[科普中國]-模糊半主動控制

發(fā)展歷史

1983年Hrovat研究了土木工程結(jié)構(gòu)的半主動控制問題，提出了半主動控制系統(tǒng)盡可能實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力的規(guī)則。

1990年Kobori等人提出了半主動變剛度控制的概念，研制了半主動變剛度控制系統(tǒng)，并提出了半主動變剛度控制算法。

1990年日本Kajima研究所的三層鋼結(jié)構(gòu)辦公樓首次應用了半主動變剛度控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了實際中的中小地震作用，顯示出了很好的控制效果。我國劉季、李敏霞和歐進萍等人在稍晚一些時期也進行了半主動變剛度控制的研究工作，研制開發(fā)了足尺半主動變剛度控制裝置。

1992年Kawashima,Mizuno和Shinozuka等人同時提出了結(jié)構(gòu)半主動變阻尼控制系統(tǒng)，并分別研究了建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)半主動變阻尼控制的分析方法和控制效果，1997年美國首次應用主動變阻尼控制裝置控制高速公路I-35連續(xù)梁鋼橋重載車輛引起的振動，顯示了很好的控制效果。

1998年日本應用半主動變阻尼控制的建成Kajima Shizuoka建筑，在實際小地震作用下顯示了良好的控制效果。我國孫作玉(1998)和李惠(2002)等人研究了建筑結(jié)構(gòu)半主動變阻尼控制方法，研制開發(fā)了半主動變阻尼控制裝置。

1995年，美國Lord公司在第五屆電磁流變體國際會議上展示了幾種具有高性能參數(shù)的電流變液和磁流變液阻尼器，從而掀起了磁流變液及其裝置的研究熱潮。

1996年以來，Spencer等人研究了磁流變阻尼器的地震反應控制、結(jié)構(gòu)磁流變阻尼隔震和斜拉索的磁流變阻尼風振控制。Dyke (1996)等人試驗研究了一座三層框架地震反應的磁流變阻尼控制效果，結(jié)果表明:半主動磁流變阻尼控制接近于主動控制效果，而且總是穩(wěn)定的。

2001年日本東京國家新興科技博物館首次將磁流變阻尼器應用于地震反應控制。

2001年我國岳陽洞庭湖多塔斜拉橋首次安裝美國Lord公司生產(chǎn)磁流變阻尼器控制斜拉索風雨激勵的振動401。哈爾濱工業(yè)大學的歐進萍、李慧(2003)等人將自行研制開發(fā)的磁流變阻尼器用于山東濱州黃河大橋20根斜拉索的風雨激振。

Zadeh創(chuàng)立的模糊數(shù)學，對不明確系統(tǒng)的控制有極大的貢獻，自七十年代以后，一些實用的模糊控制器的相繼出現(xiàn)，使得我們在控制領域中又向前邁進了一大步，下面本文將對模糊控制理論做一番淺介。

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國的E.H.Mamdani首次根據(jù)模糊控制語句組成模糊控制器，并將它應用于鍋爐和蒸汽機的控制，獲得了實驗室的成功。這一開拓性的工作標志著模糊控制論的誕生。

模糊控制實質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實際應用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是日本，得到了迅速而廣泛的推廣應用。近20多年來，模糊控制不論在理論上還是技術(shù)上都有了長足的進步，成為自動控制領域一個非?；钴S而又碩果累累的分支。其典型應用涉及生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設備中有模糊洗衣機、空調(diào)、微波爐、吸塵器、照相機和攝錄機等；在工業(yè)控制領域中有水凈化處理、發(fā)酵過程、化學反應釜、水泥窯爐等；在專用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動扶梯、蒸汽引擎以及機器人的模糊控制。

半主動控制簡介半主動控制屬于參數(shù)控制，控制過程依賴于結(jié)構(gòu)反應及外部激勵信息，通過少量能量而實時改變結(jié)構(gòu)的剛度或阻尼等參數(shù)來減少結(jié)構(gòu)的反應。半主動控制不需要大鼓外部能源的輸入來直接提供控制力，只是實施控制力的作動器需要少量的能量調(diào)節(jié)以便使其主動地利用結(jié)構(gòu)振動的往復相對變形或速度，盡可能地實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力。由于半主動控制兼具上動控制優(yōu)良的控制效果和被動控制簡單易行的優(yōu)點，同時克服了主動控制需要大最能量供給和被動控制調(diào)諧范圍窄的缺點，因此，半主動控制具有較大的研究和應用開發(fā)價值，是當前的研究熱點。

常見的半主動控制系統(tǒng)常見的半主動控制系統(tǒng)有主動調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(ATMD)、可變剛度系統(tǒng)(AVS)、可變阻尼系統(tǒng)(AVD)，變剛度變阻尼系統(tǒng)(AVSD)等。

AVS系統(tǒng)的控制方式是通過由計算機控制的快速反應鎖定裝置來控制和改變系統(tǒng)的剛度，以此避開共振的影響，從而降低結(jié)構(gòu)的反應。由于半主動控制裝里只能增加結(jié)構(gòu)的剛度，對于剛度己經(jīng)很大的土木工程結(jié)構(gòu)而言，為了能有效減小結(jié)構(gòu)的動力反應就要求半主動變剛度系統(tǒng)的可變剛度比較大，這無疑使半主動變剛度系統(tǒng)的設計和應用帶來了比較大的困難，換言之，半主動變剛度系統(tǒng)用于控制柔性結(jié)構(gòu)的動力反應更加有效。

AVD系統(tǒng)是通過主動調(diào)節(jié)半主動變阻尼控制裝置的阻尼力，使其等于或接近主動最優(yōu)控制力，從而達到與主動控制接近的減震效果.半主動變阻尼控制裝里可以連續(xù)改變阻尼力，具有控制寬頻帶激勵振動的能力，包括半主動粘滯變阻尼器、半主動磁流變阻尼器、半主動電流變阻尼器、半主動壓電變摩擦阻尼器等。

半主動變阻尼控制裝置一般只能實現(xiàn)與速度有關(guān)的控制力，而不能像主動控制作動器那樣能夠同時實現(xiàn)與位移和速度有關(guān)的控制力，也正是這種限制使得半主動變阻尼控制總是穩(wěn)定的。半主動變阻尼控制裝置的最大阻尼力可以借助主動控制理論，預先確定主動最優(yōu)控制力和控制效果，然后設計變阻尼裝置的最大阻尼力等于相應的最大主動最優(yōu)控制力。這樣設計的半主動變阻尼裝置在多大程度上可以實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力，從而在多大程度上接近主動最優(yōu)控制的效果，取決于主動最優(yōu)控制力時程有多大的比例與作動器所在結(jié)構(gòu)層的層間速度相反。

模糊控制利用模糊數(shù)學的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些控制問題。

“模糊”是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征?！澳：北取扒逦彼鶕碛械男畔⑷萘扛螅瑑?nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。1

基本原理為了實現(xiàn)對直線電機運動的高精度控制，系統(tǒng)采用全閉環(huán)的控制策略，但在系統(tǒng)的速度環(huán)控制中，因為負載直接作用在電機而產(chǎn)生的擾動，如果僅采用 PID 控制，則很難滿足系統(tǒng)的快速響應需求。由于模糊控制技術(shù)具有適用范圍廣、對時變負載具有一定的魯棒性的特點，而直線電機伺服控制系統(tǒng)又是一種要求要具有快速響應性并能夠在極短時間內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，所以考慮在速度環(huán)設計了PID模糊控制器，利用模糊控制器對電機的速度進行控制，并同電流環(huán)和位置環(huán)的經(jīng)典控制策略一起來實現(xiàn)對直線電機的精確控制。2

模糊半主動控制器包括四部分：

(1)模糊化。主要作用是選定模糊控制器的輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的模糊量，具體包含以下三步：第一，對輸入量進行滿足模糊控制需求的處理;第二，對輸入量進行尺度變換;第三，確定各輸入量的模糊語言取值和相應的隸屬度函數(shù)。

(2)規(guī)則庫。根據(jù)人類專家的經(jīng)驗建立模糊規(guī)則庫。模糊規(guī)則庫包含眾多控制規(guī)則，是從實際控制經(jīng)驗過渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。

(3)模糊推理。主要實現(xiàn)基于知識的推理決策。

(4)解模糊。主要作用是將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出。

變量選擇與論域分割變量選擇選擇的控制變量要具有系統(tǒng)特性。控制變量選擇是否正確，對系統(tǒng)的性能將有很大的影響。例如做位置控制時，系統(tǒng)輸出與設定值的誤差量就可以當做模糊控制器的輸入變量。一般而言，可選用系統(tǒng)輸出、輸出變化量、輸出誤差、輸出誤差變化量及輸出誤差量總和等，作為模糊控制器的語言變量，具體如何選擇還有賴于工程師對于系統(tǒng)的了解及其專業(yè)知識。因此，經(jīng)驗和工程知識在選擇控制變量時扮演著相當重要的角色。

論域分割控制變量確定之后，接下來就是根據(jù)經(jīng)驗寫出控制規(guī)則。在做成模糊控制規(guī)則之前，首先必需對模糊控制器的輸入和輸出變量空間做模糊分割。例如輸入空間只有單一變量時，可以用三個或五個模糊集合對空間做模糊分割，劃分成三個或五個區(qū)域。輸入空間為二元變量時，采用四條模糊控制規(guī)則，可以將空間分成四個區(qū)域。模糊分割即將部分空間表示為模糊狀態(tài)，斜線部分即為對明確的領域。

模糊分割時各領域間的重疊的程度影響控制的性能；一般而言，模集合重疊的程度并沒有明確的決定方法，大都依靠模擬和實驗的調(diào)整決定分割方式，不過有些報告提出大約1/3~1/2最為理想。重疊部份的大小意味著模糊控制規(guī)則間模糊的程度，因此模糊分割是模糊控制的重要特征。

控制規(guī)則控制規(guī)則是模糊半主動控制器的核心，它的正確與否直接影響到控制器的性能，其數(shù)目的多寡也是衡量控制器性能的一個重要因素，下面對控制規(guī)則做進一步的探討。

規(guī)則來源模糊控制規(guī)則的取得方式：

（1） 專家的經(jīng)驗和知識

模糊控制也稱為控制系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)，專家的經(jīng)驗和知識在其設計上有余力的線索。人類在日常生活常中判斷事情，使用語言定性分析多于數(shù)值定量分析；而模糊控制規(guī)則提供了一個描述人類的行為及決策分析的自然架構(gòu)；專家的知識通?？捎胕f….then的型式來表述。

藉由詢問經(jīng)驗豐富的專家，獲得系統(tǒng)的知識，并將知識改為if….then的型式，如此便可構(gòu)成模糊控制規(guī)則。除此之外，為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，常還需要多次使用試誤法，以修正模糊控制規(guī)則。

（2） 操作員的操作模式

現(xiàn)在流行的專家系統(tǒng)，其想法只考慮知識的獲得。專家可以巧妙地操作復雜的控制對象，但要將專家的訣竅加以邏輯化并不容易，這就需要在控制上考慮技巧的獲得。許多工業(yè)系統(tǒng)無法以一般的控制理論做正確的控制，但是熟練的操作人員在沒有數(shù)學模式下，卻能夠成功地控制這些系統(tǒng)：這啟發(fā)我們記錄操作員的操作模式，并將其整理為if….then的型式，可構(gòu)成一組控制規(guī)則。

（3） 學習

為了改善模糊控制器的性能，必須讓它有自我學習或自我組織的能力，使模糊控制器能夠根據(jù)設定的目標，增加或修改模糊控制規(guī)則。

規(guī)則型式模糊控制規(guī)則的形式主要可分為二種：

（1） 狀態(tài)評估模糊控制規(guī)則

狀態(tài)評估（state evaluation）模糊控制規(guī)則類似人類的直覺思考，它被大多數(shù)的模糊控制器所使用，其型式如下：

Ri：if x1 is Ai1 and x2 is Ai2 …. and xn is Ain

then y is Ci

其中x1,x2,…….,xn及y為語言變量或稱為模糊變量，代表系統(tǒng)的態(tài)變量和控制變量；Ai1,Ai2,….,Ain及Ci為語言值，代表論域中的模糊集合。該形式還有另一種表示法，是將后件部改為系統(tǒng)狀態(tài)變量的函數(shù)，其形式如下：

Ri：if x1 is Ai1 and x2 is Ai2 …. and xn is Ain

then y=f1(x1,x2,…….,xn)

(2)目標評估模糊控制規(guī)則

目標評估（object evaluation）模糊控制規(guī)則能夠評估控制目標，并且預測未來控制信號，其形式如下：

Ri：if(U is Ci→(x is A1 and y is B1))then U is Ci

規(guī)則流程實際應用模糊控制時，最初的問題是控制器的設計，即如何設計模糊控制法則。到目前為止模糊控制還沒能像傳統(tǒng)的控制理論一樣，借由一套發(fā)展完整的理論推導來設計。下面簡單介紹一下其設計概念：

圖3.4所示為單輸入和單輸出的定值控制時間響應圖，若使用狀態(tài)評估模糊控制規(guī)則的形式，前件部變量為輸出的誤差E和在一個取樣周期內(nèi)E的變化量CE，后件部變量為控制器輸出量U的變化量CU。則誤差、誤差變化量及控制輸出變化量的表示為：

其中E表誤差，R表設定值，Y表系統(tǒng)輸出，U表控制輸出，下標n表在時刻n時的狀態(tài)。由此可知，誤差變化量CE是隨輸出Y的斜率的符號變號，當輸出上升時，CE0。

本文所設計的模糊控制器之輸出輸入關(guān)系為：

E,CE→CU

在一般控制的計算法上稱為速度型，這是由于其輸出為U對時間的微分，相當于速度的CU。在構(gòu)造上也可采用以U為后件部變量的位置型，但前件部變量必需改用E的積分值。

由于由E與CE推論CU的構(gòu)造中，CU與E的關(guān)系恰巧相當于積分關(guān)系U(t)=Ki∫E(t)dt，而CU與CE的關(guān)系相當于比例關(guān)系U(t)=KpE(t)的緣故，所以又稱為Fuzzy PI控制。

設計模糊控制規(guī)則時，是在所設想對控制對象各階段的反應，記述采取哪一種控制比較好；首先選擇各階段的特征點，記錄在模糊控制規(guī)則的前件部，然后思考在該點采取的動作，記錄在模糊控制規(guī)則的后件部。例如，在第一循環(huán)之a(chǎn)1點附近，誤差為正且大，但誤差變化量幾乎是零，可以記為“E is PB and CE is ZO”在此點附近需要很大的控制輸出，記為”CU is PB”;同樣地，對于b1點、c1點、d1點等的附近，可分別得到如下的控制規(guī)則：

a1：If E is PB and CE is ZO then CU is PB

b1：If E is ZO and CE is NB then XU is NB

c1：If E is NB and CE is ZO then CU is NB

d1：If E is ZO and CE is PB then CU is PB

在第二循環(huán)之a(chǎn)2，b2等之附近，其E和CE的絕對值比a1，b1點中之值相對減少，所以其CU值相對地也較小，其控制規(guī)則如下：

a2：If E is PM and CE is ZO then CU is PM

b2：If E is ZO and CE is NM then CU is NM

表為依上述程序所構(gòu)成的13條控制規(guī)則，其中縱列為E值，橫列為CE值，表中所列之值為控制輸出變化量CU值。由表可知規(guī)則數(shù)最多可為49條，此表只使用了其中13條控制規(guī)則，設計者可依實際需要自行加減規(guī)則之數(shù)量，如19條、31條等等，以改系統(tǒng)之響應。

特點簡化系統(tǒng)設計的復雜性，特別適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的控制。

不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型。

利用控制法則來描述系統(tǒng)變量間的關(guān)系。

不用數(shù)值而用語言式的模糊變量來描述系統(tǒng)，模糊控制器不必對被控制對象建立完整的數(shù)學模式。

模糊控制器是一語言控制器，便于操作人員使用自然語言進行人機對話。

模糊控制器是一種容易控制、掌握的較理想的非線性控制器，具有較佳的魯棒性(Robustness)、適應性及較佳的容錯性(Fault Tolerance)。

模糊半主動控制方法結(jié)合了被動控制結(jié)構(gòu)和主動控制結(jié)構(gòu)和模糊控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的反應和外界的干擾動態(tài)地控制結(jié)構(gòu)，卻只需要可由電池提供的能量就能操作控制設施，避免了主動控制在大地震來臨時無法得到能量支持的缺點。此外，半主動控制所需要的控制設施經(jīng)濟、可靠、對維護的要求不高，是目前最能接受的土木工程結(jié)構(gòu)減震控制方法。3

缺點1.模糊半主動控制的設計尚缺乏系統(tǒng)性，這對復雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。難以建立一套系統(tǒng)的模糊控制理論，以解決模糊控制的機理、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)化設計方法等一系列問題；

2.如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)即系統(tǒng)的設計辦法，完全憑經(jīng)驗進行；

3.信息簡單的模糊處理將導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差。若要提高精度就必然增加量化級數(shù)，導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能進行實時控制；

4.如何保證模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性即如何解決模糊控制中關(guān)于穩(wěn)定性和魯棒性問題還有待解決。