2.1　模糊控制系统的基本结构及控制原理

在人们的社会实践中，存在着许多难以用经典数学来精确描述的现象。例如， “好”“坏”“长”“短”“一大堆”“一小撮”“绵绵细雨”“倾盆大雨”“物美价廉”“地大物博”等概念。它们都有一个共同的特点，即没有边界，没有尺度可直接衡量。为此，将这些没有严格的界限划分，又很难用精确的尺度及模型描述的现象统称为模糊现象。

没有明确界限的概念，称为模糊概念。虽然无法对这些模糊概念用精确的数量来表示，但是人们听起来却心领神会，明白对方说的是什么意思。这表明精确数学本身存在着局限性。

在控制过程中也存着很多模糊变量，比如有经验的工人在进行设备调试时并不依赖准确的模型，而是靠对各种设备中模糊变量的准确掌控。在浮选过程中存在浮选温度“偏高”“偏低”这类模糊变量，在破碎系统中也会存在功耗“较大”和“较小”的模糊变量。

模糊控制系统是一种经过改造后的自动控制系统，而且还是一种智能的自动控制系统。它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的、闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能功能的模糊控制器，这也是它与传统自动控制系统的根本区别之处。

模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、传感器、知识工程等多门学科领域相互渗透、理论性较强的科学技术。实现这种模糊控制技术的理论称为“模糊控制理论”。

模糊控制系统与计算机控制的现代控制系统的根本区别是前者采用了模糊控制器，模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统性能的优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。

2.1.1　模糊控制系统的基本结构

一般模糊控制系统的基本结构（图2-1）主要由模糊控制器、输入/输出接口电路、广义对象以及传感器系统（或检测装置）四大部分组成，从图中可以看出，模糊控制系统与一般计算机控制系统在整体结构上并没有什么差别，所不同的仅仅是以模糊控制器取代了传统控制器。

①模糊控制器。它是模糊控制系统的核心，实际上是一台具有特殊算法的微型计算机，其主要作用是完成输入精确量的模糊化处理、模糊规则运算、模糊推理决策运算及精细化处理等重要过程。可以说，一个模糊控制系统性能指标的优劣，在很大程度上取决于模糊控制器的“聪明”程度。

②输入/输出接口电路。它是模糊控制器连接前、后系统的两个通道口，包括前向通道中的A/D转换以及后向通道中的D/A转换两个信号转换电路。传感器系统输出的信号一般为模拟信号，则由A/D电路转换为数字信号输入控制器。而从模糊控制器输出的信号一般是数字信号，必须经D/A转换电路将其转换为相应的模拟信号输出，控制执行器的动作，以实现控制被控对象的目的。

③广义对象。主要包括执行机构和被控对象两部分。和经典控制及现代控制一样，常用的执行机构有电磁阀、伺服电机和气动调节阀等，但被控对象与经典控制和现代控制相比就复杂得多了，可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，可以是单变量的或多变量的，可以是有时滞的或无时滞的以及有强干扰的等多种情况的一种设备（或装置）或其群体；可以是自然的、生产的物理实体，也可以是社会的、生物的或其他各种状态转移过程。

④传感器系统（或测量装置）。它在模糊控制系统中占有十分重要的地位，其精度往往直接影响整个控制系统的性能指标，因此要求其精度高、可靠且稳定性好。

2.1.2　模糊控制器的工作原理和基本结构

（1）基本原理

模糊控制系统的工作原理一般由传感器系统的数据采集单元获取被控变量，经转换和运算处理后，输出精确值，然后将此精确值与给定值进行比较，获得精确偏差，经模糊控制器进行模糊化处理、模糊规则及推理运算等，最后经过精确化处理输出精确量，再经D/A转换器转换成模拟量推动执行器，使之达到控制被控对象的目的。由于数量采集是分段进行的，所以控制过程也是分段进行的，一段采集到控制完成，接着第二段、第三段等循环下去，以此实现整体模糊控制。

（2）基本结构

一般模糊控制器的基本结构如图2-2所示，主要由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化四个部分组成。

①模糊化环节的功能。这部分的功能是将输入的精确量转换为模糊量（其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等），并将输入量进行处理，使其变成模糊控制器要求的输入量，接着进行尺度变换，使其变换到各次的论域范围，并进行模糊化处理，使原先精确的输入量变成模糊量，用相应的模糊集合表示。（有时把模糊化部分作为模糊控制器的外部部分）根据图2-2所示要求，若参考输入量为r，系统输出量为y，则计算e=r-y和=de/dt分别为控制器输入的偏差和偏差变化率。

②知识库环节的功能。知识库中包含了具体应用领域中的知识和控制目标，通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。这其中，数据库主要包括语言变量的隶属函数、尺度变换因子以及模糊空间的分级数等；模糊控制规则库包括用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识等。

③模糊推理环节的功能。它是模糊控制器的重要组成部分，具有模拟人的基于模糊概念的推理能力，其推理是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。

④清晰化环节的功能。清晰化环节的主要功能是将模糊推理所得的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量，包含两部分内容：其一，将模糊的控制量经清晰化处理变换为表示在论域范围的清晰量；其二，将表示在论域范围的清晰量经尺度变换转换成实际控制量。