专利名称：使用辅助变量的多区域模糊逻辑控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制具有不止一个过程工作区的非线性过程的控制系统。尤其，本发明涉及一种模糊逻辑控制器，它利用辅助过程变量来确定过程工作区并选择模糊隶属函数应用于模糊输入变量，以提供相应于该过程工作区的过程控制输入。
背景技术：
模糊逻辑包含一系列用“如果……则……”的模糊隐含形式表示的模糊控制规则。这些模糊隐含包括那些通常被称为“语言变量”的模糊变量。将模糊变量应用到模糊规则中便可完成模糊推理或推断。
例如，如通过引用包括在此作参考的由Tanaka等发明的第5,158,024号美国专利所述，过程控制应用中已使用了模糊逻辑。在这些控制应用中，模糊逻辑形成了一个用于控制过程参数的模糊控制器。典型的模糊逻辑控制器由三个基本部分组成输入信号模糊化、处理规则推理的模糊机和为诸如控制阀等执行器产生连续信号的去模糊化。
对过程参数进行模糊控制有几个好处。一个好处是，由于模糊控制规则和模糊变量非常适合人的思维过程，所以可方便地把人类经验结合到模糊控制器中。
使用模糊控制器的另一个好处是由模糊化、把模糊规则用于模糊变量以及去模糊化所产生的非线性。这种模糊控制过程中固有的非线性使模糊控制器非常适于非线性的过程控制。
但是，目前用于过程控制的过程控制器是把过程误差信号和过程误差信号的变化用作控制器的输入来确定过程控制或过程输入信号。这些控制器的输入并未给模糊控制器提供足够的信息，所以该过程控制信号会引起任何过程的非线性。因此，这些模糊逻辑控制器不能补偿过程的非线性。
目前所需的模糊控制器要能够提供可以补偿具有诸如过程增益等非线性变量之过程的过程控制信号。该模糊控制器应在所有不同的非线性区都能对过程进行补偿，使得控制性能一致。发明内容本发明的一个方面是，提供一种适于控制非线性过程的模糊逻辑控制系统。该模糊控制系统包括一个模糊控制器，控制器用辅助过程变量来确定过程正在进行工作的地方并补偿过程的非线性。
本发明的另一方面是一种能够提供过程控制信号的控制系统，用于控制具有第一和第二工作区的非线性过程。该控制系统包括这样的装置，它们能在第一和第二过程工作区的每个区中提供具有预定特性的辅助过程信号。
提供了一种模糊逻辑控制器，它包括将一过程误差信号与第一区中过程操作的过程控制信号联系起来的第一模糊隶属函数。还包括将该过程误差信号与第二区中过程操作的过程控制信号联系起来的第二模糊隶属函数。它所包括的一模糊推理机，把根据辅助过程信号值选取的第一和第二模糊隶属函数中的一个应用于过程误差信号值，以推断出过程控制信号值。
在一较佳实施例中，本发明提供的一种控制系统用于控制具有非线性过程增益的过程。该过程具有第一和第二过程增益区。该控制系统包括一个连接在过程和模糊逻辑控制器之间的电路。该电路提供了表示第一和第二过程增益区的辅助过程变量。
模糊逻辑控制器为过程提供一控制信号值。模糊逻辑控制器包括第一模糊隶属函数，该函数被选来对第一过程增益区进行比例和积分控制。也包括第二模糊隶属函数，该函数被选来对第二过程增益区进行比例和积分控制。还包括一模糊机，它被配置成应用第一和第二模糊隶属函数中的一个(隶属函数根据从辅助过程变量值所确定的过程工作区来选取，并应用到过程误差信号值)和过程误差值的变化。应用被选模糊隶属函数可使模糊机推算出控制信号值，以在第一和第二过程增益区中保持合适的过程操作。
本发明的又一方面是，提供一种用于控制非线性过程使之成为过程误差信号函数的控制系统。该控制系统包括这样的装置，这些装置用于提供表示非线性过程正在哪个工作区工作的辅助变量信号。控制系统还包括模糊逻辑控制器，用于提供过程控制输出信号，从而控制非线性过程，使之成为过程误差信号和辅助变量信号的函数。
在一较佳实施例中，本发明提供了一种控制系统，该控制系统能对某过程多个不同工作区中的每个区对具有非线性过程增益的这个过程进行微分、比例和积分控制。控制系统包括提供过程误差值的装置和提供过程误差值变化的装置。还包括用于提供辅助值的装置，所述辅助值表示多个不同工作区中过程正在操作的工作区。还包括一个模糊逻辑控制器，它能对过程进行比例、积分和微分控制，使之成为过程信号误差值、过程误差值的变化和辅助值的函数。
本发明的再一个方面是，提供一种控制非线性过程使之成为过程误差信号和控制器参数值之函数的控制器。控制器参数值基于非线性过程正在工作的那个工作区。该控制器包括一个与非线性过程相连的模糊机，把作为过程误差信号、控制器参数值和多组模糊规则中某组规则之函数的过程控制输出信号提供给该过程不同的工作区。
本发明的另一个方面是，提供一种用于控制非线性过程使之成为过程误差信号之函数的方法。该方法包括，根据辅助过程变量信号从多个工作区中确定一个过程工作区。该方法包括，把不同工作区的多组模糊规则中的一组应用到过程误差信号上，以推断出过程控制输出信号。被应用的模糊规则基于过程的工作区。
在一较佳实施例中，用于控制非线性过程的方法还包括将过程误差信号转换成模糊误差信号值。在该实施例中，应用多组模糊规则中的一组包括把多组模糊规则中的一组应用到模糊过程误差信号上，从而推算出过程控制信号值。附图概述
图1是已有技术中模糊逻辑控制器的方框图。
图2a和图2b是两张曲线图，示出了具有非线性增益的过程的过程输入和过程输出之间的关系。
图3是本发明模糊控制器系统的方框图，该系统利用辅助过程变量来确定过程正在哪里工作并补偿增益的非线性。
图4a是图3所示具有三个工作区的模糊控制器的辅助变量隶属函数定义。
图4b是图3所示模糊控制器误差隶属函数定义中的变化率。
图4c是图3所示模糊控制器误差隶属函数定义中的变化。
图4d是图3所示模糊控制器过程控制隶属函数定义中的变化。
图5是一张表格，示出了用于控制图2a非线性过程的模糊推理规则。
图6是进行pH滴定控制的连续搅拌的容器反应器。
图7是表示酸液流速与pH之间关系的曲线图。
图8a是一控制曲面，示出了当pH为13时图6所示容器反应器的滴定控制器中的过程误差、误差的过程变化和过程控制中的变化之间的关系。
图8b是一控制曲面，示出了当pH为9时图6所示容器反应器的误差、误差的变化和过程控制中的变化之间的关系。
图8c是一控制曲面，示出了当pH为4时图6所示容器反应器的误差、误差的变化和过程控制中的变化之间的关系。
图9a是一曲线图，示出了当用本发明的三区模糊控制器控制时图6所示的容器反应器的阶梯响应。
图9b示出了图6所示的容器反应器在常规的PI型模糊控制器控制下的阶梯响应。
图10示出了本发明三区模糊控制器在基液浓度中存在正向和反向扰动时的pH控制性能。本发明的最佳实施方式在讨论本发明的模糊逻辑控制器之前，先回顾一下已有技术中常用的模糊控制器是有帮助的。图1示出了已有技术的模糊控制器10。模糊控制器10包括模糊化部分12、模糊机14和去模糊化部分16。提供给模糊控制器10的输入信号18和20是表示过程误差的连续信号。模糊控制器10提供的输出信号22是提供过程控制的连续信号。
通常，提供给模糊控制器10的输入信号18和20分别表示过程误差(e)和过程误差的变化(Δe)。对于比例积分(PI)控制器，过程误差信号18常常是设置点与过程输出信号之间的差值，而误差信号的变化20则表示过程误差信号18在所选采样时间间隔中的变化。
通常把模糊控制器10的输出信号22提供给过程，以尽量减少或减少由模糊控制器输入信号18和20所表示的过程误差。常常用输出信号22来激励过程内诸如控制阀和执行器等控制元件。
模糊化部分12在选定的采样时间间隔将连续的输入信号18和20转换或转变成语言或模糊变量。这些模糊变量是从人类的经验中导出的，比如象小、大、正和负，它们只是其中的一些。模糊变量被提供给模糊机14，以进行模糊推理。
模糊机14包括一组模糊规则，它们是涉及到模糊变量的一系列“如果……则……”形式的表述。模糊机14将模糊部分12提供的模糊变量应用于模糊规则，从而推理控制行为。这个采取模糊变量形式的控制行为被提供给去模糊化部分16。
去模糊化部分16将表示推理得的控制作用的模糊变量转换成由输出信号22表示的连续信号。
图2a和2b是两例曲线图，示出了两非线性过程中过程输入与过程输出的关系。在每张图中，水平轴是由变量U表示的过程输入，而垂直轴是变量Y表示的过程输出。图2a所示的曲线24呈正弦形状，具有数字I和III表示的两个低过程增益区和数字II表示的一个高过程增益区。图2b所示的曲线26是另一例非线性过程增益。曲线26具有数字I表示的正过程增益区和数字II表示的负过程增益区。图2a和2b中的这些例子只是说明应该用过程控制器进行补偿的两种过程非线性情况。
如上所述，图1中所示的PI型模糊控制器10(它利用了过程误差信号18和过程误差信号的变化20)不区分数字II表示的高增益区(图2)和数字I和III表示的低增益区，从而不能在所有的区域中提供令人满意的性能。另外，图1所示的模糊控制器10不能区分图2b中数字I表示的正增益区和数字II表示的负增益区，从而无法在这两个区域中给出令人满意的性能。
一种用于控制具有多个工作区的非线性过程的方法历来是使用多个常规线性PID控制器。该方法提供了一个程序机，它监视过程状态并根据过程状态选择一个常规线性PID控制器。该过程控制方法是众所周知的，常常被称为增益程序。
图3示出了本发明的过程控制系统30。该系统能判断过程正在哪个非线性过程区中工作，并提供与该区域对应的过程控制信号。用这种方式，模糊控制系统30无需牺牲图2a中数字I和III表示的低过程增益区的性能，便能确保数字II表示的高过程增益区的稳定性。另外，作为另一个例子，模糊控制系统30能够辨别图2b中数字I表示的正过程增益区和数字II表示的负过程增益区，从而分别在一个区域中提供负反馈，而在另一个区域中提供正反馈。
本发明的模糊控制系统30包括非线性过程32和将控制输入提供给过程的模糊逻辑控制器34，致使过程输出在过程工作的每个区域中是均匀的。
模糊控制系统30接收连续输入信号或设置点36，并提供用y表示的具有模糊变量值yK的连续过程输出信号38。组合装置(com-bining means)42将过程输出信号38与过程输入信号36合并，提供用e表示的具有模糊变量值eK的误差信号40。模糊逻辑控制器34还从信息组合装置42接收用Δe表示的具有模糊变量值ΔeK的过程误差信号的变化44。过程误差信号的变化44表示过程误差信号40在整个被选的采样时间间隔中的变化。
本发明模糊控制系统30的一个重要方面是，使用由过程32提供给模糊逻辑控制器34的以AV表示的具有模糊变量值AVK的辅助变量信号46，确定非线性过程正在哪里工作，从而模糊逻辑控制器34能够在所有过程工作区中提供令人满意的性能。使用图1所示的不使用辅助变量信号46的模糊逻辑控制器的模糊控制系统不能在过程非线性中区分不同点的工作情况，从而不能适当地补偿该过程非线性。因此，模糊逻辑控制器34使用辅助变量信号46可以提高所有工作区中的过程性能。
与图1所示的模糊逻辑控制器10类似，该模糊逻辑控制器34包括模糊化部分、模糊机和去模糊化部分。但是，模糊逻辑控制器34的模糊化部分不是只转换过程误差信号(e)和误差信号中的过程变化(Δe)，它还把辅助过程变量信号46(AV)转换成一模糊变量。模糊机将这些模糊变量应用于模糊规则，以提供模糊推理。模糊逻辑控制器34的去模糊化部分将该模糊变量形式表示的模糊推理转换成一连续信号。模糊逻辑控制器34输出的去模糊后的输出信号代表了过程输入信号48，它用Δu表示并具有模糊变量值ΔuK。
模糊逻辑控制器34提供的过程输入或控制信号48(ΔuK)是过程输入信号的变化。因此，所有先前控制作用的总和确定了由uK表示的瞬时过程输入50。该总和由延迟部分52表示，它提供了由累加装置54用来与过程输入信号的变化48(ΔuK)累加的前一个瞬时过程输入信号uK。
辅助变量(AVK)的选择应能确定非线性变量的工作区。根据工作区是如何确定的，可把瞬时过程输入50(uK)或过程输出信号38(yK)用作辅助变量(AVK)。例如，在增益为图2a中曲线24所示的正弦形状的情况下，可把过程输出信号(yK)用作辅助变量(AVK)。但在图2B中，当过程增益如图2b中曲线26所示改变符号时，应把过程输入信号(uK)用作辅助变量(AVK)。
根据已有的知识或过程32预定的特征，定义存储在模糊逻辑控制器34中的模糊隶属函数或规则。定义隶属函数应使过程32能补偿不希望有的系统行为。作为一个例子，可用具有图2a所示正弦非线性增益之过程的隶属函数来说明隶属函数的定义。对于正弦非线性系统的情况，辅助变量(AVK)应具有三个与图2a的三个不同过程增益区对应的区域。图4b示出了辅助变量(AVK)的隶属函数。与数字I、II和III表示的三个区域都相关的模糊变量分别是“低”、“中”和“高”。图4b、4c和4d分别示出了过程误差变化(ΔeK)、过程误差(eK)和过程输入变化(ΔuK)的模糊隶属函数。在图4b、4c和4d中，NL表示模糊变量负得较大，NM表示模糊变量负得中等，NS表示模糊变量负得较小，ZO表示模糊变量为零，PS表示模糊变量正得较小，PM表示模糊变量正得中等，而PL表示模糊变量正得较大。如式1、2和3所示，每个模糊变量，控制误差(e)、控制误差变化(Δe)和过程输入变化(Δu)分别用通常的方法归一。(1)e*=eSe]]>(2)Δe*=ΔeSΔe]]>(3)Δu*=ΔuSΔu]]>其中，e*、Δe*和Δu*分别是图4b、4c和4d所示的标定隶属函数，而Se、SΔe和SΔu分别是模糊变量e、Δe和Δu的比例系数。
定义了被控过程的模糊变量后，必须定义模糊推理规则。以下描述了一例普通的模糊推理规则。(4)如果AV为Ai，e为Bi并且Δe为Ci，则使Δu为Di，其中，Ai、Bi、Ci和Di分别是表示AV、e、Δe和Δu等变量值的形容词。这些形容词或变量值可以是诸如负较小、正较大和零等描述词。模糊规则从操作人员的经验得到，以控制将使用模糊控制器的过程。
模糊推理规则定义了运用模糊逻辑控制器34对某个特定的过程状态作出的响应。例如，当过程正在低增益区工作时，需要较强的控制作用。另一方面，当过程处于高增益区时，则应使用温和至较弱的控制作用来确保系统的稳定性。在图2a所示过程的每个区I、II和III内都有一个与辅助变量(AV)相对应的区域，可为普通的模糊型控制器定义规则。用这种方式，当在被选的区域中操作过程时，可用普通的方法设计三个比例-积分(PI)型模糊控制器，以提供适当的补偿。图5示出了一例有关图2a的正弦非线性过程的模糊推理规则。
如图5所示，这些模糊推理规则分为三个独立组，第一组对应于图4a中定义的低状态下的辅助变量(AVK)，第二组对应于图4a中定义的中等状态下的辅助变量(AVK)，第三组对应于图4a中定义的高状态下的辅助变量(AVK)。用这种方式，便可用辅助变量AVK(它具有三个区，三个区的变量值低、中和高分别与图2a中标有数字I、II和III的三个区域对应)来选择为控制该特定的过程工作区而设计的相应的模糊规则组。
由图5可知，当辅助变量为低或高，并且当误差和误差变量变化的值为负较大或负较小时，模糊控制器输出信号的值uK等于正较大。当对应于非线性过程低增益区的辅助值为高或低时，模糊逻辑输出变量为正较大或负较大。在这些低增益区中过程控制更为强劲，以提供更好的响应时间。相反，对于与具有中等值的辅助变量相应的模糊隶属规则，辅助变量对应于高增益区，为了在该工作区中保持稳定，控制变量永远不会很大。
本发明的一个重要方面是，在所有可能的地方可以统一非线性过程每个区的模糊规则。例如，无论辅助值AVK为多少，对于变量eK和ΔeK等值的情况，过程控制变量为零值。合并图5中的这些规则，无需改变函数性便能取消十条规则。另外，如果在模糊控制规则为相同或两种状态的地方辅助变量值为低或高，则可以取消25条模糊控制规则。用这种方式，对不同的辅助变量值，可以通过合并相同的规则来减少规则。
对于使用五个变量的三区模糊控制器，有75条可能的规则。如果控制需要使用七个形容词，那么就需要147条规则。因此，可以通过减少变量数来减少规则总数。另外，如上所述，可以通过合并或统一不同过程工作区中使用的相同规则来减少规则数。规则的减少缩短了模糊逻辑控制器34所需的计算时间并减少了将每条规则存储在模糊逻辑控制器中所需的存储器。
在选取模糊变量并定义了模糊规则后，必须调整多区模糊控制器34。调整是一包括下列步骤的过程(i)调整比例系数，(ii)调整模糊隶属函数，(iii)调整模糊规则，和(iv)调整辅助变量(AV)隶属函数，以获得平稳的区域过渡。由于比例系数是影响整个控制性能的全局性调整参数，所以应首先调整它们。其次调整对规则的一个子集起作用的隶属函数。由于单条模糊规则只影响特定的单一输出，所以应最后调整它们。
在每个区内，可用类似于模糊PI控制器所用的常规技术调整模糊控制器34。对于由下式表示的PI控制器(5)y(t)=Kp[e(t)+1Ti∫e(t)dt]]]>Kp和Ti通过下式与比例系数相关联(6)Kp=SΔuSΔe]]>(7)Ti=(SeSΔe)Δt]]>其中，Kp是比例增益，Ti是积分时间常数，而Δt是控制器的采样时间常数。因此，增大SΔu或减小SΔe都能增强比例作用。由于较小的积分时间常数表示较强的的积分控制作用，所以减小Se或增大SΔe都能增强积分控制作用。尽管控制器采样时间的变化(Δt)也影响积分时间，但一般不把控制器采样时间用作调整因子。
在每个区中都调整了模糊控制器34后，应对所有的区域协调模糊控制器的调整。如果用比例系数SΔu来调整低增益区，则高增益区只能通过调节相关隶属函数的位置来调整。为了在各区之间获得平稳的过渡，可以凭借经验和试凑法来调整AV的隶属函数。概括起来，用下列步骤调整多区域模糊控制器34(1)为低增益区调整比例系数(Se、SΔe和SΔu)；(2)在高增益区中调整Δu的相关隶属函数的位置；(3)对所有的区域调整模糊控制器34，以获得平滑的控制过渡；(4)精细地调整隶属函数和规则，以获得所需的控制性能。
以下是一例本发明的模糊控制系统30，如图6所示，它用来控制一连续搅拌的容器反应器(CSTR)的pH滴定。CSTR60包括具有搅拌装置64和两个输入液流的容器62、流速用F1表示且浓度用变量C1表示的酸性液流66，和流速用F2表示且浓度用变量C2表示的基流68。在该例中，用酸性液流66的流速F1来控制容器62内溶液70的pH值。基流68的浓度C2被当作一种扰动，本发明的模糊控制系统30将对其进行补偿。当溶液70从容器62中流出时，测量溶液70的pH值。阀72A、72B和72C被用来控制酸性液流66、基流68和容液流74的流量。
假设一个较佳控制的理想CSTR60，容器62中溶液70的容积及酸液和基液的流速F1和F2与酸液和基液的浓度C1和C2的关系是已知的，这些流速与容器pH值的关系一般如下式所示(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列出了每个变量的物理意义和相关初始值。
表1
图7中的曲线76示出了酸液的流速(F1)与溶液70的pH值之间的稳态非线性关系。图7中的曲线7 6具有三个用数字I、II和III表示的非线性增益区，它们分别对应于低pH值、中pH值和高pH值。在数字I和III标识的低和高pH值区域中过程增益非常小，但在数字II标识的中pH值区域中过程增益极高。在数字II表示的高增益区中，酸液流速(F1)的微小变化会导致pH值发生很大变化，但在数字I和III表示的低增益区中，必须使酸液流速(F1)有相当大的变化才能使pH值产生明显的变化。CSTR系统60对常规PI型控制器提出了一个困难的任务。控制器所提供的过程输入信号必须相当小，这样才能不牺牲低过程增益区中太多的动态响应，而在高过程增益区中保持良好的稳定性。
在图7中由数字I、II和III标识的三个区域的每个区，本发明的模糊逻辑控制系统30都能对pH值进行良好的控制。把pH值用作辅助变量(AV)，便能为图7中确定的三个过程增益区的每个区定义一组模糊规则。运用人类对图7所示pH值与酸液流速(F1)的稳态关系中所述过程的认识来定义这些模糊规则。
图8a、8b和8c分别示出了高pH值、中pH值和低pH值每个过程增益区中，过程输入对控制信号的变化(Δu)、过程误差(e)和过程误差变化(Δe)之间的关系。图8a、8b和8c所示的过程控制作用对控制误差和控制误差变化的关系通常被称作“控制曲面”或“控制响应曲面”，分别用标号78a、78b和78c表示。从这些控制曲面78a、78b和78c中可以看到，对于同样的过程控制误差和过程控制误差变化，模糊逻辑控制器34提供的控制作用根据过程是在高增益区中运行还是在低增益区中运行而不同。对于图8a和8c所示的任何一个低增益区中的过程操作，如过程输入信号变化(Δu)的幅值所示，控制作用更加强劲。相反，对于图8b所示的高增益区中的过程操作，如较小的过程输入信号变化(Δu)所证实的，控制作用的力度要小得多。图1所示的常规模糊控制器10不能实现这种控制响应在不同的增益区的变化。另外，图8a、8b和8c所示的控制曲面相当非线性，这是常规PID型控制器无法获得的特征。低、中和高三个增益区间的过渡区是含有去模糊化的三个控制曲面的内插。
图9a示出了由本发明的三区控制系统30控制的CSTR60的阶梯响应。该阶梯响应表示设置点信号36作阶梯变化时，溶液70的pH值与时间的关系。使设置点从5.5至7.0变化到10.0至11.5，然后从11.5至10.0变化到至7.5和至5.5，从而对三个过程增益区的每个区评估控制性能。对于每一种设置点的变化，可以看到补偿这些变化所需的动态响应或时间。曲线90示出了设置点的值，而曲线92示出了测得的溶液70的pH值。系统响应时间根据增益区和变化的方向而变化。例如，从低增益区到高增益区的阶梯变化会产生一较大的尖峰。但从高增益区到低增益区的阶梯变化则产生一较小的尖峰。
为了比较，图9b示出了使用常规PI型模糊控制器的连续搅拌容器反应器pH控制器的阶梯响应。图9b示出了溶液70的pH值相对时间的曲线94和与图9a相同的阶梯响应90。为了在所有三个区中确保稳定，控制器34必须具有一精心调节的增益，致使连续搅拌的容器反应器在图7中数字II所表示的高过程增益区中稳定。本发明三区模糊逻辑控制器的响应(如图9a所示)与常规一区模糊逻辑控制器之响应(如图9b所示)的比较表明，三区模糊逻辑控制器从低增益区移至高增益区时尖峰较低。另外，三区控制器的整个稳定时间比一区控制器的短。
图10示出了基液浓度存在扰动时三区模糊控制器的性能。曲线96是基液浓度(C2)相对于时间的关系曲线，而曲线98是溶液70的pH值相对于时间的关系曲线。把pH设置点固定为7，进行正向和负向的基液浓度扰动。如曲线98所示，三区模糊控制器能很好地抑制正向或负向的扰动变化。
总之，本发明的多区模糊逻辑控制系统30能补偿非线性过程增益，并比单区模糊控制器产生更佳控制性能。控制系统30将一附加的过程变量用作辅助变量，以检测过程正在哪里工作。多区模糊控制系统30非常适于控制非线性增益变化很大的过程。
尽管将模糊逻辑控制器34描述为是用模糊机来区分过程不同部分的工作情况的，但该功能也可在模糊机的外部实现。例如，可用一独立的电路监视辅助变量，并根据过程正在工作的区域选择适当的模糊规则组。另外，前文已经叙述，模糊控制器34对规则的获取是从操作人员那里获得的。然而可用模糊/神经结构来代替获取模糊规则。
在操作中，本发明多区模糊控制系统30的模糊逻辑控制器34根据过程32的辅助变量值AVK确定过程的工作区。至少从两个模糊隶属函数(每个函数都具有一个相关的过程工作区)中选择一个与该过程工作区相关的模糊隶属函数。模糊逻辑控制器34根据被选的模糊隶属函数和过程误差信号值eK和ΔeK推算出过程控制信号值。
在选定的时间间隔中进行上述过程，从而检测出过程工作区的变化，并把适当的过程控制信号提供给过程32，以确保在所有的过程工作区进行适当的过程操作。
尽管已经参照较佳实施例描述了本发明，但本领域的熟练技术人员将承认，不用脱离本发明的精神和范围就可以在形式和细节上对本发明进行改变。
权利要求
1.一种将非线性过程控制成过程误差信号的函数的控制系统，其特征在于，该控制系统包括提供辅助变量信号的装置，所示辅助变量信号表示非线性过程正在多个工作区的哪个区中工作；和提供过程控制输出信号的模糊逻辑控制器，用于将非线性过程控制成过程误差信号和辅助变量信号的函数。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括用于提供过程误差信号变化的装置，而且如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供作为过程误差信号、过程误差信号的变化和辅助变量信号的函数的过程控制输出信号。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供过程控制输出信号，对非线性过程进行比例和积分控制。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供过程控制输出信号，以便对非线性过程进行比例、积分和微分控制。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供作为过程误差信号和不同过程工作区之多组模糊规则的函数的过程控制输出信号，模糊逻辑控制器根据辅助变量信号从多组模糊规则中选出一组规则。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，模糊逻辑控制器包括模糊化装置，用于将过程误差信号转换成模糊过程误差信号值；模糊机，用于提供作为模糊过程误差信号值和辅助变量信号的函数的模糊过程控制输出信号；和去模糊化装置，用于将模糊过程控制输出信号转换成过程控制输出信号。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，模糊化装置的结构能将辅助变量信号转换成模糊辅助变量值，模糊机的结构能够提供作为模糊辅助变量值和过程工作区多组模糊规则的函数的模糊过程控制输出信号，模糊机装置根据模糊辅助变量值从多组模糊规则中选出一组规则。
8.一种对多个不同工作区中的每个区具有非线性过程增益的过程进行微分、比例和积分控制的控制系统，其特征在于，该控制系统包括用于提供过程信号误差值的装置；用于提供过程误差值变化的装置；用于提供辅助值的装置，所述辅助值表示过程正在多个不同工作区的某一个区中工作；和用于提供过程控制信号值的模糊逻辑控制器，它对过程进行比例、积分和微分控制，并控制成过程信号误差值、过程误差值的变化和辅助值的函数。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，提供了作为不同过程工作区之多组模糊规则的函数的过程控制信号值，模糊逻辑控制器根据辅助变量值从多组模糊规则中选出一组规则。
10.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，模糊逻辑控制器包括模糊化装置，用于将过程误差信号转换成模糊过程误差信号值，并将过程误差信号的变化转换成过程误差信号值模糊的变化；模糊机，用于提供作为模糊过程误差信号值、过程误差信号值模糊的变化和辅助变量信号的函数的模糊过程控制输出信号值；和制信号值。
11.如权利要求10所述的控制系统，其特征在于，模糊化装置的结构能将辅助变量信号转换成模糊辅助变量值，模糊机的结构能够提供作为模糊辅助变量值和不同过程工作区多组模糊规则的函数的模糊过程控制输出信号，模糊机根据模糊辅助变量值从多组模糊规则中选出一组规则。
12.一种将非线性过程控制成过程误差信号和误差信号过程变化的函数的控制系统，其特征在于，该控制系统包括用于提供辅助变量信号的装置，所述辅助变量信号表示非线性过程正在多个工作区的某一个区中工作；和模糊逻辑控制器，用于提供作为过程误差信号、误差信号的过程变化和不同过程工作区之多组模糊规则的函数的过程控制输出信号，模糊逻辑控制器根据辅助变量信号从多组模糊规则中选出一组规则。
13.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供过程输出信号，以便对非线性过程进行比例和积分控制。
14.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供过程输出信号，以便对非线性过程进行比例、积分和微分控制。
15.一种将非线性过程控制成过程误差信号和误差信号过程变化的函数的控制系统，其特征在于，该控制系统包括用于提供辅助变量信号的装置，所述辅助变量信号表示非线性过程正在多个工作区的哪个区中工作；和用于提供过程控制输出信号的模糊逻辑控制器，它能将非线性过程控制成过程误差信号、误差信号的过程变化和辅助变量信号的函数。
16.如权利要求15所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供过程控制输出信号，以便对非线性过程进行比例和积分控制。
17.如权利要求15所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供过程控制输出信号，以便对非线性过程进行比例、积分和微分控制。
18.如权利要求15所述的控制系统，其特征在于，如此构造模糊逻辑控制器，使它能够提供作为不同过程工作区之多组模糊规则的函数的过程控制输出信号，模糊逻辑控制器根据辅助变量信号从多组模糊规则中选出一组规则。
19.一种根据非线性过程正在多个工作区的哪个区中工作而将该非线性过程控制成过程误差信号和控制器参数值的函数的控制器，其特征在于，所述控制器包括一模糊机，它与非线性过程相连，用于提供作为过程误差信号、控制器参数值和不同过程工作区之多组模糊规则中某一组规则的函数的过程控制输出信号。
20.一种适于提供过程控制信号的控制系统，用于控制具有第一和第二工作区的非线性过程，其特征在于，所述控制系统包括用于提供在第一和第二过程工作区的每个区中都有预定特征的辅助过程信号的装置；模糊逻辑控制器，包括第一模糊隶属函数，它将过程误差信号与第一区中过程操作的过程控制信号联系起来；第二模糊隶属函数，它将过程误差信号与第二区中过程操作的过程控制信号联系起来；和模糊推理机，它把根据辅助过程信号从第一和第二模糊隶属函数中选出的某个隶属函数应用于过程误差信号值，以便推属函数中选出的某个隶属函数应用于过程误差信号值，以便推算出过程控制信号值。
21.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，模糊逻辑控制器包括多个模糊隶属函数，其中每个隶属函数都能在被选中的情况下对多个过程工作区中的某个特定区域进行控制，并且如此构造模糊推理机，使它能够应用根据辅助过程信号值从多个模糊隶属函数中选出的某个隶属函数。
22.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，如果选择了第一模糊隶属函数，则它提供适于第一过程工作区的比例和积分控制，并且如果选择了第二模糊隶属函数，则它提供适于第二过程工作区的比例和积分控制。
23.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，还包括信号组合装置，用于合并设置点的值和过程输出信号值，以提供过程误差信号值和过程误差值的变化。
24.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，辅助过程信号值是控制作用信号值。
25.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，辅助过程信号值是过程输出信号值。
26.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，第一模糊隶属函数和第二模糊隶属函数都是模糊规则，如果把模糊规则与模糊变量结合起来，则模糊逻辑作出判断，从而提供模糊推理。
27.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，合并与第二模糊隶属函数规则相同的第一模糊隶属函数规则，形成单个隶属函数。
28.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，模糊推理机根据辅助过程信号值从第一和第二隶属函数中选取一个隶属函数。
29.如权利要求20所述的控制系统，其特征在于，还包括根据辅助过程信号值从第一和第二隶属函数中选取一个隶属函数的装置。
30.一种对具有非线性过程增益的过程进行控制的控制系统，其中所述过程具有第一和第二过程增益区，所述控制系统的特征在于，包括一电路，它连接在过程和模糊逻辑控制器之间，用于提供表示第一和第二过程增益区的辅助过程变量值；模糊逻辑控制器，它将控制信号值提供给过程，所述模糊逻辑控制器包括第一模糊隶属函数，它被选来提供适于第一过程增益区的比例和积分控制；第二模糊隶属函数，它被选来提供适于第二过程增益区的比例和积分控制；和一模糊机，它将一个隶属函数应用于过程误差信号值和过程误差值的变化，以推算出控制信号值，从而在第一和第二过程增益区中保持适当的过程操作，其中所述隶属函数是根据由辅助过程变量值确定的过程工作区从第一和第二模糊隶属函数中选出的。
31.一种将非线性过程控制成过程误差信号的函数的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤根据辅助过程变量信号从多个工作区中确定一个过程工作区；并将不同的过程工作区之多组模糊规则中的一组规则应用于过程误差信号，以推理出过程控制输出信号，被应用的模糊规则依赖于过程的工作区。
32.如权利要求31所述的用于控制非线性过程的方法，其特征在于，所述方法还包括将过程误差信号转换成模糊过程误差信号值的步骤，并且将多组模糊规则中某组规则包括将多组模糊规则中的一组规则应用于模糊过程误差信号，以推算出模糊过程控制信号值的步骤。
33.如权利要求32所述的用于控制非线性过程的方法，其特征在于，还包括将模糊过程控制信号值转换成过程控制输出信号的步骤。
34.如权利要求32所述的用于控制非线性过程的方法，其特征在于，用模糊逻辑控制器来应用多组模糊规则中的一组规则。
全文摘要
一种工业过程控制用的模糊控制系统，它利用辅助过程变量来确定非线性过程正在几个不同增益区的哪个区中工作。根据判断结果和模糊输入信号，模糊控制器提供与该区相关的过程控制信号。
文档编号G06N7/00GK1135264SQ94193576
公开日1996年11月6日 申请日期1994年7月28日 优先权日1993年8月23日
发明者S·乔·秦, 盖伊·汤普森·博德斯 申请人:费舍-柔斯芒特系统股份有限公司