專利名稱：使用輔助變量的多區(qū)域模糊邏輯控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制具有不止一個過程工作區(qū)的非線性過程的控制系統(tǒng)。尤其，本發(fā)明涉及一種模糊邏輯控制器，它利用輔助過程變量來確定過程工作區(qū)并選擇模糊隸屬函數(shù)應用于模糊輸入變量，以提供相應于該過程工作區(qū)的過程控制輸入。
背景技術(shù)：
模糊邏輯包含一系列用“如果……則……”的模糊隱含形式表示的模糊控制規(guī)則。這些模糊隱含包括那些通常被稱為“語言變量”的模糊變量。將模糊變量應用到模糊規(guī)則中便可完成模糊推理或推斷。
例如，如通過引用包括在此作參考的由Tanaka等發(fā)明的第5,158,024號美國專利所述，過程控制應用中已使用了模糊邏輯。在這些控制應用中，模糊邏輯形成了一個用于控制過程參數(shù)的模糊控制器。典型的模糊邏輯控制器由三個基本部分組成輸入信號模糊化、處理規(guī)則推理的模糊機和為諸如控制閥等執(zhí)行器產(chǎn)生連續(xù)信號的去模糊化。
對過程參數(shù)進行模糊控制有幾個好處。一個好處是，由于模糊控制規(guī)則和模糊變量非常適合人的思維過程，所以可方便地把人類經(jīng)驗結(jié)合到模糊控制器中。
使用模糊控制器的另一個好處是由模糊化、把模糊規(guī)則用于模糊變量以及去模糊化所產(chǎn)生的非線性。這種模糊控制過程中固有的非線性使模糊控制器非常適于非線性的過程控制。
但是，目前用于過程控制的過程控制器是把過程誤差信號和過程誤差信號的變化用作控制器的輸入來確定過程控制或過程輸入信號。這些控制器的輸入并未給模糊控制器提供足夠的信息，所以該過程控制信號會引起任何過程的非線性。因此，這些模糊邏輯控制器不能補償過程的非線性。
目前所需的模糊控制器要能夠提供可以補償具有諸如過程增益等非線性變量之過程的過程控制信號。該模糊控制器應在所有不同的非線性區(qū)都能對過程進行補償，使得控制性能一致。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個方面是，提供一種適于控制非線性過程的模糊邏輯控制系統(tǒng)。該模糊控制系統(tǒng)包括一個模糊控制器，控制器用輔助過程變量來確定過程正在進行工作的地方并補償過程的非線性。
本發(fā)明的另一方面是一種能夠提供過程控制信號的控制系統(tǒng)，用于控制具有第一和第二工作區(qū)的非線性過程。該控制系統(tǒng)包括這樣的裝置，它們能在第一和第二過程工作區(qū)的每個區(qū)中提供具有預定特性的輔助過程信號。
提供了一種模糊邏輯控制器，它包括將一過程誤差信號與第一區(qū)中過程操作的過程控制信號聯(lián)系起來的第一模糊隸屬函數(shù)。還包括將該過程誤差信號與第二區(qū)中過程操作的過程控制信號聯(lián)系起來的第二模糊隸屬函數(shù)。它所包括的一模糊推理機，把根據(jù)輔助過程信號值選取的第一和第二模糊隸屬函數(shù)中的一個應用于過程誤差信號值，以推斷出過程控制信號值。
在一較佳實施例中，本發(fā)明提供的一種控制系統(tǒng)用于控制具有非線性過程增益的過程。該過程具有第一和第二過程增益區(qū)。該控制系統(tǒng)包括一個連接在過程和模糊邏輯控制器之間的電路。該電路提供了表示第一和第二過程增益區(qū)的輔助過程變量。
模糊邏輯控制器為過程提供一控制信號值。模糊邏輯控制器包括第一模糊隸屬函數(shù)，該函數(shù)被選來對第一過程增益區(qū)進行比例和積分控制。也包括第二模糊隸屬函數(shù)，該函數(shù)被選來對第二過程增益區(qū)進行比例和積分控制。還包括一模糊機，它被配置成應用第一和第二模糊隸屬函數(shù)中的一個(隸屬函數(shù)根據(jù)從輔助過程變量值所確定的過程工作區(qū)來選取，并應用到過程誤差信號值)和過程誤差值的變化。應用被選模糊隸屬函數(shù)可使模糊機推算出控制信號值，以在第一和第二過程增益區(qū)中保持合適的過程操作。
本發(fā)明的又一方面是，提供一種用于控制非線性過程使之成為過程誤差信號函數(shù)的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括這樣的裝置，這些裝置用于提供表示非線性過程正在哪個工作區(qū)工作的輔助變量信號。控制系統(tǒng)還包括模糊邏輯控制器，用于提供過程控制輸出信號，從而控制非線性過程，使之成為過程誤差信號和輔助變量信號的函數(shù)。
在一較佳實施例中，本發(fā)明提供了一種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能對某過程多個不同工作區(qū)中的每個區(qū)對具有非線性過程增益的這個過程進行微分、比例和積分控制。控制系統(tǒng)包括提供過程誤差值的裝置和提供過程誤差值變化的裝置。還包括用于提供輔助值的裝置，所述輔助值表示多個不同工作區(qū)中過程正在操作的工作區(qū)。還包括一個模糊邏輯控制器，它能對過程進行比例、積分和微分控制，使之成為過程信號誤差值、過程誤差值的變化和輔助值的函數(shù)。
本發(fā)明的再一個方面是，提供一種控制非線性過程使之成為過程誤差信號和控制器參數(shù)值之函數(shù)的控制器?？刂破鲄?shù)值基于非線性過程正在工作的那個工作區(qū)。該控制器包括一個與非線性過程相連的模糊機，把作為過程誤差信號、控制器參數(shù)值和多組模糊規(guī)則中某組規(guī)則之函數(shù)的過程控制輸出信號提供給該過程不同的工作區(qū)。
本發(fā)明的另一個方面是，提供一種用于控制非線性過程使之成為過程誤差信號之函數(shù)的方法。該方法包括，根據(jù)輔助過程變量信號從多個工作區(qū)中確定一個過程工作區(qū)。該方法包括，把不同工作區(qū)的多組模糊規(guī)則中的一組應用到過程誤差信號上，以推斷出過程控制輸出信號。被應用的模糊規(guī)則基于過程的工作區(qū)。
在一較佳實施例中，用于控制非線性過程的方法還包括將過程誤差信號轉(zhuǎn)換成模糊誤差信號值。在該實施例中，應用多組模糊規(guī)則中的一組包括把多組模糊規(guī)則中的一組應用到模糊過程誤差信號上，從而推算出過程控制信號值。附圖概述

圖1是已有技術(shù)中模糊邏輯控制器的方框圖。
圖2a和圖2b是兩張曲線圖，示出了具有非線性增益的過程的過程輸入和過程輸出之間的關(guān)系。
圖3是本發(fā)明模糊控制器系統(tǒng)的方框圖，該系統(tǒng)利用輔助過程變量來確定過程正在哪里工作并補償增益的非線性。
圖4a是圖3所示具有三個工作區(qū)的模糊控制器的輔助變量隸屬函數(shù)定義。
圖4b是圖3所示模糊控制器誤差隸屬函數(shù)定義中的變化率。
圖4c是圖3所示模糊控制器誤差隸屬函數(shù)定義中的變化。
圖4d是圖3所示模糊控制器過程控制隸屬函數(shù)定義中的變化。
圖5是一張表格，示出了用于控制圖2a非線性過程的模糊推理規(guī)則。
圖6是進行pH滴定控制的連續(xù)攪拌的容器反應器。
圖7是表示酸液流速與pH之間關(guān)系的曲線圖。
圖8a是一控制曲面，示出了當pH為13時圖6所示容器反應器的滴定控制器中的過程誤差、誤差的過程變化和過程控制中的變化之間的關(guān)系。
圖8b是一控制曲面，示出了當pH為9時圖6所示容器反應器的誤差、誤差的變化和過程控制中的變化之間的關(guān)系。
圖8c是一控制曲面，示出了當pH為4時圖6所示容器反應器的誤差、誤差的變化和過程控制中的變化之間的關(guān)系。
圖9a是一曲線圖，示出了當用本發(fā)明的三區(qū)模糊控制器控制時圖6所示的容器反應器的階梯響應。
圖9b示出了圖6所示的容器反應器在常規(guī)的PI型模糊控制器控制下的階梯響應。
圖10示出了本發(fā)明三區(qū)模糊控制器在基液濃度中存在正向和反向擾動時的pH控制性能。本發(fā)明的最佳實施方式在討論本發(fā)明的模糊邏輯控制器之前，先回顧一下已有技術(shù)中常用的模糊控制器是有幫助的。圖1示出了已有技術(shù)的模糊控制器10。模糊控制器10包括模糊化部分12、模糊機14和去模糊化部分16。提供給模糊控制器10的輸入信號18和20是表示過程誤差的連續(xù)信號。模糊控制器10提供的輸出信號22是提供過程控制的連續(xù)信號。
通常，提供給模糊控制器10的輸入信號18和20分別表示過程誤差(e)和過程誤差的變化(Δe)。對于比例積分(PI)控制器，過程誤差信號18常常是設(shè)置點與過程輸出信號之間的差值，而誤差信號的變化20則表示過程誤差信號18在所選采樣時間間隔中的變化。
通常把模糊控制器10的輸出信號22提供給過程，以盡量減少或減少由模糊控制器輸入信號18和20所表示的過程誤差。常常用輸出信號22來激勵過程內(nèi)諸如控制閥和執(zhí)行器等控制元件。
模糊化部分12在選定的采樣時間間隔將連續(xù)的輸入信號18和20轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)變成語言或模糊變量。這些模糊變量是從人類的經(jīng)驗中導出的，比如象小、大、正和負，它們只是其中的一些。模糊變量被提供給模糊機14，以進行模糊推理。
模糊機14包括一組模糊規(guī)則，它們是涉及到模糊變量的一系列“如果……則……”形式的表述。模糊機14將模糊部分12提供的模糊變量應用于模糊規(guī)則，從而推理控制行為。這個采取模糊變量形式的控制行為被提供給去模糊化部分16。
去模糊化部分16將表示推理得的控制作用的模糊變量轉(zhuǎn)換成由輸出信號22表示的連續(xù)信號。
圖2a和2b是兩例曲線圖，示出了兩非線性過程中過程輸入與過程輸出的關(guān)系。在每張圖中，水平軸是由變量U表示的過程輸入，而垂直軸是變量Y表示的過程輸出。圖2a所示的曲線24呈正弦形狀，具有數(shù)字I和III表示的兩個低過程增益區(qū)和數(shù)字II表示的一個高過程增益區(qū)。圖2b所示的曲線26是另一例非線性過程增益。曲線26具有數(shù)字I表示的正過程增益區(qū)和數(shù)字II表示的負過程增益區(qū)。圖2a和2b中的這些例子只是說明應該用過程控制器進行補償?shù)膬煞N過程非線性情況。
如上所述，圖1中所示的PI型模糊控制器10(它利用了過程誤差信號18和過程誤差信號的變化20)不區(qū)分數(shù)字II表示的高增益區(qū)(圖2)和數(shù)字I和III表示的低增益區(qū)，從而不能在所有的區(qū)域中提供令人滿意的性能。另外，圖1所示的模糊控制器10不能區(qū)分圖2b中數(shù)字I表示的正增益區(qū)和數(shù)字II表示的負增益區(qū)，從而無法在這兩個區(qū)域中給出令人滿意的性能。
一種用于控制具有多個工作區(qū)的非線性過程的方法歷來是使用多個常規(guī)線性PID控制器。該方法提供了一個程序機，它監(jiān)視過程狀態(tài)并根據(jù)過程狀態(tài)選擇一個常規(guī)線性PID控制器。該過程控制方法是眾所周知的，常常被稱為增益程序。
圖3示出了本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)30。該系統(tǒng)能判斷過程正在哪個非線性過程區(qū)中工作，并提供與該區(qū)域?qū)倪^程控制信號。用這種方式，模糊控制系統(tǒng)30無需犧牲圖2a中數(shù)字I和III表示的低過程增益區(qū)的性能，便能確保數(shù)字II表示的高過程增益區(qū)的穩(wěn)定性。另外，作為另一個例子，模糊控制系統(tǒng)30能夠辨別圖2b中數(shù)字I表示的正過程增益區(qū)和數(shù)字II表示的負過程增益區(qū)，從而分別在一個區(qū)域中提供負反饋，而在另一個區(qū)域中提供正反饋。
本發(fā)明的模糊控制系統(tǒng)30包括非線性過程32和將控制輸入提供給過程的模糊邏輯控制器34，致使過程輸出在過程工作的每個區(qū)域中是均勻的。
模糊控制系統(tǒng)30接收連續(xù)輸入信號或設(shè)置點36，并提供用y表示的具有模糊變量值yK的連續(xù)過程輸出信號38。組合裝置(com-bining means)42將過程輸出信號38與過程輸入信號36合并，提供用e表示的具有模糊變量值eK的誤差信號40。模糊邏輯控制器34還從信息組合裝置42接收用Δe表示的具有模糊變量值ΔeK的過程誤差信號的變化44。過程誤差信號的變化44表示過程誤差信號40在整個被選的采樣時間間隔中的變化。
本發(fā)明模糊控制系統(tǒng)30的一個重要方面是，使用由過程32提供給模糊邏輯控制器34的以AV表示的具有模糊變量值A(chǔ)VK的輔助變量信號46，確定非線性過程正在哪里工作，從而模糊邏輯控制器34能夠在所有過程工作區(qū)中提供令人滿意的性能。使用圖1所示的不使用輔助變量信號46的模糊邏輯控制器的模糊控制系統(tǒng)不能在過程非線性中區(qū)分不同點的工作情況，從而不能適當?shù)匮a償該過程非線性。因此，模糊邏輯控制器34使用輔助變量信號46可以提高所有工作區(qū)中的過程性能。
與圖1所示的模糊邏輯控制器10類似，該模糊邏輯控制器34包括模糊化部分、模糊機和去模糊化部分。但是，模糊邏輯控制器34的模糊化部分不是只轉(zhuǎn)換過程誤差信號(e)和誤差信號中的過程變化(Δe)，它還把輔助過程變量信號46(AV)轉(zhuǎn)換成一模糊變量。模糊機將這些模糊變量應用于模糊規(guī)則，以提供模糊推理。模糊邏輯控制器34的去模糊化部分將該模糊變量形式表示的模糊推理轉(zhuǎn)換成一連續(xù)信號。模糊邏輯控制器34輸出的去模糊后的輸出信號代表了過程輸入信號48，它用Δu表示并具有模糊變量值ΔuK。
模糊邏輯控制器34提供的過程輸入或控制信號48(ΔuK)是過程輸入信號的變化。因此，所有先前控制作用的總和確定了由uK表示的瞬時過程輸入50。該總和由延遲部分52表示，它提供了由累加裝置54用來與過程輸入信號的變化48(ΔuK)累加的前一個瞬時過程輸入信號uK。
輔助變量(AVK)的選擇應能確定非線性變量的工作區(qū)。根據(jù)工作區(qū)是如何確定的，可把瞬時過程輸入50(uK)或過程輸出信號38(yK)用作輔助變量(AVK)。例如，在增益為圖2a中曲線24所示的正弦形狀的情況下，可把過程輸出信號(yK)用作輔助變量(AVK)。但在圖2B中，當過程增益如圖2b中曲線26所示改變符號時，應把過程輸入信號(uK)用作輔助變量(AVK)。
根據(jù)已有的知識或過程32預定的特征，定義存儲在模糊邏輯控制器34中的模糊隸屬函數(shù)或規(guī)則。定義隸屬函數(shù)應使過程32能補償不希望有的系統(tǒng)行為。作為一個例子，可用具有圖2a所示正弦非線性增益之過程的隸屬函數(shù)來說明隸屬函數(shù)的定義。對于正弦非線性系統(tǒng)的情況，輔助變量(AVK)應具有三個與圖2a的三個不同過程增益區(qū)對應的區(qū)域。圖4b示出了輔助變量(AVK)的隸屬函數(shù)。與數(shù)字I、II和III表示的三個區(qū)域都相關(guān)的模糊變量分別是“低”、“中”和“高”。圖4b、4c和4d分別示出了過程誤差變化(ΔeK)、過程誤差(eK)和過程輸入變化(ΔuK)的模糊隸屬函數(shù)。在圖4b、4c和4d中，NL表示模糊變量負得較大，NM表示模糊變量負得中等，NS表示模糊變量負得較小，ZO表示模糊變量為零，PS表示模糊變量正得較小，PM表示模糊變量正得中等，而PL表示模糊變量正得較大。如式1、2和3所示，每個模糊變量，控制誤差(e)、控制誤差變化(Δe)和過程輸入變化(Δu)分別用通常的方法歸一。(1)e*=eSe]]>(2)Δe*=ΔeSΔe]]>(3)Δu*=ΔuSΔu]]>其中，e*、Δe*和Δu*分別是圖4b、4c和4d所示的標定隸屬函數(shù)，而Se、SΔe和SΔu分別是模糊變量e、Δe和Δu的比例系數(shù)。
定義了被控過程的模糊變量后，必須定義模糊推理規(guī)則。以下描述了一例普通的模糊推理規(guī)則。(4)如果AV為Ai，e為Bi并且Δe為Ci，則使Δu為Di，其中，Ai、Bi、Ci和Di分別是表示AV、e、Δe和Δu等變量值的形容詞。這些形容詞或變量值可以是諸如負較小、正較大和零等描述詞。模糊規(guī)則從操作人員的經(jīng)驗得到，以控制將使用模糊控制器的過程。
模糊推理規(guī)則定義了運用模糊邏輯控制器34對某個特定的過程狀態(tài)作出的響應。例如，當過程正在低增益區(qū)工作時，需要較強的控制作用。另一方面，當過程處于高增益區(qū)時，則應使用溫和至較弱的控制作用來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在圖2a所示過程的每個區(qū)I、II和III內(nèi)都有一個與輔助變量(AV)相對應的區(qū)域，可為普通的模糊型控制器定義規(guī)則。用這種方式，當在被選的區(qū)域中操作過程時，可用普通的方法設(shè)計三個比例-積分(PI)型模糊控制器，以提供適當?shù)难a償。圖5示出了一例有關(guān)圖2a的正弦非線性過程的模糊推理規(guī)則。
如圖5所示，這些模糊推理規(guī)則分為三個獨立組，第一組對應于圖4a中定義的低狀態(tài)下的輔助變量(AVK)，第二組對應于圖4a中定義的中等狀態(tài)下的輔助變量(AVK)，第三組對應于圖4a中定義的高狀態(tài)下的輔助變量(AVK)。用這種方式，便可用輔助變量AVK(它具有三個區(qū)，三個區(qū)的變量值低、中和高分別與圖2a中標有數(shù)字I、II和III的三個區(qū)域?qū)?來選擇為控制該特定的過程工作區(qū)而設(shè)計的相應的模糊規(guī)則組。
由圖5可知，當輔助變量為低或高，并且當誤差和誤差變量變化的值為負較大或負較小時，模糊控制器輸出信號的值uK等于正較大。當對應于非線性過程低增益區(qū)的輔助值為高或低時，模糊邏輯輸出變量為正較大或負較大。在這些低增益區(qū)中過程控制更為強勁，以提供更好的響應時間。相反，對于與具有中等值的輔助變量相應的模糊隸屬規(guī)則，輔助變量對應于高增益區(qū)，為了在該工作區(qū)中保持穩(wěn)定，控制變量永遠不會很大。
本發(fā)明的一個重要方面是，在所有可能的地方可以統(tǒng)一非線性過程每個區(qū)的模糊規(guī)則。例如，無論輔助值A(chǔ)VK為多少，對于變量eK和ΔeK等值的情況，過程控制變量為零值。合并圖5中的這些規(guī)則，無需改變函數(shù)性便能取消十條規(guī)則。另外，如果在模糊控制規(guī)則為相同或兩種狀態(tài)的地方輔助變量值為低或高，則可以取消25條模糊控制規(guī)則。用這種方式，對不同的輔助變量值，可以通過合并相同的規(guī)則來減少規(guī)則。
對于使用五個變量的三區(qū)模糊控制器，有75條可能的規(guī)則。如果控制需要使用七個形容詞，那么就需要147條規(guī)則。因此，可以通過減少變量數(shù)來減少規(guī)則總數(shù)。另外，如上所述，可以通過合并或統(tǒng)一不同過程工作區(qū)中使用的相同規(guī)則來減少規(guī)則數(shù)。規(guī)則的減少縮短了模糊邏輯控制器34所需的計算時間并減少了將每條規(guī)則存儲在模糊邏輯控制器中所需的存儲器。
在選取模糊變量并定義了模糊規(guī)則后，必須調(diào)整多區(qū)模糊控制器34。調(diào)整是一包括下列步驟的過程(i)調(diào)整比例系數(shù)，(ii)調(diào)整模糊隸屬函數(shù)，(iii)調(diào)整模糊規(guī)則，和(iv)調(diào)整輔助變量(AV)隸屬函數(shù)，以獲得平穩(wěn)的區(qū)域過渡。由于比例系數(shù)是影響整個控制性能的全局性調(diào)整參數(shù)，所以應首先調(diào)整它們。其次調(diào)整對規(guī)則的一個子集起作用的隸屬函數(shù)。由于單條模糊規(guī)則只影響特定的單一輸出，所以應最后調(diào)整它們。
在每個區(qū)內(nèi)，可用類似于模糊PI控制器所用的常規(guī)技術(shù)調(diào)整模糊控制器34。對于由下式表示的PI控制器(5)y(t)=Kp[e(t)+1Ti∫e(t)dt]]]>Kp和Ti通過下式與比例系數(shù)相關(guān)聯(lián)(6)Kp=SΔuSΔe]]>(7)Ti=(SeSΔe)Δt]]>其中，Kp是比例增益，Ti是積分時間常數(shù)，而Δt是控制器的采樣時間常數(shù)。因此，增大SΔu或減小SΔe都能增強比例作用。由于較小的積分時間常數(shù)表示較強的的積分控制作用，所以減小Se或增大SΔe都能增強積分控制作用。盡管控制器采樣時間的變化(Δt)也影響積分時間，但一般不把控制器采樣時間用作調(diào)整因子。
在每個區(qū)中都調(diào)整了模糊控制器34后，應對所有的區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制器的調(diào)整。如果用比例系數(shù)SΔu來調(diào)整低增益區(qū)，則高增益區(qū)只能通過調(diào)節(jié)相關(guān)隸屬函數(shù)的位置來調(diào)整。為了在各區(qū)之間獲得平穩(wěn)的過渡，可以憑借經(jīng)驗和試湊法來調(diào)整AV的隸屬函數(shù)。概括起來，用下列步驟調(diào)整多區(qū)域模糊控制器34(1)為低增益區(qū)調(diào)整比例系數(shù)(Se、SΔe和SΔu)；(2)在高增益區(qū)中調(diào)整Δu的相關(guān)隸屬函數(shù)的位置；(3)對所有的區(qū)域調(diào)整模糊控制器34，以獲得平滑的控制過渡；(4)精細地調(diào)整隸屬函數(shù)和規(guī)則，以獲得所需的控制性能。
以下是一例本發(fā)明的模糊控制系統(tǒng)30，如圖6所示，它用來控制一連續(xù)攪拌的容器反應器(CSTR)的pH滴定。CSTR60包括具有攪拌裝置64和兩個輸入液流的容器62、流速用F1表示且濃度用變量C1表示的酸性液流66，和流速用F2表示且濃度用變量C2表示的基流68。在該例中，用酸性液流66的流速F1來控制容器62內(nèi)溶液70的pH值?；?8的濃度C2被當作一種擾動，本發(fā)明的模糊控制系統(tǒng)30將對其進行補償。當溶液70從容器62中流出時，測量溶液70的pH值。閥72A、72B和72C被用來控制酸性液流66、基流68和容液流74的流量。
假設(shè)一個較佳控制的理想CSTR60，容器62中溶液70的容積及酸液和基液的流速F1和F2與酸液和基液的濃度C1和C2的關(guān)系是已知的，這些流速與容器pH值的關(guān)系一般如下式所示(8)Vdξdt=F1C1-(F1+F2)ξ]]>(9)Vdξdt=F2C2-(F1+F2)ξ]]>(10)〔H+〕3＋(K4＋ξ)〔H+〕2＋(K4(ξ－ζ)－K4)〔H+〕－KWK4＝0(11)pH＝-log10〔H+〕(12)ζ≌〔HAC〕＋〔AC-〕(13)ξ≌〔Na+〕表1列出了每個變量的物理意義和相關(guān)初始值。
表1
圖7中的曲線76示出了酸液的流速(F1)與溶液70的pH值之間的穩(wěn)態(tài)非線性關(guān)系。圖7中的曲線7 6具有三個用數(shù)字I、II和III表示的非線性增益區(qū)，它們分別對應于低pH值、中pH值和高pH值。在數(shù)字I和III標識的低和高pH值區(qū)域中過程增益非常小，但在數(shù)字II標識的中pH值區(qū)域中過程增益極高。在數(shù)字II表示的高增益區(qū)中，酸液流速(F1)的微小變化會導致pH值發(fā)生很大變化，但在數(shù)字I和III表示的低增益區(qū)中，必須使酸液流速(F1)有相當大的變化才能使pH值產(chǎn)生明顯的變化。CSTR系統(tǒng)60對常規(guī)PI型控制器提出了一個困難的任務(wù)?？刂破魉峁┑倪^程輸入信號必須相當小，這樣才能不犧牲低過程增益區(qū)中太多的動態(tài)響應，而在高過程增益區(qū)中保持良好的穩(wěn)定性。
在圖7中由數(shù)字I、II和III標識的三個區(qū)域的每個區(qū)，本發(fā)明的模糊邏輯控制系統(tǒng)30都能對pH值進行良好的控制。把pH值用作輔助變量(AV)，便能為圖7中確定的三個過程增益區(qū)的每個區(qū)定義一組模糊規(guī)則。運用人類對圖7所示pH值與酸液流速(F1)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系中所述過程的認識來定義這些模糊規(guī)則。
圖8a、8b和8c分別示出了高pH值、中pH值和低pH值每個過程增益區(qū)中，過程輸入對控制信號的變化(Δu)、過程誤差(e)和過程誤差變化(Δe)之間的關(guān)系。圖8a、8b和8c所示的過程控制作用對控制誤差和控制誤差變化的關(guān)系通常被稱作“控制曲面”或“控制響應曲面”，分別用標號78a、78b和78c表示。從這些控制曲面78a、78b和78c中可以看到，對于同樣的過程控制誤差和過程控制誤差變化，模糊邏輯控制器34提供的控制作用根據(jù)過程是在高增益區(qū)中運行還是在低增益區(qū)中運行而不同。對于圖8a和8c所示的任何一個低增益區(qū)中的過程操作，如過程輸入信號變化(Δu)的幅值所示，控制作用更加強勁。相反，對于圖8b所示的高增益區(qū)中的過程操作，如較小的過程輸入信號變化(Δu)所證實的，控制作用的力度要小得多。圖1所示的常規(guī)模糊控制器10不能實現(xiàn)這種控制響應在不同的增益區(qū)的變化。另外，圖8a、8b和8c所示的控制曲面相當非線性，這是常規(guī)PID型控制器無法獲得的特征。低、中和高三個增益區(qū)間的過渡區(qū)是含有去模糊化的三個控制曲面的內(nèi)插。
圖9a示出了由本發(fā)明的三區(qū)控制系統(tǒng)30控制的CSTR60的階梯響應。該階梯響應表示設(shè)置點信號36作階梯變化時，溶液70的pH值與時間的關(guān)系。使設(shè)置點從5.5至7.0變化到10.0至11.5，然后從11.5至10.0變化到至7.5和至5.5，從而對三個過程增益區(qū)的每個區(qū)評估控制性能。對于每一種設(shè)置點的變化，可以看到補償這些變化所需的動態(tài)響應或時間。曲線90示出了設(shè)置點的值，而曲線92示出了測得的溶液70的pH值。系統(tǒng)響應時間根據(jù)增益區(qū)和變化的方向而變化。例如，從低增益區(qū)到高增益區(qū)的階梯變化會產(chǎn)生一較大的尖峰。但從高增益區(qū)到低增益區(qū)的階梯變化則產(chǎn)生一較小的尖峰。
為了比較，圖9b示出了使用常規(guī)PI型模糊控制器的連續(xù)攪拌容器反應器pH控制器的階梯響應。圖9b示出了溶液70的pH值相對時間的曲線94和與圖9a相同的階梯響應90。為了在所有三個區(qū)中確保穩(wěn)定，控制器34必須具有一精心調(diào)節(jié)的增益，致使連續(xù)攪拌的容器反應器在圖7中數(shù)字II所表示的高過程增益區(qū)中穩(wěn)定。本發(fā)明三區(qū)模糊邏輯控制器的響應(如圖9a所示)與常規(guī)一區(qū)模糊邏輯控制器之響應(如圖9b所示)的比較表明，三區(qū)模糊邏輯控制器從低增益區(qū)移至高增益區(qū)時尖峰較低。另外，三區(qū)控制器的整個穩(wěn)定時間比一區(qū)控制器的短。
圖10示出了基液濃度存在擾動時三區(qū)模糊控制器的性能。曲線96是基液濃度(C2)相對于時間的關(guān)系曲線，而曲線98是溶液70的pH值相對于時間的關(guān)系曲線。把pH設(shè)置點固定為7，進行正向和負向的基液濃度擾動。如曲線98所示，三區(qū)模糊控制器能很好地抑制正向或負向的擾動變化。
總之，本發(fā)明的多區(qū)模糊邏輯控制系統(tǒng)30能補償非線性過程增益，并比單區(qū)模糊控制器產(chǎn)生更佳控制性能?？刂葡到y(tǒng)30將一附加的過程變量用作輔助變量，以檢測過程正在哪里工作。多區(qū)模糊控制系統(tǒng)30非常適于控制非線性增益變化很大的過程。
盡管將模糊邏輯控制器34描述為是用模糊機來區(qū)分過程不同部分的工作情況的，但該功能也可在模糊機的外部實現(xiàn)。例如，可用一獨立的電路監(jiān)視輔助變量，并根據(jù)過程正在工作的區(qū)域選擇適當?shù)哪：?guī)則組。另外，前文已經(jīng)敘述，模糊控制器34對規(guī)則的獲取是從操作人員那里獲得的。然而可用模糊/神經(jīng)結(jié)構(gòu)來代替獲取模糊規(guī)則。
在操作中，本發(fā)明多區(qū)模糊控制系統(tǒng)30的模糊邏輯控制器34根據(jù)過程32的輔助變量值A(chǔ)VK確定過程的工作區(qū)。至少從兩個模糊隸屬函數(shù)(每個函數(shù)都具有一個相關(guān)的過程工作區(qū))中選擇一個與該過程工作區(qū)相關(guān)的模糊隸屬函數(shù)。模糊邏輯控制器34根據(jù)被選的模糊隸屬函數(shù)和過程誤差信號值eK和ΔeK推算出過程控制信號值。
在選定的時間間隔中進行上述過程，從而檢測出過程工作區(qū)的變化，并把適當?shù)倪^程控制信號提供給過程32，以確保在所有的過程工作區(qū)進行適當?shù)倪^程操作。
盡管已經(jīng)參照較佳實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將承認，不用脫離本發(fā)明的精神和范圍就可以在形式和細節(jié)上對本發(fā)明進行改變。
權(quán)利要求
1.一種將非線性過程控制成過程誤差信號的函數(shù)的控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)包括提供輔助變量信號的裝置，所示輔助變量信號表示非線性過程正在多個工作區(qū)的哪個區(qū)中工作；和提供過程控制輸出信號的模糊邏輯控制器，用于將非線性過程控制成過程誤差信號和輔助變量信號的函數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于提供過程誤差信號變化的裝置，而且如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供作為過程誤差信號、過程誤差信號的變化和輔助變量信號的函數(shù)的過程控制輸出信號。
3.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供過程控制輸出信號，對非線性過程進行比例和積分控制。
4.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供過程控制輸出信號，以便對非線性過程進行比例、積分和微分控制。
5.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供作為過程誤差信號和不同過程工作區(qū)之多組模糊規(guī)則的函數(shù)的過程控制輸出信號，模糊邏輯控制器根據(jù)輔助變量信號從多組模糊規(guī)則中選出一組規(guī)則。
6.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，模糊邏輯控制器包括模糊化裝置，用于將過程誤差信號轉(zhuǎn)換成模糊過程誤差信號值；模糊機，用于提供作為模糊過程誤差信號值和輔助變量信號的函數(shù)的模糊過程控制輸出信號；和去模糊化裝置，用于將模糊過程控制輸出信號轉(zhuǎn)換成過程控制輸出信號。
7.如權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，模糊化裝置的結(jié)構(gòu)能將輔助變量信號轉(zhuǎn)換成模糊輔助變量值，模糊機的結(jié)構(gòu)能夠提供作為模糊輔助變量值和過程工作區(qū)多組模糊規(guī)則的函數(shù)的模糊過程控制輸出信號，模糊機裝置根據(jù)模糊輔助變量值從多組模糊規(guī)則中選出一組規(guī)則。
8.一種對多個不同工作區(qū)中的每個區(qū)具有非線性過程增益的過程進行微分、比例和積分控制的控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)包括用于提供過程信號誤差值的裝置；用于提供過程誤差值變化的裝置；用于提供輔助值的裝置，所述輔助值表示過程正在多個不同工作區(qū)的某一個區(qū)中工作；和用于提供過程控制信號值的模糊邏輯控制器，它對過程進行比例、積分和微分控制，并控制成過程信號誤差值、過程誤差值的變化和輔助值的函數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，提供了作為不同過程工作區(qū)之多組模糊規(guī)則的函數(shù)的過程控制信號值，模糊邏輯控制器根據(jù)輔助變量值從多組模糊規(guī)則中選出一組規(guī)則。
10.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，模糊邏輯控制器包括模糊化裝置，用于將過程誤差信號轉(zhuǎn)換成模糊過程誤差信號值，并將過程誤差信號的變化轉(zhuǎn)換成過程誤差信號值模糊的變化；模糊機，用于提供作為模糊過程誤差信號值、過程誤差信號值模糊的變化和輔助變量信號的函數(shù)的模糊過程控制輸出信號值；和制信號值。
11.如權(quán)利要求10所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，模糊化裝置的結(jié)構(gòu)能將輔助變量信號轉(zhuǎn)換成模糊輔助變量值，模糊機的結(jié)構(gòu)能夠提供作為模糊輔助變量值和不同過程工作區(qū)多組模糊規(guī)則的函數(shù)的模糊過程控制輸出信號，模糊機根據(jù)模糊輔助變量值從多組模糊規(guī)則中選出一組規(guī)則。
12.一種將非線性過程控制成過程誤差信號和誤差信號過程變化的函數(shù)的控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)包括用于提供輔助變量信號的裝置，所述輔助變量信號表示非線性過程正在多個工作區(qū)的某一個區(qū)中工作；和模糊邏輯控制器，用于提供作為過程誤差信號、誤差信號的過程變化和不同過程工作區(qū)之多組模糊規(guī)則的函數(shù)的過程控制輸出信號，模糊邏輯控制器根據(jù)輔助變量信號從多組模糊規(guī)則中選出一組規(guī)則。
13.如權(quán)利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供過程輸出信號，以便對非線性過程進行比例和積分控制。
14.如權(quán)利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供過程輸出信號，以便對非線性過程進行比例、積分和微分控制。
15.一種將非線性過程控制成過程誤差信號和誤差信號過程變化的函數(shù)的控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)包括用于提供輔助變量信號的裝置，所述輔助變量信號表示非線性過程正在多個工作區(qū)的哪個區(qū)中工作；和用于提供過程控制輸出信號的模糊邏輯控制器，它能將非線性過程控制成過程誤差信號、誤差信號的過程變化和輔助變量信號的函數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供過程控制輸出信號，以便對非線性過程進行比例和積分控制。
17.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供過程控制輸出信號，以便對非線性過程進行比例、積分和微分控制。
18.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如此構(gòu)造模糊邏輯控制器，使它能夠提供作為不同過程工作區(qū)之多組模糊規(guī)則的函數(shù)的過程控制輸出信號，模糊邏輯控制器根據(jù)輔助變量信號從多組模糊規(guī)則中選出一組規(guī)則。
19.一種根據(jù)非線性過程正在多個工作區(qū)的哪個區(qū)中工作而將該非線性過程控制成過程誤差信號和控制器參數(shù)值的函數(shù)的控制器，其特征在于，所述控制器包括一模糊機，它與非線性過程相連，用于提供作為過程誤差信號、控制器參數(shù)值和不同過程工作區(qū)之多組模糊規(guī)則中某一組規(guī)則的函數(shù)的過程控制輸出信號。
20.一種適于提供過程控制信號的控制系統(tǒng)，用于控制具有第一和第二工作區(qū)的非線性過程，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括用于提供在第一和第二過程工作區(qū)的每個區(qū)中都有預定特征的輔助過程信號的裝置；模糊邏輯控制器，包括第一模糊隸屬函數(shù)，它將過程誤差信號與第一區(qū)中過程操作的過程控制信號聯(lián)系起來；第二模糊隸屬函數(shù)，它將過程誤差信號與第二區(qū)中過程操作的過程控制信號聯(lián)系起來；和模糊推理機，它把根據(jù)輔助過程信號從第一和第二模糊隸屬函數(shù)中選出的某個隸屬函數(shù)應用于過程誤差信號值，以便推屬函數(shù)中選出的某個隸屬函數(shù)應用于過程誤差信號值，以便推算出過程控制信號值。
21.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，模糊邏輯控制器包括多個模糊隸屬函數(shù)，其中每個隸屬函數(shù)都能在被選中的情況下對多個過程工作區(qū)中的某個特定區(qū)域進行控制，并且如此構(gòu)造模糊推理機，使它能夠應用根據(jù)輔助過程信號值從多個模糊隸屬函數(shù)中選出的某個隸屬函數(shù)。
22.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，如果選擇了第一模糊隸屬函數(shù)，則它提供適于第一過程工作區(qū)的比例和積分控制，并且如果選擇了第二模糊隸屬函數(shù)，則它提供適于第二過程工作區(qū)的比例和積分控制。
23.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括信號組合裝置，用于合并設(shè)置點的值和過程輸出信號值，以提供過程誤差信號值和過程誤差值的變化。
24.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，輔助過程信號值是控制作用信號值。
25.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，輔助過程信號值是過程輸出信號值。
26.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，第一模糊隸屬函數(shù)和第二模糊隸屬函數(shù)都是模糊規(guī)則，如果把模糊規(guī)則與模糊變量結(jié)合起來，則模糊邏輯作出判斷，從而提供模糊推理。
27.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，合并與第二模糊隸屬函數(shù)規(guī)則相同的第一模糊隸屬函數(shù)規(guī)則，形成單個隸屬函數(shù)。
28.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，模糊推理機根據(jù)輔助過程信號值從第一和第二隸屬函數(shù)中選取一個隸屬函數(shù)。
29.如權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括根據(jù)輔助過程信號值從第一和第二隸屬函數(shù)中選取一個隸屬函數(shù)的裝置。
30.一種對具有非線性過程增益的過程進行控制的控制系統(tǒng)，其中所述過程具有第一和第二過程增益區(qū)，所述控制系統(tǒng)的特征在于，包括一電路，它連接在過程和模糊邏輯控制器之間，用于提供表示第一和第二過程增益區(qū)的輔助過程變量值；模糊邏輯控制器，它將控制信號值提供給過程，所述模糊邏輯控制器包括第一模糊隸屬函數(shù)，它被選來提供適于第一過程增益區(qū)的比例和積分控制；第二模糊隸屬函數(shù)，它被選來提供適于第二過程增益區(qū)的比例和積分控制；和一模糊機，它將一個隸屬函數(shù)應用于過程誤差信號值和過程誤差值的變化，以推算出控制信號值，從而在第一和第二過程增益區(qū)中保持適當?shù)倪^程操作，其中所述隸屬函數(shù)是根據(jù)由輔助過程變量值確定的過程工作區(qū)從第一和第二模糊隸屬函數(shù)中選出的。
31.一種將非線性過程控制成過程誤差信號的函數(shù)的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟根據(jù)輔助過程變量信號從多個工作區(qū)中確定一個過程工作區(qū)；并將不同的過程工作區(qū)之多組模糊規(guī)則中的一組規(guī)則應用于過程誤差信號，以推理出過程控制輸出信號，被應用的模糊規(guī)則依賴于過程的工作區(qū)。
32.如權(quán)利要求31所述的用于控制非線性過程的方法，其特征在于，所述方法還包括將過程誤差信號轉(zhuǎn)換成模糊過程誤差信號值的步驟，并且將多組模糊規(guī)則中某組規(guī)則包括將多組模糊規(guī)則中的一組規(guī)則應用于模糊過程誤差信號，以推算出模糊過程控制信號值的步驟。
33.如權(quán)利要求32所述的用于控制非線性過程的方法，其特征在于，還包括將模糊過程控制信號值轉(zhuǎn)換成過程控制輸出信號的步驟。
34.如權(quán)利要求32所述的用于控制非線性過程的方法，其特征在于，用模糊邏輯控制器來應用多組模糊規(guī)則中的一組規(guī)則。
全文摘要
一種工業(yè)過程控制用的模糊控制系統(tǒng)，它利用輔助過程變量來確定非線性過程正在幾個不同增益區(qū)的哪個區(qū)中工作。根據(jù)判斷結(jié)果和模糊輸入信號，模糊控制器提供與該區(qū)相關(guān)的過程控制信號。
文檔編號G06N7/00GK1135264SQ94193576
公開日1996年11月6日 申請日期1994年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月23日
發(fā)明者S·喬·秦, 蓋伊·湯普森·博德斯 申請人:費舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司