计以及使用相平面轨迹的设计。为了更好地评价这些方法,本章将把它们用于实验室的控制过程,并给出了有用的实验结果。这些方法可用于非线性本质稳定时变SISO(单输入单输出〕高阶系统的模糊控制器的自动初始化设置。在选定的操作点上,非线性系统可线性化。在过程工业中,时常能够找到这种系统(如温度、压力、流量、液位、角速度和位置控制)的实例。许多实际的控制系统是非线性的,而且一般运行在连续过程参数变化、操作模式改变和存在外部扰动的条件下。对于常规控制器而言,控制质量通常难以维持在期望水平。第4章讨论使用复杂模糊控制器结构的可能性,例如混合或自适应控制结构。对于上述影响,这种控制结构能使控制质量几乎不发生变化。本章介绍一种混合模糊控制器,除模楔控制器之外,它还包含来自经典控制实践的其他控制元件。一般来说,对于过程参数的变化,混合模糊控制罨比标准模糊控制器具有更高的鲁棒性。当参数极度变化,甚至混合模糊控制器也不能处理时,可使用自适应樸糊控制结构来解决这一问趣。本章出了几种自适应控制设计的方法,其中,模糊模型参考自适应控制( FMRAC)的设计是重点。在最初提出的自适应控制概念中,自适应并不是面向模糊控制器本身,而是面向与模糊控制器相串联的超前滞后补偿罨约参数。本章使用设计范例详细解释和说明了基于积分准则和敏感度模型的超前滞后补偿器参数的自适应。在本章中,也介绍了FMRAC算法的设计。这种算法具有较高的自适应速度,在稳态期间不产生振荡,并且自适应信号可直接加到反馈控制器的输入端或调节反馈控制器的输出值。对于实际的模糊控制器,由于其输入输出受限,因此工作范围也是受限的。本章也给出了一种基于多模糊规则表的自适应技术,便用这种技术可以扩大模糊控制器的工作范围。通过硏读 FMRAC接触力控制和角速度控制的实例,读者能够深刻地理解模糊自适应控制方法。利用模糊逆模型和通常所说的模糊自适应机构的自适应控制策略是启发式的,原因在于它们要求使用者积极参与模糊控制器参数的设置。一种替代的方法是使用稳定且快速收敛的自组织(自学习、自调整)策略自动在线设置模楔控制器原书前营Ⅶ的参数。经典的自调整策略与自学习策略之间的区别在于:前者取决于过程模型,而后者恰恰相反。在第5章中,介绍了几种基于模型参考的自学习方案,它们既有共性又有个性:第一种方案是基于直接李亚普诺夫方法的;第二种方案是具有利用二阶参考模型及模型跟踪误差多项式的学习机制的;第三种方案是基于二阶参考模型和敏感度模型的,这两种模型能够把系统输出的变化与模樹控制器参数的变化联系起来。利用直接李亚普诺夫方法,评价了首个自组织模糊控制系统的稳定性。对于选定的李亚普诺夫函数,获得的稳定条件可用来确定学习系数值。假设使用者能够预见过程增益变化的最大范圄,那么根据经典的霍尔维数稳定准则,基于学习算法,就可以对模糊规则表的旨组织性进行综合。这种学习算法利用了具有位置、速度和加速度分量的三度模型跟踪误差多项式。在系统的每次运行中,基于模型参考和敏感度模型的学习算法都曾使模糊控制器的参数矢量发生改变。学习算法背后的原因是当一个特定的模糊控制器参数对系统的响应影响最大时,就应该改变它。本章还介绍了如何得到DsO(双输入单输出)模糊控制器的敏感度模型,以及如何使用二阶参考模型来替代学习算法中的未知控制过程。一些非线性服系统的实例论证了自学可模糊控制方法的有效性。利用自适应模糊控制器的自组织性,本章再次介绍了多模糊规则表的自适应技术,并将其应用于一个选定的位置伺服系统。在第5章的结尾部分,给出一种自学习PD型模糊控制器。由于存在并行添加的自学习积分项,因此这种控制结构能够补偿由外部扰动所引起的稳态误差。另外,也说明了如何组织积分增益系数的独立学习以及得到了何种实验结果。MATLAB和Sm山lnk是世界上最受欢迎的仿真软件包之一。为了使读者能够测试本书介绍的一些模糊控制器,在第6章中提供了几个模糊控制系统的范例。这包括第4章介绍的混合模糊控制器,以及第5章给出的两种自组织模糊控制審——基于模型跟踪误差多项式和基于敏感庋模型的模糊控制器。自组织模糊控制器被创建为 CMEX S函数 PSLFLC和 SLFLC,它们包含在各自的 MATLAB超模块中。一些与 MATLAB实际示例相关的范例给出了所考虑的模糊控制算法的效果。最后,以一个基于 MATLAB的模糊控制器设计工程的例子—电液伺服系统的仿真模型结束第6章。这个工程极为复杂,它必须处理过程非线性参数和时变过程参数。为了简化读者的工作,这里将给出一些指导和有用的建议。为了说明每章中所介绍方法的实际效果,本书讨论了一些应用,但是第7章仍将专门讨论工业应用,特别针对工业应用中不同的模糊控制器实现技术和不同的实现平台。本章并非罗列众多的应用,这也是一个不可能的任务,而是要着重于一般的模糊控制翠实现方案,这将有助于读者设计和实现自已的模糊控制器。在介绍数字模糊控制器在一些常用平台上实现的同时,如微机、可编程序控制器和工业PC,本章也将更详细地叙述一些选定的应用,以此来说明模糊控制方案Ⅷ模糊控制器设计理论与应用的多功能性—从公路隧道通凤系统到外科手术的麻醉控制。每章的后面均附有一个与本章主题相关的参考文献,为便于查找主题,本书的最后附有索引。许多人对本书做出了大量的贡献。我们感谢那些学生,在他们的专题项目或攻读硕士论文期间所做的一些 MATLAB仿真和实际实验,特别是 Mario balenovi-、Tomislay reichenbach、 Kresimir Petrine、 Mario punch和 Bruno Birgmajer几位博士。在基于工业PC的自适应模糊凝汽水位控制器的实现期间,技术支持工作应归功于克罗地亚 Jertovec热电厂的经理 Dubrayko lukacevi我们也特别感谢德国罗斯托克大学的 Olaf Simanski博士对本书有价值的贡献,他给出了一个麻醉控制系统的例子,该系统利用模糊控制来控制外科手术患者的催眠深度。我们要感谢美国阿灵顿郡德克萨斯大学的 Frank L. Lewis教授,是他最初支持我们构思这本书。我们也要感谢 Robert e.King教授,是他对本书著作期间的内容、风格以及一当其他重要的事项给出了开放和睿智的评论。最后,我们要感谢我们亲爱的家人,特别是我们的妻子 Dubravka和 Jasenka,正是由于她们不断地支持和鼓励,才促使我们完成这一著作。作者简介Zdenko Kovacic分别于1981年、1987年和1993年在克罗地亚萨格勒布大学获得电子工程学士、顾士和博士学位。现为萨格勒布大学电子工程和计算机学院控制与计算机工程系的副教授,主任。主要研究领域包括机器人技术、柔性制造系统、智能控制、自适应控制、最优控制和人工智能控制。1990~1991年曾在美国弗吉尼亚工学院和州立大学的 Krishnan ramu教授的运动控制实验室从事研究工作。曾主持和参加过多项国际,以及克罗地亚政府资助的研究开发项目并成为克罗地亚工业合作伙伴。他曾合作出版著作《机器人基础》(在克罗地亚),并在书籍、杂志及国内外会议上合著或独著发表众多论文。同时他也是IEE和KOREMA(克罗地亚通信、计算机、电子、测量和控制学会)的会员,克罗地亚机器人协会的奠基人和副会长。Stjepan Bogdan分别于1990年、1993年和1999年在克罗地亚萨格勒布大学获得电子工程学士、顾士和博士学位。现为萨格勒布大学电子工程和计算机学院的助理教授。主要研究领域包括机器人技术、柔性制造系统(FMS)、离散事件系统、智能控制、自适应控制、时间最优控制和电气传动控制。1996~1997年获得 Fulbright奖学金,曾在美国徳克萨斯大学的 Frank L lewis教授的自动化和机器人研究所从事研究工作。曾主持和参加过多项工业和政府资助的研究开发项目。他曾合作出版《机器人基础》(在克罗地亚),并在杂志及国内外会议上合著发表众多论文。他也是 KOREMA、克罗地亚机器人学会、IEE和 SigmaⅪi的会员。