浅谈模糊控制器的基本工作原理

模糊控制系统-般按系统偏差及偏差变化率来实现对工业过程的控制。模糊控制系统的基本结构，包括模糊化、模糊规则基、模糊推理、解模糊化和输入输出量化等部分-、囊帽化模糊化拈的作用是将-个精确的输入变量通过定义在其论域上的隶属函数计算出其属于各个模糊集合的隶属度，从而将其转化成为-个模糊变量。

模糊控啊规删模糊控制规则是模糊控制器的-个重要组成部分，由操作经验和专家知识总结得到的模糊规则均存放于此。表(1)给出了模糊控制规则基的-个实例。表中：NB-负大lNM-负中INS--负小lZ-零。Ps-正小；PM-正中；PB-正大。表中的模糊规则可以表述为：第i条规则：if E is巨 and E is E1 then U is ，.il，2，·-，11。其中，El，El，Ul∈负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。模糊规则是设计模糊控制器的核心〃立模糊控制规则的方法常用是经验归纳法。

所谓经验归纳法.就是根据人的控制经验和直觉推理，经过整理、加工和提炼后构成模糊规则系统的方法。这些规则实质是人类控制行为的-种语言描述.模糊控制瓣最常用的结构为二维模糊控制器，它们的输入变量-般取误差和误差变化，输出则为控制量的增量。对此种结构的模糊控制器，常采用所谓的MAMDANI控制规则。其中误差，误差变化及控制量增量均取7个语言值，为NB，NM，NS。Z，PS，PM，PB，这样，便可得到如下控制规则：if E is PB and Ec is NB，then △ is Zif E is PB and Ec is NS。then △U is NM类似的，可得到表(1)的模糊控制规则表。

模糊控制器控制规则的设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力是误差迅速减校当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚匿振荡兰，模糊推理推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程。并获得模糊控制量的功能部分。模糊推理是模糊逻辑理论中最基本的问题。常用的模糊推理方法是最大最小推理。下面以具有三角形隶属函数的模糊子集为例，具体介绍推理方法。

对于有两个输入变量E和Ec、-个输变量U的模糊控制器，通常它们所取模糊子集总数s(2n1)51为宜.控制规则取为：if E is A11 and is Al2 then U is表(1)模糊控制规则NB NM NS Z PS PM PB NB PB pB PM Ps P8 Z ZNM PB pB pM pM PS pS ZNS PB PB PM PS PS Z ZZ PB PM PM Z NM NM NBPS NZ NZ NZ NS NS NM NBPM NZ NZ NS NS NM NB NBPB NZ NZ NS NS NM NB NBif E is ，and E i§以 then U is其中，4。与4i和 1与 分别是输入语言变量E和 的两个相邻模糊子集；而 与 是输入语言变量U的两个相邻模糊子集。如果已知Eeo，巨eco，则可I 根据它们的隶属函数 ( )和 2(ec0)( 1，2是相邻两个模糊子集的序号)，可以求出合成度 为；PUi： pU， )那么其两条规则的合成推理结果为I)V )当·取rnin时， u[q APUIV[ A 而当·趣时，vU(u)[ (u)]v[coz/ 推理结果的获得。表示模糊控制的规则推理功能已经完成，但是至此获得的结果仍是-个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须做-次转换，求得清晰的控制量输出，即解模糊亿。

四.解模糊化解模糊化实际就是-个从模糊控制作用空间精确控制作用空间的映射，即解模糊判决。判决的方法很多，较常用的有下列几种：1、最大隶属度法这个方法在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素作为判决结果，如果在多个论域元素上同时出现隶属度最大值，则取它们的平均值作为判决结果 这种方法的优点是简单易行，其缺点是概括的信息量较少。因为，该法排除了其他-切隶属度较小的论域元素(量化等级)的作用，显得比较粗糙，只能用于控制性能要求-般的系统中。

2、取中位法为充分利用输出模糊集合所包含的信息，可将描述输出模糊集合的隶属函数曲线与横坐标围成的面积均分点的论域元素作为判决结果。这种方法称为取中位法。与第-种方法相比，取中位法概括了更多的信息，但计算比较复杂，特别是在连续隶属函数时，需求解积分方程，因此应用诚要比第兰种加权平均法少。

3、加权平均法加权平均法即所谓的重心法。它针对论域中的每个元素 (f1，2，-·1"1)，以它作为待判决输出模糊集合 的隶属度I.tU )的加权系数，即取乘积(1，2，·-，n)，再计算该乘积和∑ )对隶属度和的平均值 X0，即 ∑ ( )/∑ 平均值 便是应用加权平均法为模糊集合u求得的判决结果。该方法既突出了主要信息，又兼顾了其它信息，所以显得较为贴近实际情况，从而应用较为广泛。

以上三种方法各有优缺点，已有的研究表明，加权平均法比中位数法具有更佳的性能，而中位数法的动态性能更优于加权平均法，静态性能则略逊于后者。研究还表明，使用中位数法的模糊控制器类似于多级继电控制，加权平均法则类似于PI控制器。-般情况下，这两种方法都优于最大隶属度法。

五.输入输出量化输入量化的作用是将实际输入变量的基本论域变换成为其相应语言化变量的论域。以偏差e为例，其论域是由实际过程特性和操作习惯决定的，其对应的语言化变tE的论域则是由E上定义的模糊集合个数决定的，以7个为例，则E的论域为3，3]，偏差输入量化的作用是将输入e乘上-个比倒因子变为E，以科技 博览 311科 学论坛l阿伦河流域江岸防护林体系生态效益研究范忠海 姜 艳(甘南县甘南林场 黑龙江 甘南 162100)[摘 要]通过对阿伦河流域江岸防护林体系生态效益的系统研究，结果表明江岸防护林具有截持降水、蓄水保土、改善土壤结构、增加有机质以及调整区域小气候等显著生态效益。

[关键词]阿伦河流域 江岸防护林体系 生态效益中图分类号：$68 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2013)14-0312-01长期以来，由于人为的大面积的开垦耕地，使阿伦河两岸的江岸防护林遭到严重破坏，森林覆被率只有2.6%，致使嫩江支流阿伦河流域内的水土流失十分严重，河床於积。经过九八特大洪水，河道大坝大部分被洪水冲垮，造成大面积的农田和村屯被淹，房屋倒塌上万间，直接经济损失达妮 多元。因此，对阿伦河流域综合治理已经被当地政府和人民所重视。洪水过后，在当地的政府指导下，经过认真的规划，对阿伦河流域进行综合治理，在拓宽河道的同时，加宽、加高修筑河坝，并在河坝两侧进行营造大面积的护岸护堤林。

1自然概况试验区位于嫩江支流阿伦河的西岸，隶属于甘南县音河镇山湾村，地理位置北纬47 5O ～48。02 ，东经123。30 ～123 46 ，海拔160-180m，是大兴安岭余脉到松嫩平原的过渡地带。地下水位5-7m，水资源丰富。土壤主要为冲积沙土，土层厚30-40cm，土壤有机质2.4%，pH值6.5～7.5。年平均气温2～2。

5℃，≥1O℃年积温2560-2580，年平均日照2791h，无霜期130(1，年降水量430～440mm，年蒸发量1500ram 主要灾害因子是风、沙、旱、涝和低温冷害。

2生态效益2.1截持降水、固土保水林草生物措施是江河综合治理中既能治标，又能治本的根本措施。完善的江岸防护林可以有效地蓄水、保土、保肥、调节水分、保证水利设施正常持久发挥效能。大量实地观测证明，森林有很强的截留降水、减少地表径流、保持水土、涵养水源和减轻洪涝灾害的功能。林木凭借它庞大的林冠，深厚的枯枝落叶层和发达的根系，能起到良好的蓄水保土作用。

林冠层是产生森林水文效应的作用层，降水在这里产生第-次重新分配，大量的降水被林冠截留后，又被蒸发到空气中，减少了地表径流。经对甘南县音河镇山湾村的调查，lo年生落叶松纯林林冠下降雨截持率为20.6%；樟子松混交林林冠下截持率为20.7%；2O年生中东杨林冠下降雨截持率为24.6%。由此可见，多年生护岸护堤林林与防浪林林冠具有较强的截留作用，从而防止了水的流失，及雨水对土壤的冲涮，有效地控制了水土的流失。

水土流失是危及人民生命财产的大敌，江岸防护林是防治水土流失有效的生物措施。从多年来的实践证明，林木具有良好的固土保水作用，从这次的特大洪水可以充分看出，在阿伦河两岸有防护林的河坝大堤未被冲垮，保存完好，而没有防护林的大坝则被洪水冲开数个缺口。从被冲开的缺口上，有少数的残留的林木可以明显看出，这少数的散生的林木把土紧紧固定在树木根系周围而未被洪水冲走，裸露的根系长达数米，可见，江岸防护林具有良好的固土作用。

2 2土壤效应江岸防护林-但完善成形，对江河两岸的土壤具有良好的改善作用。它的根系能够改善土壤结构，使土壤由紧密型变成松散型，土壤的透气性增强，孔隙度增加，土壤的有机质含量增加。据试验测定，多年生江岸防护林下土壤含水率增加l5～3O个百分点，空隙度增加l5～20百分点，有机质含量增加10%～30%。同时减少了土壤有机物质的流失，土壤的渗透性增强，这主要是由于枯枝落叶变成腐殖质后混杂在土壤中，使土壤的各种性能都得到增强的结果。

2.3气象效益- 个完整的江岸防护林体系，它不仅起到护堤护岸的作用，对区域性小气候也有不同程度的影响和改善…岸防护林可以降低风速 提高气温、提高湿度等作用，经对甘南县音河镇山湾村小气候的观测表明：营造江岸防护林后，春秋两季，区域内比区域外平均气温高0.3℃，相对提高2.6%，这对促进农作物生根、发芽和防止霜冻等灾害有十分重要的意义；夏季区域内比区域外平均气温低0.4℃，相对降低2.1%，说明当大气温度较低时，森林有增温作用；当大气温度比较高时，森林有稍微的降温作用，这是江岸防护林对气温的调节作用。区域内比区域外平均减少水面蒸发8%，这说明江岸防护林具有减少水面蒸发的作用 在流域内，由于营造了大面积的江岸防护林，林内土壤湿度较大，加之树冠截留的降水不能立即逸散到高空，而是通过蒸发散布于近地层空气中，其中很大-部分仍被林冠保存在近地层，使区域内的湿度大于区域外。

此外，植物的蒸腾作用和林内微弱的湍流也影响着空气湿度，树木的蒸腾把大量的地下水变成蒸汽的形式，散发于其周围的空气中，使流域内湿度增加。

3结论3.1江岸防护林的截持降水、固土保水作用显著，研究表明：lO年生落叶松纯林林冠下降雨截持率为2O.6%-樟子松混交林林冠下截持率为20.7%；20年生中东杨林冠下降雨截持率为24.6%。

3.2江岸防护林的土壤效应显著，据测定，多年生江岸防护林下土壤含水率增加15～30 百分点，空隙度增加15～20 百分点，有机质含量增加10%～30% 。

3.3江岸防护林的气象效益显著，研究表明：营造护江岸防护林后，春秋两季，区域内比区域外平均气温高0.3℃，相对提高2.6%，夏季区域内比区域外平均气温低0.4"C，相对降低2.1%。

作者简介范忠海(1974-)，男，大学本科，工程师，主要从事林业生产工作。

便将e的论域变换为[-3，3]。同样， 也需要通过相应比例因子进行输入量化。

输出语言化变量U也需要通过输出比例因子进行输出量化，将u的论域转化为实际输出变量u的论域基本模糊控制器的两个量化因子和-个比例因子对控制效果有很大的影响。-般情况下，偏差最化因子选的越大，系统超调越大，过渡过程时间越大，但稳定控制精度高，偏差变化因子变猩减少超调，但会增大系统稳态误差。偏差变化量化因子对系统超调的遏止作用十分明显，偏差变化量化因子选择较大时，超调量减小，但会减慢系统响应速度。输出比例因子的大小也影响着模糊控制的特性。输出比例因子选择过嗅使系统动态响应过程变长，而输出比例因312 i科技博览子选择过大会导致系统振荡。量化因子和比例因子的选择并不是唯-的，可能有几组不同的值，都能使系统获得较好的响应特性。

作者简介琚壶，(1983-l2)，男，山西高平人，本科，新乡职业技术学院助理级。研究方向：电力电子技术、自动化控制。

郑伟(1982-lO)，男，河南新乡人，本科。新乡职业技术学院助理级。研究方向：电子技术、自动化控制。