導語：ＭＷＣ計算機系統(tǒng)研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文研究在研究"MWC卷煙平均重量控制系統(tǒng)"的總體方案，闡述了系統(tǒng)總體設計、硬件設計和軟件設計；并且通過模糊自動控制原理的分析和模糊控制器的設計，將模糊控制應用于煙重控制系統(tǒng)中，并針對卷煙機的卷煙平均重量自動控制。文中用于控制煙重的新的模糊控制算法，可作為一種通用的控制算法。算法涉及模糊控制器的輸入／輸出?？刂破饔闷骄亓康钠詈妥兓蕘砭S持一個恒定的輸出煙重。

關鍵詞：平均重量控制器、模糊控制、自調(diào)整算法

【"MWC計算機模糊控制系統(tǒng)"簡介】

新型"煙棒生產(chǎn)線實時重量檢測控制系統(tǒng)"是南京智能技術研究所和本文作者聯(lián)合研究設計、協(xié)作研制開發(fā)的一個科研項目。它是卷煙生產(chǎn)流水線的核心設施，能用于生產(chǎn)中進行性能測試、成品質(zhì)量抽撿、采集和處理數(shù)據(jù)、控制生產(chǎn)等工作的配套綜合系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)的使用、微機化數(shù)字儀表的研制以及先進的模糊控制技術的應用，必將使該系統(tǒng)能在實用、可靠的基礎上，同時具備性能優(yōu)越、技術先進、操作靈活、維護方便等特點，它也應當成為新型卷煙生產(chǎn)流水線的最佳選擇。

在卷煙平均重量集散微機測控系統(tǒng)中，采用了先進的模糊控制器作為卷煙平均重量控制器，該控制器在響應快、超調(diào)小、對參數(shù)變化不敏感等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)控制的控制效果。本系統(tǒng)中對于煙重等環(huán)節(jié)所采用的先進的模糊控制方法，將把卷煙平均重量測控系統(tǒng)推向新的高度。

§1MWC模糊控制器總述（實用的模糊微機控制系統(tǒng)）

在卷煙平均重量控制系統(tǒng)（MWC）中，對于煙重等控制對象，采用了一種新的控制算法──自調(diào)整模糊控制算法，它以重量偏差及其變化率為輸入，平整電機轉(zhuǎn)速為輸出，在總結熟練的技術工人的豐富經(jīng)驗的基礎上，制定模糊控制規(guī)則，應用模糊推理合成規(guī)則，計算出用于該控制回路實時控制的基本模糊控制器查詢表；同時為獲取較好的控制效果，采用了在線自動調(diào)整量化因子和比例因子的結構模式。該算法具有良好的跟蹤性能和抗擾動性能，可作為一種通用的控制算法。

MWC模糊控制器方框圖如圖1所示。

離線模糊Fuzzy算法

圖1MWC模糊控制器總框圖

圖1中，輸出值Y是與紅外線檢測器實測煙重對應的數(shù)字量，S是卷煙生產(chǎn)過程所要求的卷煙平均重量值（數(shù)字量），計算機將Y值與給定值S相比較，得出煙重偏差數(shù)字量e，經(jīng)計算機處理可以取得偏差變化的數(shù)字量c（c＝ei－ei－1，其中ei－1為前次的偏差；ei為本次的偏差），e與c作為模糊控制器的輸入，模糊控制器輸出的控制量是應當調(diào)節(jié)的數(shù)字量d，d對應著平整電機的轉(zhuǎn)速、方向及步數(shù)。其中，

煙重基準值為S＝MW（mg），

偏差測量值范圍為±e（e＝過重極限－控制極限）（mg），

重量偏差變化率為±c（c＝MW×1％）（mg），

步進電機轉(zhuǎn)速控制范圍為±d。

根據(jù)控制規(guī)則，可以求出對應的模糊關系R，有了R，對于A和B的任何值，通過模糊算法（合成推理規(guī)則），可以求出對應的輸出變量C的值，再用加權平均法就可求出相應的執(zhí)行量z。

如上所述，對于A和B的每一組值，都可求出相應的執(zhí)行量z，但是這種計算是相當繁瑣的，計算量很大，不能立即做出反應，不適于實時控制?？朔@一缺點的解決方法是：可以離線（即事先）先做模糊決策表（又叫查詢表、控制表、如表6－6所示），并將此表輸入計算機。在控制過程中，計算機把采樣后經(jīng)變換得到的輸入x和y，與表6－6的行與列比較，可立即得出執(zhí)行量z。

因此，實際模糊控制（算法）分為"在線"和"離線"兩部分。

§2模糊控制器的結構設計（算法預處理）

一、確定語言變量、語言變量的基本論域

根據(jù)MWC控制方案，選取基本模糊控制器的輸入語言變量為重量偏差

WE、重量偏差變化率WC，輸出語言變量為平整電機轉(zhuǎn)速WD。

重量偏差WE的基本論域為〔－e，＋e〕，

重量偏差變化率WC的基本論域為〔－c，＋c〕，

平整電機轉(zhuǎn)速WD的基本論域為〔－d，＋d〕。

二、選擇模糊狀態(tài)（語言變量WE、WC、WD的語言值）－－描述詞匯

WE＝{太輕，輕，較輕，正常，較重，重，太重}，

簡記為{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；

WC＝{很快，快，稍快，正常，稍慢，慢，很慢}，

簡記為{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；

WD＝{正大，正中，正小，保持，負小，負中，負大}，

簡記為{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}；

三、定義模糊集（語言變量WE、WC、WD所取的模糊集合的論域）

1．將在基本論域內(nèi)連續(xù)變化的WE、WC、WD離散化（即量化）后分成

Ne（3）、Nc（3）、Nd（4）級（檔）。

2．語言變量WE、WC、WD所取的模糊集合的論域：

WE所取的模糊集合的論域X＝{－Ne，…，0，…，＋Ne}，

WC所取的模糊集合的論域Y＝{－Nc，…，0，…，＋Nc}，

WD所取的模糊集合的論域Z＝{－Nd，…，0，…，＋Nd}。

四、確定量化因子和比例因子

1．重量偏差WE的量化因子

NeKe＝━━━e

2．重量偏差變化率WC的量化因子

NcKc＝━━━c

3．平整電機控制轉(zhuǎn)速WD的比例因子

dKd＝━━━Nd

五、建立語言變量賦值表

在確定語言變量的基本論域以及論域元素量化等級后，語言變量中各模糊子集的隸屬函數(shù)取正態(tài)型分布函數(shù)或按均勻型分布函數(shù)，在此基礎之上，建立語言變量的賦值表。

表2語言變量WE賦值表

隸屬度/X

語言值

-3-2-10+1+2+3PL

PS

ZE

NS

NL

1

0.5

0.5

0.5

1

1

1

0.5

0.5

0.5

1

表3語言變量WC賦值表

隸屬度/X

語言值

-3-2-10+1+2+3PL

PS

ZE

NS

NL

1

1

1

1

1

1

1

表4語言變量WD賦值表

隸屬度

語言值

-4-3-2-10+1+2+3+4PL

PS

ZE

NS

NL

1

0.5

0.5

1

0.5

0.5

0.5

1

1

0.5

0.5

1

六、確定模糊控制狀態(tài)表（提取、制定模糊控制規(guī)則）

根據(jù)上述各語言變量賦值表，基于操作者的實踐經(jīng)驗，通過操作者手動控制策略的總結，為卷煙平均重量控制系統(tǒng)構造模糊控制規(guī)則（模糊模型）。即把代表控制規(guī)則的模糊條件語句簡寫為模糊控制狀態(tài)表。

表5模糊控制規(guī)則表

WC

WD

WEB1

NLB2

NSB3

ZEB4

PSB5

PLA1NL

A2NS

A3ZE

A4PS

A5PL

PL

PL

PS

PS

O

PL

PS

O

NS

NL

PS

O

NS

NS

NL

O

NS

NS

NL

NL

C11－C17

C31－C37

C41－C47

C61－C67

C81－C87

§3模糊控制器的算法設計

一、模糊算法（離線部分）

模糊算法由模糊化、合成算法、判決三步組成。

1．輸入模糊化

查找語言變量WE和WC的賦值表，找出測量值e、c的量化值x、y上與最大隸屬度對應的語言值所決定的模糊集合A、B。模糊集合A、便代表確定數(shù)e、c的模糊化。

〖例如〗根據(jù)系統(tǒng)偏差測量值e（確定數(shù)）計算出x＝＋3；查找偏差WE賦值表，在＋3級上的隸屬度0．5、0．7、0．1中間求取與最大隸屬度0．7對應的語言值PM的模糊集合PM為PM＝0．2／2＋0．7／3＋1／4＋0．7／5＋0．2／6

模糊集合PM便是確定數(shù)e偏差的模糊化。

2．模糊算法器（合成算法）

1）模糊控制規(guī)則

在MWC系統(tǒng)的控制器中，模糊控制規(guī)則的一般形式為

ifWE＝AiandWC＝BjthenWD＝Ck

（用復合條件語句表示為：若Ai且Bj則Ck）

應用模糊集合的運算規(guī)則，可求出模糊關系R：

R＝R1∪R2∪…∪Rm×n

式中

R1＝DT1×Cφ(1,1)，D1＝A1×B1

．．．．．．

Rm×n＝DTm×n×Cφ(m,n)，Dm×n＝Am×Bn

即

R＝∪（Ai×Bj×Ck）

i∈I

j∈J

＝∪〔Ai×Bj×Cφ(i,j)〕

i∈I

j∈J

"×"運算的含義由下式定義：

i＝m，j＝n

μR（x，y，z）＝∨〔μAi（x）∧μBj（y）∧μCk（z）〕

i＝1，j＝1

i＝m，j＝n

＝∨〔μAi（x）∧μBj（y）∧μCφ(i,j)（z）〕

i＝1，j＝1

其中：

X、Y、Z分別是偏差WE、偏差變化率WC、控制量WD的論域；

Ai，Bj，Ck分別是論域X，Y，Z上的模糊集，

也分別是偏差WE、偏差變化率WC及控制量WD的語言值；

i∈I＝{1,2,…,m}，j∈J＝{1,2,…,n}，k∈K＝{1,2,…,m*n}；

∨x∈X，∨y∈Y，∨z∈Z。

2）模糊算法

用模糊推理合成規(guī)則（CRI法）算出模糊控制器輸出的控制量WD，設控制規(guī)則對應的模糊關系為R，輸入分別取模糊集為WE＝A，WC＝B，則輸出的控制量的變化WD為模糊集C

〖WD〗C＝（A×B)oR（o表示模糊關系的合成）

即μC（z）＝∨μR（x，y，z）∧〔μA（x）∧μB（y）〕

x∈X

y∈Y

〖根據(jù)上式，每一條控制規(guī)則可求出相應的C1，C2，…，Cm×n

控制C為C＝C1＋C2＋…＋Cm×n〗

3．模糊判決

根據(jù)模糊輸出C來確定控制量WD的具體數(shù)值z（確切值）。

方法：（加權平均法，取隸屬度作為權系數(shù)）

設C＝C（Z1）／Z1＋C（Z2）／Z2＋…＋C（Zn）／Zn，

則確定執(zhí)行量的公式

n

∑C（Zi）×Zi

i＝1

z＝

━━━━━━━━━━━n

∑C（Zi）

i＝1

〖小結〗

如果系統(tǒng)的偏差為論域X中的元素xi，偏差變化率為論域Y中的元素yj，根據(jù)上述算法，可以算出相應的控制量的變化zij。結合表2、3、4、5經(jīng)計算機大量計算，對論域X、Y中全部元素的所有組合都計算出相應的以論域Z元素表示的控制量變化值，并寫成矩陣（zij）p×q。即得到如表6所示的控制表，將表中的數(shù)據(jù)存放到過程控制計算機的內(nèi)存中，便可在線使用。（矩陣即為模糊控制器的查詢表。）

表6模糊控制器查詢表

c(yj)

d(zij)

e(xi)－3－2－10＋1＋2＋3－3

－2

－1

＋1

＋2

＋3

4

3

2

1

1

1

4

3

2

1

1

-1

3

3

2

1

-1

-1

3

2

1

-1

-3

-4

2

1

-1

-2

-3

-4

1

1

-2

-2

-3

-4

1

-1

-1

-2

-3

-4

－3│4433210

－2│333210-1

－1│22210-1-1

0│1110-1-2-1

＋1│110-1-2-2-2

＋2│10-1-3-3-3-3

＋3│0-1-1-3-3-4-4

━━━━━━━━━━┷━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

二、實時控制查表算法（在線部分）

1．輸入量（實測值）的等級量化

將實測偏差e轉(zhuǎn)化成論域X的某一元素x：

設X＝{－Ne，…，0，…，＋Ne}，Ke為量化因子，

則下列三種情況必居其一：

（1）l≤Ke＊e≤l＋1，l〈Ne

（2）Ke＊e〈－Ne

（3）Ke＊e〉Ne

對于情況（2）及（3），分別將e量化為－Ne與Ne。

對于情況（1），

若l≤Ke＊e〈l＋1／2，則將e量化為l；

若l＋1／2≤Ke＊e〈l＋1，則需將e量化為l＋1。

同理可得，精確量偏差變化率c在論域Y上轉(zhuǎn)化后的某一元素y。

2．查詢模糊決策表

將變換得到的輸入x與決策表的行比較，將變換得到的輸入y與決策表的列比較，

得出輸出量相應級別z。

3．輸出量的精確化

將輸出量z轉(zhuǎn)化為實際控制輸出量d，

轉(zhuǎn)化公式d＝Kd×z。

三、自調(diào)整控制與系統(tǒng)性能分析（改善）

為了獲取較好的控制效果，在上面設計的基本模糊控制器采用在線自動調(diào)整量化因子Ke、Kc和比例因子Kd的結構模式。即

1．當偏差e較大時，減小Ke與Kc與增大Kd，以快速減小e；

2．當偏差e較小時，系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，需要大分辨率以提高系統(tǒng)的控制精

度以及提高系統(tǒng)的阻尼程度，應增大Ke與Kc，同時減小Kd。

〖結論〗"卷煙平均重量控制系統(tǒng)"模糊控制實現(xiàn)與效果

本系統(tǒng)通過微型計算機的模擬仿真，根據(jù)上述控制方案實現(xiàn)了模糊控制；并且根據(jù)采集到的信息，可方便地修改量化因子和比例因子，監(jiān)測煙機工況和及時發(fā)出報警信號。

通過對"卷煙平均重量控制系統(tǒng)"實現(xiàn)計算機模糊控制的技術分析，它將有助于提高產(chǎn)量與質(zhì)量、提高煙機穩(wěn)定性，降低煙耗且經(jīng)濟效益明顯，能達到比較理想的控制效果；其投資少、效益大，具有廣闊的推廣應用前景。

【參考文獻】

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〖4〗郭宗祥，楊鴻銓．《模糊信息處理基礎》．成都電訊工程學院出版社．

〖5〗吳萬鐸，吳萬釗．《模糊數(shù)學與計算機應用》．電子工業(yè)出版社．

〖6〗馮德益，樓世博等．《模糊數(shù)學方法與應用》．地震出版社．

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