模糊半主动控制

常见的半主动控制系统有主动调谐参数质量阻尼系统(ATMD)、可变刚度系统(AVS)、可变阻尼系统(AVD)，变刚度变阻尼系统(AVSD)等。

AVS系统的控制方式是通过由计算机控制的快速反应锁定装置来控制和改变系统的刚度，以此避开共振的影响，从而降低结构的反应。由于半主动控制装里只能增加结构的刚度，对于刚度己经很大的土木工程结构而言，为了能有效减小结构的动力反应就要求半主动变刚度系统的可变刚度比较大，这无疑使半主动变刚度系统的设计和应用带来了比较大的困难，换言之，半主动变刚度系统用于控制柔性结构的动力反应更加有效。

AVD系统是通过主动调节半主动变阻尼控制装置的阻尼力，使其等于或接近主动最优控制力，从而达到与主动控制接近的减震效果.半主动变阻尼控制装里可以连续改变阻尼力，具有控制宽频带激励振动的能力，包括半主动粘滞变阻尼器、半主动磁流变阻尼器、半主动电流变阻尼器、半主动压电变摩擦阻尼器等。

半主动变阻尼控制装置一般只能实现与速度有关的控制力，而不能像主动控制作动器那样能够同时实现与位移和速度有关的控制力，也正是这种限制使得半主动变阻尼控制总是稳定的。半主动变阻尼控制装置的最大阻尼力可以借助主动控制理论，预先确定主动最优控制力和控制效果，然后设计变阻尼装置的最大阻尼力等于相应的最大主动最优控制力。这样设计的半主动变阻尼装置在多大程度上可以实现主动最优控制力，从而在多大程度上接近主动最优控制的效果，取决于主动最优控制力时程有多大的比例与作动器所在结构层的层间速度相反。

利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。

“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。

半主动控制属于参数控制，控制过程依赖于结构反应及外部激励信息，通过少量能量而实时改变结构的刚度或阻尼等参数来减少结构的反应。半主动控制不需要大鼓外部能源的输入来直接提供控制力，只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地利用结构振动的往复相对变形或速度，尽可能地实现主动最优控制力。由于半主动控制兼具上动控制优良的控制效果和被动控制简单易行的优点，同时克服了主动控制需要大最能量供给和被动控制调谐范围窄的缺点，因此，半主动控制具有较大的研究和应用开发价值，是当前的研究热点。

• 1983年Hrovat研究了土木工程结构的半主动控制问题，提出了半主动控制系统尽可能实现主动最优控制力的规则。

• 1990年Kobori等人提出了半主动变刚度控制的概念，研制了半主动变刚度控制系统，并提出了半主动变刚度控制算法。

• 1990年日本Kajima研究所的三层钢结构办公楼首次应用了半主动变刚度控制系统，经历了实际中的中小地震作用，显示出了很好的控制效果。我国刘季、李敏霞和欧进萍等人在稍晚一些时期也进行了半主动变刚度控制的研究工作，研制开发了足尺半主动变刚度控制装置。

• 1992年Kawashima,Mizuno和Shinozuka等人同时提出了结构半主动变阻尼控制系统，并分别研究了建筑结构和桥梁结构半主动变阻尼控制的分析方法和控制效果，1997年美国首次应用主动变阻尼控制装置控制高速公路I-35连续梁钢桥重载车辆引起的振动，显示了很好的控制效果。

• 1998年日本应用半主动变阻尼控制的建成Kajima Shizuoka建筑，在实际小地震作用下显示了良好的控制效果。我国孙作玉(1998)和李惠(2002)等人研究了建筑结构半主动变阻尼控制方法，研制开发了半主动变阻尼控制装置。

• 1995年，美国Lord公司在第五届电磁流变体国际会议上展示了几种具有高性能参数的电流变液和磁流变液阻尼器，从而掀起了磁流变液及其装置的研究热潮。

• 1996年以来，Spencer等人研究了磁流变阻尼器的地震反应控制、结构磁流变阻尼隔震和斜拉索的磁流变阻尼风振控制。Dyke (1996)等人试验研究了一座三层框架地震反应的磁流变阻尼控制效果，结果表明:半主动磁流变阻尼控制接近于主动控制效果，而且总是稳定的。

• 2001年日本东京国家新兴科技博物馆首次将磁流变阻尼器应用于地震反应控制。

• 2001年我国岳阳洞庭湖多塔斜拉桥首次安装美国Lord公司生产磁流变阻尼器控制斜拉索风雨激励的振动401。哈尔滨工业大学的欧进萍、李慧(2003)等人将自行研制开发的磁流变阻尼器用于山东滨州黄河大桥20根斜拉索的风雨激振。

Zadeh创立的模糊数学，对不明确系统的控制有极大的贡献，自七十年代以后，一些实用的模糊控制器的相继出现，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步，下面本文将对模糊控制理论做一番浅介。

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。

模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是日本，得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制。

模糊半主动控制变量选择

选择的控制变量要具有系统特性。控制变量选择是否正确，对系统的性能将有很大的影响。例如做位置控制时，系统输出与设定值的误差量就可以当做模糊控制器的输入变量。一般而言，可选用系统输出、输出变化量、输出误差、输出误差变化量及输出误差量总和等，作为模糊控制器的语言变量，具体如何选择还有赖于工程师对于系统的了解及其专业知识。因此，经验和工程知识在选择控制变量时扮演着相当重要的角色。

模糊半主动控制论域分割

控制变量确定之后，接下来就是根据经验写出控制规则。在做成模糊控制规则之前，首先必需对模糊控制器的输入和输出变量空间做模糊分割。例如输入空间只有单一变量时，可以用三个或五个模糊集合对空间做模糊分割，划分成三个或五个区域。输入空间为二元变量时，采用四条模糊控制规则，可以将空间分成四个区域。模糊分割即将部分空间表示为模糊状态，斜线部分即为对明确的领域。

模糊分割时各领域间的重叠的程度影响控制的性能；一般而言，模集合重叠的程度并没有明确的决定方法，大都依靠模拟和实验的调整决定分割方式，不过有些报告提出大约1/3~1/2最为理想。重叠部份的大小意味着模糊控制规则间模糊的程度，因此模糊分割是模糊控制的重要特征。

1.模糊半主动控制的设计尚缺乏系统性，这对复杂系统的控制是难以奏效的。难以建立一套系统的模糊控制理论，以解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统化设计方法等一系列问题；

2.如何获得模糊规则及隶属函数即系统的设计办法，完全凭经验进行；

3.信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。若要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能进行实时控制；

4.如何保证模糊控制系统的稳定性即如何解决模糊控制中关于稳定性和鲁棒性问题还有待解决。2100433B

控制规则是模糊半主动控制器的核心，它的正确与否直接影响到控制器的性能，其数目的多寡也是衡量控制器性能的一个重要因素，下面对控制规则做进一步的探讨。

模糊半主动控制规则来源

模糊控制规则的取得方式：

（1） 专家的经验和知识

模糊控制也称为控制系统中的专家系统，专家的经验和知识在其设计上有余力的线索。人类在日常生活常中判断事情，使用语言定性分析多于数值定量分析；而模糊控制规则提供了一个描述人类的行为及决策分析的自然架构；专家的知识通常可用if….then的型式来表述。

藉由询问经验丰富的专家，获得系统的知识，并将知识改为if….then的型式，如此便可构成模糊控制规则。除此之外，为了获得最佳的系统性能，常还需要多次使用试误法，以修正模糊控制规则。

（2） 操作员的操作模式

现在流行的专家系统，其想法只考虑知识的获得。专家可以巧妙地操作复杂的控制对象，但要将专家的诀窍加以逻辑化并不容易，这就需要在控制上考虑技巧的获得。许多工业系统无法以一般的控制理论做正确的控制，但是熟练的操作人员在没有数学模式下，却能够成功地控制这些系统：这启发我们记录操作员的操作模式，并将其整理为if….then的型式，可构成一组控制规则。

（3） 学习

为了改善模糊控制器的性能，必须让它有自我学习或自我组织的能力，使模糊控制器能够根据设定的目标，增加或修改模糊控制规则。

模糊半主动控制规则型式

模糊控制规则的形式主要可分为二种：

（1） 状态评估模糊控制规则

状态评估（state evaluation）模糊控制规则类似人类的直觉思考，它被大多数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为语言变量或称为模糊变量，代表系统的态变量和控制变量；Ai1,Ai2,….,Ain及Ci为语言值，代表论域中的模糊集合。该形式还有另一种表示法，是将后件部改为系统状态变量的函数，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)目标评估模糊控制规则

目标评估（object evaluation）模糊控制规则能够评估控制目标，并且预测未来控制信号，其形式如下：

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

模糊半主动控制规则流程

实际应用模糊控制时，最初的问题是控制器的设计，即如何设计模糊控制法则。到目前为止模糊控制还没能像传统的控制理论一样，借由一套发展完整的理论推导来设计。下面简单介绍一下其设计概念：

图3.4所示为单输入和单输出的定值控制时间响应图，若使用状态评估模糊控制规则的形式，前件部变量为输出的误差E和在一个取样周期内E的变化量CE，后件部变量为控制器输出量U的变化量CU。则误差、误差变化量及控制输出变化量的表示为：

其中E表误差，R表设定值，Y表系统输出，U表控制输出，下标n表在时刻n时的状态。由此可知，误差变化量CE是随输出Y的斜率的符号变号，当输出上升时，CE<0, 下降时CE>0。

本文所设计的模糊控制器之输出输入关系为：

E,CE→CU

在一般控制的计算法上称为速度型，这是由于其输出为U对时间的微分，相当于速度的CU。在构造上也可采用以U为后件部变量的位置型，但前件部变量必需改用E的积分值。

由于由E与CE推论CU的构造中，CU与E的关系恰巧相当于积分关系U(t)=Ki∫E(t)dt，而CU与CE的关系相当于比例关系U(t)=KpE(t)的缘故，所以又称为Fuzzy PI控制。

设计模糊控制规则时，是在所设想对控制对象各阶段的反应，记述采取哪一种控制比较好；首先选择各阶段的特征点，记录在模糊控制规则的前件部，然后思考在该点采取的动作，记录在模糊控制规则的后件部。例如，在第一循环之a1点附近，误差为正且大，但误差变化量几乎是零，可以记为“E is PB and CE is ZO”在此点附近需要很大的控制输出，记为”CU is PB”;同样地，对于b1点、c1点、d1点等的附近，可分别得到如下的控制规则：

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

在第二循环之a2，b2等之附近，其E和CE的绝对值比a1，b1点中之值相对减少，所以其CU值相对地也较小，其控制规则如下：

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

表为依上述程序所构成的13条控制规则，其中纵列为E值，横列为CE值，表中所列之值为控制输出变化量CU值。由表可知规则数最多可为49条，此表只使用了其中13条控制规则，设计者可依实际需要自行加减规则之数量，如19条、31条等等，以改系统之响应。

为了实现对直线电机运动的高精度控制，系统采用全闭环的控制策略，但在系统的速度环控制中，因为负载直接作用在电机而产生的扰动，如果仅采用 PID 控制，则很难满足系统的快速响应需求。由于模糊控制技术具有适用范围广、对时变负载具有一定的鲁棒性的特点，而直线电机伺服控制系统又是一种要求要具有快速响应性并能够在极短时间内实现动态调节的系统，所以考虑在速度环设计了PID模糊控制器，利用模糊控制器对电机的速度进行控制，并同电流环和位置环的经典控制策略一起来实现对直线电机的精确控制。

模糊半主动控制器包括四部分：

(1)模糊化。主要作用是选定模糊控制器的输入量，并将其转换为系统可识别的模糊量，具体包含以下三步：第一，对输入量进行满足模糊控制需求的处理;第二，对输入量进行尺度变换;第三，确定各输入量的模糊语言取值和相应的隶属度函数。

(2)规则库。根据人类专家的经验建立模糊规则库。模糊规则库包含众多控制规则，是从实际控制经验过渡到模糊控制器的关键步骤。

(3)模糊推理。主要实现基于知识的推理决策。

(4)解模糊。主要作用是将推理得到的控制量转化为控制输出。

• 简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、滞后、模型不完全系统的控制。

• 不依赖于被控对象的精确数学模型。

• 利用控制法则来描述系统变量间的关系。

• 不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。

• 模糊控制器是一语言控制器，便于操作人员使用自然语言进行人机对话。

• 模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的鲁棒性(Robustness)、适应性及较佳的容错性(Fault Tolerance)。

模糊半主动控制方法结合了被动控制结构和主动控制结构和模糊控制结构的优点，能够根据结构的反应和外界的干扰动态地控制结构，却只需要可由电池提供的能量就能操作控制设施，避免了主动控制在大地震来临时无法得到能量支持的缺点。此外，半主动控制所需要的控制设施经济、可靠、对维护的要求不高，是目前最能接受的土木工程结构减震控制方法。

模糊控制理论发展至今，模糊推论的方法大致可分为三种，第一种推论法是依据模糊关系的合成法则，第二种推论法是根据模糊逻辑的推论法简化而成，第三种推论法和第一种相类似，只是其后件部分改由一般的线性式组成的。模糊推论大都采三段论法，可表示如下：

条件命题：If x is A then y is B

事　实：x is A

结　论：y is B

表示法中的条件命题相当于模糊控制中的模糊控制规则，前件部和后件部的关系，可以用模糊关系式来表达；至于推论演算，则是将模糊关系和模糊集合A进行合成演算，得到模糊集合B。

若前件部分含有多个命题时，则可表示如下：

条件命题：If x1 is A1 …. and xn is An

then y is B

事　实：x is A1 and ….and xn is A’n

结　论：y is B

工程师们对模糊逻辑的了解已经超过35年。模糊控制的魅力在于小规模的微型控制器，因为这一技术比常规的PID要求较少的计算幂和更少的操作存储量。

模糊控制的基本形式可模拟人工控制过程。根据瞬时温度背离设定值（调节误差，e(n)）的程度和温度改变的速率（或调节误差的背离，(e(n))，人工调整应用于加热成分的幂。整个过程由系统的物理或数学性质决定。温度的背离和温度的改变速率是高？是低？还是中等？模糊控制以同样的过程变量状态运行。

模糊温度控制器的框图表明，模糊控制器的输出是如何在功能加强的传统的PID控制器的情况下与前馈模块的输出相结合的。类似的适配模块可使解模糊化过程优化（使模糊化输出变量成为明确的输出值），并且同时帮助加热器模块更真实反映加热过程。

在实行模糊控制时，将许多控制规则进行上述推论演算，然后结合各个由演算得到的推论结果获得控制输出；为了求得受控系统的输出，必须将模糊集合B解模糊化，解模糊化的方法包括：

(1)重心法

(2) 高度法

(3) 面积法