1、摘 要本科毕业论文（20 届）家 用 电 器 自 适 应 模 糊 控 制 系 统 的 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要摘 要模糊控制就是采用模糊控制器对被控对象进行自动控制的方法，家电中被控对象的规律是及其复杂的，很难用数学语言的形式加以表达，所以人们一直致力于家电模糊控制器的研究。尽管家用电器的品种很多，控制目标各异，但模糊控制器的设计方法却有很多相似之处。本文从实际出发，对当今在家用电器电饭锅中应用较为广泛的自适应模糊控制进行了深入研究，介绍了电饭锅的自适应模糊控制系统的设计方案。近几年来，伴随着人们生活水平的不断提高，对各种家用电
2、器的需求不断增加，温度控制技术在家用电器中的地位越来越重要。在某种程度上，温度已经成为我们控制系统所必须考虑的重要因素之一。由于温度系统具有滞后现象严重等非线性的特点，很难建立精确的数学模型，这就给控制过程带来很大的困难，无法实现高精度的控制作用。本文以电饭锅的温度为研究对象，研究了一种可靠的控制方案，即是采用带有调整因子的自适应模糊控制器。以此达到系统输出响应快、调节时间短、超调量小、控制精度高，而且还具有较强的适应系统内部参数变化和抵抗外部扰动的能力的要求。最后利用 MATLAB 软件中中的 Simulink 仿真环境和 Fuzzy 工具箱进行仿真研究。关键词：电饭锅温度控制,自适应模糊控
3、制,仿真AbstractAbstractFuzzy control is a fuzzy controller for automatic control of the controlled object , the law of the controlled object in the home appliance and its complexity , it is difficult to be expressed in the form of a mathematical language , so people have been to home appliances fuzzy c
4、ontroller study . Despite the many varieties of household electrical appliances , control objectives vary , but the fuzzy controller design method , there are many similarities . From reality, and today is widely used in household appliances rice cookers adaptive fuzzy control conducted in-depth stu
5、dy on the rice cooker adaptive fuzzy control system design.In recent years, along with the continuous improvement of peoples living standards , increasing demand for a variety of household appliances , temperature control technology is becoming increasingly important in household appliances .In a wa
6、y, the temperature has become an important factor in our control system must be considered .The temperature system has serious hysteresis characteristics of the nonlinear , it is difficult to establish a precise mathematical model , which cause great difficulties to the control process , and can not
7、 achieve high precision control .To the temperature of the rice cooker , a reliable control scheme , that is, using the adaptive fuzzy controller with adjustment factors .System output in order to achieve fast response , short adjustment time , small overshoot , high control precision , but also has
8、 strong adaptation within the system parameter variations and the ability to resist external perturbations .Finally, the Simulink simulation environment and Fuzzy Toolbox in MATLAB software simulation study .Keywords: rice cooker temperature control , adaptive fuzzy control , simulation目 录目 录摘要.ABST
9、RACT.目录.第一章 引言.11.1 研究背景.11.2 研究现状.11.3 研究意义.21.4 研究任务及内容.3第二章 模糊控制理论基础.42.1 模糊数学基础.42.1.1 模糊集合.42.1.2 常用隶属函数.42.1.3 模糊推理.52.2 模糊控制原理.52.3 模糊控制器的组成.62.4 模糊控制器的结构.8第三章 自适应模糊控制系统.103.1 自适应模糊控制器的分类.103.2 自适应模糊控制器的结构.113.3 自适应模糊控制器的工作原理.123.4 量化因子和调整因子对模糊控制器的影响.143.5 几种自适应模糊控制器的方案.15第四章 电饭锅温度自适应模糊控制系统的设
10、计.184.1 电饭锅自适应模糊控制系统的结构.184.2 基于调整因子自适应模糊控制器的设计.184.2.1 输入输出的选择及其模糊化.194.2.2 隶属函数.20目 录4.2.3 模糊控制规则.214.2.4 自适应模糊控制算法.214.2.5 反模糊化.224.3 控制系统仿真.224.3.1 仿真工具介绍.224.3.2 仿真.24结论.27参考文献.28致谢.29第 一 章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 研究背景模糊理论是在美国柏克莱加州大学电气工程系 L.A.Zadeh 教授于 1965 年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理
11、和模糊控制等方面内容。L.A.Zadeh 教授在 1965 年发表的 Fuzzy Set 论文中首次提出表达事物模糊性的重要概念隶属函数。模糊控制理论的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的算法。但它的控制输出却是确定的，它不仅能成功的实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构成数学模型的对象进行控制。 “模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解、与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性。 “模糊控制”的特色就是一种“语言型”的决策控制 1。模糊控制技术于 80 年代中期开始应用到家用电器中, 近三十多年得到迅速发展, 主要原因有二：一是随着
12、微电子技术的不断进步, 家用电器的自动化智能化程度越来越高, 各类传感器的迅速发展和微控制器的广泛应用, 给模糊控制技术的实施奠定了技术基础。二是在家用电器的自动化智能化的设计过程中, 往往没有办法建立精确的数学模型及实施精确的控制, 家用电器中有相当一部分是代替人进行家务操作的, 比如洗衣、做饭等, 人可以凭经验做得很好, 但是却无法建立该过程的精确数学模型，以便机器也能凭此数学公式做出同样的判断去操作。因此要机器代替人去具体实现某操作时, 只能是一种模糊控制过程。另一方面家用电器中的许多控制也没必要进行精确控制,因为许多控制量往往只不过是人的感觉, 如热与冷、快与慢、风大与风小、干净与脏等
13、本身就是模糊概念。 正因为上述原因, 模糊控制技术在家用电器上得到极广泛的应用, 正成为家用电器实现自动化、智能化、信息化的过程中不可缺少的控制技术之一。 1.2 研究现状第 一 章 引 言- 2 -目前模糊控制技术已广泛应用于各种家用电器上，开发了具有模糊控制器全部功能的大规模集成电路芯片，特别适用于快速的模糊控制应用。模糊控制技术不断发展，其应用范围也不断扩大。从 80 年代中后期开始，模糊控制进入了实用化阶段，大量的模糊产品问世，推动了模糊控制技术发展的新高潮。模糊控制技术有许多直接应用。例如家电产品方面，日本、韩国、台湾省、香港等国家和地区出现了 “模糊热” ，洗衣机、吸尘器、电饭锅、
14、干燥机、热水器、电视机、收音机、冰箱、微波炉等都有使用模糊控制的例子 2。近几年来, 模糊控制技术日益成熟, 并在空调器、洗衣机、微波炉、电冰箱、吸尘器、电饭煲及抽油烟机等多种家用电器上应用。当前日益完善的传感器 技术为采集信息提供了控制精度的保证, 微处理器的迅速发展及嵌入式软件的推广也促进了模糊控制的进一步发展, 这些都为家用电器的智能化、信息化提供了有力的技术支撑。可以说，模糊控制是模糊数学应用最广泛、最成功的领域。国际著名的白控专家认为模糊控制是 21 世纪的控制技术，在将来的控制应用中会占有 20的比例。我们相信随着时间的推移，随着模糊控制技术研究的进一步深入其应用会越来越广阔。当然
15、，模糊控制无论在理论上和实用上都是一门“年轻”的科学，正处于不断完善的进程之中，不像经典控制理论和现代控制理论皆已形成了较完善的理论体系。同时，正因为它的不完善和正在发展，说明它具有很大的发展潜力 3。1.3 研究意义在自动控制中，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（如微分方程等）的基础上，但是在实际生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂。建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。这种情况下模糊控制的诞生就显得意义重大，模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制
16、4。模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精第 一 章 引 言- 3 -确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，实现起来可靠，控制过程与人的思维方式一致等优点。这正好满足了电饭锅实现全自动功能的需要。1.4 研究内容及任务本文的研究目标是：在广泛阅读国内外文献资料的基础上，对相关的文献与资料作出了详细的研究分析，并结合以前所学知识，形成自己的一套控制方案。在分析了几种自适应模糊控制方案之后，采用了基于调整因子自寻优的自适应模糊控制器这一方案，来完成对于电饭锅温度的自适应模糊控制系统
17、的设计，最后在 Matlab 软件中的 Simulink 仿真环境下进行仿真研究。本文需要进行以下几个方面的工作：(1)通过学习模糊数学基础知识，了解模糊控制的相关概念、基本理论；简要介绍了模糊控制的原理以及模糊控制器的组成；(2)明确电饭锅温度控制系统的设计思路，确定控制方案；了解自适应模糊控制系统的各个参数对系统响应的影响；(3)温度自适应模糊控制器的设计，根据实际需要，选择了合适的模糊控制器的结构和模糊控制规则；设计出系统仿真图，并用仿真软件MATLAB/SIMULINK 对系统进行仿真研究。(4)对本文进行总结，总体分析自适应模糊控制并得出结论。第 二 章 模 糊 控 制 理 论 基
18、础- 4 -第二章 模糊控制理论基础2.1 模糊数学基础基础2.1.1 模糊集合1.模糊集合定义集合 A 由 0 到 1 之间的连续实数值组成。0.,xRx为了表示模糊概念，需要引入模糊集合和隶属函数的概念：(2-1) AxxA0)1,(的 程 度属 于其中 A 称为模糊集合，由 0,1 及 构成， xA 表示元素 x 属于模糊集合 A 的程度，取值范围为0,1，称 A 为 x 属于模糊集合 A 的隶属度。2.模糊集合表示(1)模糊集合 A 由离散元素构成，表示为： ixx/21或 ),(,),(,21i(2)模糊集合 A 由连续函数构成，各元素的隶属度就构成了隶属度函数（Membership
19、 Function） ，此时 A 表示为：(2-2) x/)(模糊集合是以隶属函数来描述的，隶属度的概念是模糊集合理论的基石 5。第 二 章 模 糊 控 制 理 论 基 础- 5 -2.1.2 常用隶属函数隶属函数是模糊数学中非常重要的概念，它决定着模糊集的模糊性。下面几种隶属函数式常用的隶属函数 6：1.三角形 xA (2-3)其 他,0,/cxbca2.梯形 (2-4)其 他,0,/,1,/)(dxcdbxuA3.正态形 A (2-5)2)/(baxe2.1.3 模糊推理 常用的有两种模糊条件推理语句：If A then B else C；If A AND B then C下面以第二种推理语句为例进行探讨，该语句可构成一个简单的模糊控制器，如图所示。 A CB 图 2-1 量输入单输出模糊控制器其中 A，B，C 分别为论域 x，y，z 上的模糊集合，A 为误差信号上的模糊子集，B 为误差变化率上的模糊子集，C 为控制器输出上的模糊子集。模糊推理语句“If A AND B then C”确定了三元模糊关系 R，即：R=(AB)T1C (2-6)其中(AB)T1 为模糊关系矩阵 (AB) (mn)构成的 mn 列向量，n 和 m 分别为 A 和 B 论域元素的个数 7。模糊控制器 R
