模糊半主動控制（Fuzzy semi-active control）是指利用模糊數學的基本思想和理論的控制過程依賴於結構反應及外部激勵信息，通過少量能量而實時改變結構的剛度或阻尼等參數來減少結構的反應
基本介紹
- 中文名：模糊半主動控制
- 外文名：Fuzzy semi-active control
- 所屬學科：數學
- 涉及學科：信息科學
- 利用：模糊數學的基本思想和理論
- 目的：實時改變結構的剛度或阻尼
- 套用領域：自動控制
發展歷史,半主動控制簡介,常見的半主動控制系統,模糊控制,基本原理,變數選擇與論域分割,變數選擇,論域分割,控制規則,規則來源,規則型式,規則流程,特點,缺點,
發展歷史
- 1983年Hrovat研究了土木工程結構的半主動控制問題，提出了半主動控制系統儘可能實現主動最優控制力的規則。
- 1990年Kobori等人提出了半主動變剛度控制的概念，研製了半主動變剛度控制系統，並提出了半主動變剛度控制算法。
- 1990年日本Kajima研究所的三層鋼結構辦公樓首次套用了半主動變剛度控制系統，經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，研製開發了足尺半主動變剛度控制裝置。
- 1992年Kawashima,Mizuno和Shinozuka等人同時提出了結構半主動變阻尼控制系統，並分別研究了建築結構和橋樑結構半主動變阻尼控制的分析方法和控制效果，1997年美國首次套用主動變阻尼控制裝置控制高速公路I-35連續梁鋼橋重載車輛引起的振動，顯示了很好的控制效果。
- 1998年日本套用半主動變阻尼控制的建成Kajima Shizuoka建築，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)等人研究了建築結構半主動變阻尼控制方法，研製開發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、結構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，結果表明:半主動磁流變阻尼控制接近於主動控制效果，而且總是穩定的。
- 2001年日本東京國家新興科技博物館首次將磁流變阻尼器套用於地震反應控制。
- 2001年我國岳陽洞庭湖多塔斜拉橋首次安裝美國Lord公司生產磁流變阻尼器控制斜拉索風雨激勵的振動401。哈爾濱工業大學的歐進萍、李慧(2003)等人將自行研製開發的磁流變阻尼器用於山東濱州黃河大橋20根斜拉索的風雨激振。
模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變數和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。1965年，美國的L.A.Zadeh創立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關的定理。1974年，英國的E.H.Mamdani首次根據模糊控制語句組成模糊控制器，並將它套用於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誌著模糊控制論的誕生。
模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬於智慧型控制的範疇。模糊控制的一大特點是既有系統化的理論，又有大量的實際套用背景。模糊控制的發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套用。近20多年來，模糊控制不論在理論上還是技術上都有了長足的進步，成為自動控制領域一個非常活躍而又碩果纍纍的分支。其典型套用涉及生產和生活的許多方面，例如在家用電器設備中有模糊洗衣機、空調、微波爐、吸塵器、照相機和攝錄機等；在工業控制領域中有水淨化處理、發酵過程、化學反應釜、水泥窯爐等；在專用系統和其它方面有捷運靠站停車、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
半主動控制屬於參數控制，控制過程依賴於結構反應及外部激勵信息，通過少量能量而實時改變結構的剛度或阻尼等參數來減少結構的反應。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節以便使其主動地利用結構振動的往復相對變形或速度，儘可能地實現主動最優控制力。由於半主動控制兼具上動控制優良的控制效果和被動控制簡單易行的優點，同時克服了主動控制需要大最能量供給和被動控制調諧範圍窄的缺點，因此，半主動控制具有較大的研究和套用開發價值，是當前的研究熱點。
常見的半主動控制系統
AVS系統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的剛度，以此避開共振的影響，從而降低結構的反應。由於半主動控制裝里只能增加結構的剛度，對於剛度己經很大的土木工程結構而言，為了能有效減小結構的動力反應就要求半主動變剛度系統的可變剛度比較大，這無疑使半主動變剛度系統的設計和套用帶來了比較大的困難，換言之，半主動變剛度系統用於控制柔性結構的動力反應更加有效。
AVD系統是通過主動調節半主動變阻尼控制裝置的阻尼力，使其等於或接近主動最優控制力，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與速度有關的控制力，而不能像主動控制作動器那樣能夠同時實現與位移和速度有關的控制力，也正是這種限制使得半主動變阻尼控制總是穩定的。半主動變阻尼控制裝置的最大阻尼力可以藉助主動控制理論，預先確定主動最優控制力和控制效果，然後設計變阻尼裝置的最大阻尼力等於相應的最大主動最優控制力。這樣設計的半主動變阻尼裝置在多大程度上可以實現主動最優控制力，從而在多大程度上接近主動最優控制的效果，取決於主動最優控制力時程有多大的比例與作動器所在結構層的層間速度相反。
模糊控制
“模糊”是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特徵。“模糊”比“清晰”所擁有的信息容量更大，內涵更豐富，更符合客觀世界。
基本原理
為了實現對直線電機運動的高精度控制，系統採用全閉環的控制策略，但在系統的速度環控制中，因為負載直接作用在電機而產生的擾動，如果僅採用 PID 控制，則很難滿足系統的快速回響需求。由於模糊控制技術具有適用範圍廣、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又是一種要求要具有快速回響性並能夠在極短時間內實現動態調節的系統，所以考慮在速度環設計了PID模糊控制器，利用模糊控制器對電機的速度進行控制，並同電流環和位置環的經典控制策略一起來實現對直線電機的精確控制。
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，並將其轉換為系統可識別的模糊量，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式。
(2)規則庫。根據人類專家的經驗建立模糊規則庫。模糊規則庫包含眾多控制規則，是從實際控制經驗過渡到模糊控制器的關鍵步驟。
(3)模糊推理。主要實現基於知識的推理決策。
(4)解模糊。主要作用是將推理得到的控制量轉化為控制輸出。
變數選擇與論域分割
變數選擇
選擇的控制變數要具有系統特性。控制變數選擇是否正確，對系統的性能將有很大的影響。例如做位置控制時，系統輸出與設定值的誤差量就可以當做模糊控制器的輸入變數。一般而言，可選用系統輸出、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數，具體如何選擇還有賴於工程師對於系統的了解及其專業知識。因此，經驗和工程知識在選擇控制變數時扮演著相當重要的角色。
論域分割
控制變數確定之後，接下來就是根據經驗寫出控制規則。在做成模糊控制規則之前，首先必需對模糊控制器的輸入和輸出變數空間做模糊分割。例如輸入空間只有單一變數時，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域。輸入空間為二元變數時，採用四條模糊控制規則，可以將空間分成四個區域。模糊分割即將部分空間表示為模糊狀態，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，模集合重疊的程度並沒有明確的決定方法，大都依靠模擬和實驗的調整決定分割方式，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則間模糊的程度，因此模糊分割是模糊控制的重要特徵。
控制規則
控制規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，下面對控制規則做進一步的探討。
規則來源
模糊控制規則的取得方式：
（1） 專家的經驗和知識
模糊控制也稱為控制系統中的專家系統，專家的經驗和知識在其設計上有餘力的線索。人類在日常生活常中判斷事情，使用語言定性分析多於數值定量分析；而模糊控制規則提供了一個描述人類的行為及決策分析的自然架構；專家的知識通常可用if….then的型式來表述。
藉由詢問經驗豐富的專家，獲得系統的知識，並將知識改為if….then的型式，如此便可構成模糊控制規則。除此之外，為了獲得最佳的系統性能，常還需要多次使用試誤法，以修正模糊控制規則。
（2） 操作員的操作模式
現在流行的專家系統，其想法只考慮知識的獲得。專家可以巧妙地操作複雜的控制對象，但要將專家的訣竅加以邏輯化並不容易，這就需要在控制上考慮技巧的獲得。許多工業系統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學模式下，卻能夠成功地控制這些系統：這啟發我們記錄操作員的操作模式，並將其整理為if….then的型式，可構成一組控制規則。
（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設定的目標，增加或修改模糊控制規則。
規則型式
模糊控制規則的形式主要可分為二種：
（1） 狀態評估模糊控制規則
狀態評估（state evaluation）模糊控制規則類似人類的直覺思考，它被大多數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為語言變數或稱為模糊變數，代表系統的態變數和控制變數；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，是將後件部改為系統狀態變數的函式，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則
目標評估（object evaluation）模糊控制規則能夠評估控制目標，並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
規則流程
實際套用模糊控制時，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的控制理論一樣，藉由一套發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回響圖，若使用狀態評估模糊控制規則的形式，前件部變數為輸出的誤差E和在一個取樣周期內E的變化量CE，後件部變數為控制器輸出量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表系統輸出，U表控制輸出，下標n表在時刻n時的狀態。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，CE<0, 下降時CE>0。
本文所設計的模糊控制器之輸出輸入關係為：
E,CE→CU
在一般控制的計算法上稱為速度型，這是由於其輸出為U對時間的微分，相當於速度的CU。在構造上也可採用以U為後件部變數的位置型，但前件部變數必需改用E的積分值。
由於由E與CE推論CU的構造中，CU與E的關係恰巧相當於積分關係U(t)=Ki∫E(t)dt，而CU與CE的關係相當於比例關係U(t)=KpE(t)的緣故，所以又稱為Fuzzy PI控制。
設計模糊控制規則時，是在所構想對控制對象各階段的反應，記述採取哪一種控制比較好；首先選擇各階段的特徵點，記錄在模糊控制規則的前件部，然後思考在該點採取的動作，記錄在模糊控制規則的後件部。例如，在第一循環之a1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，對於b1點、c1點、d1點等的附近，可分別得到如下的控制規則：
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
在第二循環之a2，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
表為依上述程式所構成的13條控制規則，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。由表可知規則數最多可為49條，此表只使用了其中13條控制規則，設計者可依實際需要自行加減規則之數量，如19條、31條等等，以改系統之回響。
特點
- 簡化系統設計的複雜性，特別適用於非線性、時變、滯後、模型不完全系統的控制。
- 不依賴於被控對象的精確數學模型。
- 利用控制法則來描述系統變數間的關係。
- 不用數值而用語言式的模糊變數來描述系統，模糊控制器不必對被控制對象建立完整的數學模式。
- 模糊控制器是一語言控制器，便於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合了被動控制結構和主動控制結構和模糊控制結構的優點，能夠根據結構的反應和外界的干擾動態地控制結構，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濟、可靠、對維護的要求不高，是目前最能接受的土木工程結構減震控制方法。
