多变量模糊逻辑控制系统的设计及其应用

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1、中图分类号——学校代码!Q墨墨墨UDC——密级坌五博士学位论文多变量模糊逻辑控制系统的设计及其应用DesignandApplicationofaMulti—-VariableFuzzyLogicControlSystem作者姓名：任耀庆学科专业：机械工程研究方向：智能控制理论与应用学院(系、所)：机电工程学院指导教师：李涵雄副指导教师：论文答辩日期丝!丝芝旦墨p答辩委员会主席中南大学2013年5月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过

2、的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：越日期：丝年上月丘日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。储虢燃聊签磋塑b：近年么月厶曰多变量模糊逻辑控制

3、系统的设计及其应用摘要：在实际工业过程中，很多系统是多入多出系统，例如多连杆机器人和探针扫描显微镜的探针运动等。此外，分布参数系统的状态和控制既与时间有关，又与空间有关，也叫时空耦合系统，例如扫描探针显微镜的微悬臂和催化反应棒等。分布参数系统本质上是无穷维系统，对于这类系统的控制，通常运用一些有限维近似建模方法，将分布参数系统就转换为多入多出系统，同时带来较大的建模误差。此外，这些系统中通常都含有未知非线性和扰动等不确定性因素，因而建立系统的精确数学模型非常困难，这样传统的PID控制器等用于控制这些系统很难达到理想的效果。近年来发展起来的智能控制方法，比如模糊控

4、制器就能减少对数学模型的依赖。然而直接运用多个模糊逻辑控制器来控制这些子系统需要根据专家的经验设计多个隶属函数和多个规则库，这样的设计方法相对比较复杂。针对以上问题，本文的主要工作集中在以下几个方面：(1)建立了多变量模糊逻辑控制系统针对所有的子系统仅采用一个隶属函数，通过比例因子来调整其它子系统的隶属函数，并且引入模糊矩阵理论来设计多变量模糊逻辑控制系统。该控制系统的设计不需要按照专家的经验根据每个子系统来设计隶属函数，同时，该设计方法也只采用一个规则库。在设计上可以看成是传统的模糊逻辑控制系统扩展成为多变量模糊逻辑控制系统，并且设计方法比较简单。(2)设计了

5、多变量模糊逻辑控制器，并推导出解析模型引用一个推理机制来推导出多变量模糊逻辑控制器的解析模型，建立了多变量模糊逻辑控制和传统PID控制参数之间的关系，从而PID控制器的参数整定方法可用来设计多变量模糊逻辑控制器的比例因子(参数)，此外解析模型可以用来研究控制系统的稳定性。(3)提出了多变量模糊逻辑控制器基于PID的参数整定方法针对稳定系统采用内模控制的参数设计方法来整定参数。针对不稳定系统，采用增益裕度和相位裕度来整定参数。针对多入多出系统，先将系统解耦，转化为多个单入单出系统，多变量模糊逻辑控制器用于控制解耦后的系统，PID控制器的参数用于设计多变量模糊逻辑控

6、制器的参数。针对分布参数系统，本文先将其时空变量分离，运用Galerkin方法得到分布参数系统的有限维近似模型，然后根据近似模型设计多变量模糊逻辑控制器，再根据空间基函数合成时空控制器来控制分布参数系统，该方法考虑了系统足够的空间信息。通过仿真表明这些设计方法都是非常有效的。(4)研究了多变量模糊逻辑控制器的智能参数调节方法运用神经网络来辨识多入多出系统中的未知量，采用梯度下降来自适应调节多变量模糊逻辑控制器的比例因子，通过仿真可以看到该方法行之有效。针对分布参数系统，运用粒子群优化算法设计了多变量模糊逻辑控制器的参数，取得了理想的控制效果。此外，根据多变量模糊

7、逻辑控制器的数学模型，将其应用于分布参数系统控制的稳定性进行了分析，给出了多变量模糊逻辑控制器控制分布参数系统的稳定条件。(5)扫描探针显微镜的探针在空间运动是一个多入多出系统，运用多变量模糊逻辑控制器对探针运动进行控制，取得了比传统PID控制器更好的控制效果，从而验证了多变量模糊逻辑控制器设计的有效性。关键词：多变量模糊逻辑控制器；解析模型；多入多出系统；分布参数系统；参数整定；智能调节；扫描探针显微镜；分类号：621图：61个；表格：25个；公式：215个；DesignandApplicationofaMulti—VariableFuzzyLogicCont

8、rolSystemAbs