高精度模糊控制策略研究及应用

论文摘要

模糊控制器以其结构简单、鲁棒性强、不需要被控对象的数学模型以及粗调快速等优点被广泛应用。但是,常规模糊控制器也存在控制精度不高、“调节死区”等问题。本文通过对普通模糊控制器插值机理的研究,从插值的角度用两种方法研究高精度模糊控制策略,使其逼近真实控制函数。最后,使用高精度模糊控制器对水轮机调速系统和连铸结晶器液压伺服系统进行计算机仿真研究,证明其可行性。论文的主要内容如下: 1.通过分析常规双输入单输出模糊控制器的插值机理,指出影响模糊控制器插值精度的根本原因,是在插值的意义下,作为模糊推理前件的模糊集恰好是插值的基函数,由插值得到的控制函数是否充分逼近真实控制函数,取决于这些模糊集峰点之间的距离是否充分的小。 2.分析了双输入单输出模糊控制器与PD(PI)、PID调节器的关系,指出模糊控制器是通过“原点”的分片二次曲面,具有非线性调节规律,找到了提高模糊控制器精度的关键点是如何提高“原点”附近的插值精度;证明了控制规则的单调性等价于控制函数的单调性。 3.提出了微偏差范围内递归自调整量化因子和比例因子算法以及弹性变论域算法。利用ITAE指标最小原则和对模糊控制规则相容性系数的评价优化高精度模糊控制策略控制规则库;提出了微偏差范围的经验值为总论域的1/3～1/5;设计了算法的程序流程;证明了弹性变论域模糊控制器中伸缩因子的严密性;提出伸缩因子指数取值范围τ∈(0.1,0.3)。 4.建立了水轮机调节系统、连铸结晶器电液伺服系统的仿真模型,并且分别用PID控制器、普通模糊控制器和高精度模糊控制器对其进行了仿真研究,通过调试确定了高精度模糊控制器重要参数,验证高精度模糊控制器的优良特性。 5.提出了高精度模糊控制策略有待进一步解决的问题和工程应用的前景。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 复杂控制系统的特点及对控制策略的要求
• 1.2.1 水轮机调速系统的特点及发展
• 1.2.2 电液伺服系统的特点
• 1.2.3 复杂控制系统对控制策略的要求
• 1.3 复杂对象控制策略的现状与发展
• 1.4 高精度模糊控制研究综述
• 1.4.1 模糊控制理论发展概况
• 1.4.2 高精度模糊控制策略综述
• 1.5 本论文研究的思路与主要内容
• 1.5.1 论文的研究思路
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 高精度模糊控制算法可行性研究
• 2.1 常规模糊控制的插值机理及误差估计
• 2.1.1 模糊控制的插值机理
• 2.1.2 双输入单输出分片插值器
• 2.1.3 分段线性插值器的逼近精度
• 2.2 模糊控制器与PID调节器的关系
• 2.2.1 单输入单输出模糊控制器与P调节器的关系
• 2.2.2 双输入单输出模糊控制器与PD和PI调节器的关系
• 2.2.3 三输入单输出模糊控制器与PID调节器的关系
• 2.3 高精度模糊控制器的设计原则
• 2.4 微偏差范围内递归自调整算法可行性研究
• 2.4.1 算法描述
• 2.4.2 几个问题的引出
• 2.5 弹性变论域算法的可行性研究
• 2.5.1 问题的提出
• 2.5.2 规则的单调性与控制函数的单调性
• 2.5.3 弹性变论域的伸缩因子
• 2.5.4 弹性变论域模糊控制器的稳定性分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 高精度模糊控制器的模型研究
• 3.1 高精度模糊控制器规则库的建立
• 3.1.1 模糊控制模型的完备性和相容性
• 3.1.2 模糊集的相容性系数及其相容性
• 3.1.3 模糊控制规则相容性评价方法
• 3.1.4 模糊控制规则的优化方法
• 3.2 微偏差范围内递归自调整算法设计和研究
• 3.2.1 微偏差范围递归使用的控制规则库的建立
• 3.2.2 微偏差中心区域的研讨
• 3.2.3 量化因子、比例因子研究
• 3.2.4 微偏差范围递归算法流程设计
• 3.2.5 最大递归调整次数的讨论
• 3.3 基于弹性变论域的模糊控制模型研究
• 3.3.1 弹性变论域模糊控制器规则库的建立
• 3.3.2 弹性变论域模糊控制器伸缩因子的构造
• 3.3.3 弹性变论域模糊控制器的结构
• 3.3.4 弹性变论域模糊控制器算法流程设计
• 3.4 高精度模糊控制器误差估计
• 3.5 两种高精度模糊控制器模型的比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 高精度模糊控制策略在水轮机调节系统中的应用
• 4.1 水轮机调节系统简介
• 4.2 水轮机调速系统分析
• 4.2.1 水轮机电液调速系统的组成
• 4.2.2 电液随动系统的传递函数
• 4.3 水轮机调节系统调节对象传递函数
• 4.4 高精度模糊控制器在水轮机调节系统中应用
• 4.4.1 高精度模糊控制规则库的建立和优化
• 4.4.2 两种高精度模糊控制器在水轮机调节中应用的仿真模型初步设计
• 4.4.3 水轮机调节仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 高精度模糊控制策略在连铸结晶器电液伺服控制系统中的应用
• 5.1 连铸结晶器电液伺服系统简介
• 5.2 连铸结晶器电液伺服系统的模型研究
• 5.2.1 数学模型的建立
• 5.2.2 电液伺服系统参数的确定
• 5.3 连铸工艺对给定振动波形规律的要求
• 5.4 高精度模糊控制器的设计及仿真分析
• 5.4.1 模糊控制规则库的建立和优化
• 5.4.2 SIMULINK仿真模型设计
• 5.4.3 基于普通模糊控制器的仿真
• 5.4.4 基于微偏差范围内递归自调整算法的模糊控制器仿真
• 5.4.5 基于弹性变论域的模糊控制器设计及仿真
• 5.4.6 两种高精度控制器仿真结论
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 今后努力方向
• 6.3 高精度模糊控制策略的应用前景展望
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间公开发表的学术论文
• 致谢