毕业设计:模糊控制器的仿真研究
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模糊PID温度控制毕业设计第一章绪论1.1选题背景及其意义在工业生产过程中,控制对象各种各样,温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。
在生产过程中,为了高效地进行生产,必须对它的主要参数,如温度、压力、流量等进行有效的控制。
温度控制在生产过程中占有相当大的比例,其关键在于测温和控温两方面。
温度测量是温度控制的基础,技术已经比较成熟。
由于控制对象越来越复杂,在温度控制方面,还存在着许多问题。
如何更好地提高控制性能,满足不同系统的控制要求,是目前科学研究领域的一个重要课题。
温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节,使其达到工艺过程的要求。
本文主要研究电锅炉温度控制的方法。
电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置[1]。
具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。
与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。
近年来,电锅炉已成为供热采暖的主要设备。
锅炉控制作为过程控制的一个典型,动态特性具有大惯性大延迟的特点,而且伴有非线性。
目前国电热锅炉控制大都采用的是开关式控制,甚至是人工控制方法。
采用这些控制方法的系统稳定性不好,超调量大,同时对外界环境变化响应慢,实时性差。
另外,频繁的开关切换对电网产生很大的冲击,降低了系统的经济效益,减少了锅炉的使WORD版本.用年限。
因此,研究一种最佳的电锅炉控制方法,对提高系统的经济性,稳定性具有重要的意义。
1.2工业控制的发展概况工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段50年代末起到70年代为第一阶段,即经典控制理论阶段,这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期,又是现代控制理论应用和发展时期;70年代至90年代为第二阶段,即现代控制理论阶段;90年代至今为第三阶段,即智能控制理论阶段[2]第一阶段:初级阶段。
它以经典控制理论为主要控制方案,采用常规气动、液动和电动仪表,对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制。
摘要PID控制由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高,被广泛应用于过程控制和运动控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。
然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性,难以建立精确的数学模型,应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果。
为了克服传统PID控制的弱点,控制界已经提出了大量的对PID控制的改进方案。
但这些方案一般是针对某些具体问题,缺乏通用性,附加的结构或算法也增加了控制器的复杂性,使它们的广泛应用受到限制将模糊决策理论与常规PID控制技术结合,研制出模糊自适应PID 控制器,并利用VB的ActiveX技术创建了模糊自适应PID控件,将该空间嵌入组态软件中进行实时控制,结果表明该控制策略具有较强的鲁棒性和适应性。
针对实际工业过程控制的难点,借鉴生物免疫系统中的免疫反馈原理,结合模糊控制可以逼近非线性函数的特点,分析了积分系数在系统响应过程中的非线性变化规律,提出了一种模糊免疫非线性PID控制方法。
这种方法具有量小,调整时间短,抗干扰能力和鲁棒性强等优点,理论分析和仿真研究证明了该方法的可行性和有效性。
关键词:自适应,模糊控制,PID控制,模糊免疫非线性PID控制Adaptive Fuzzy Control ResearchABSTRACTPID control is widely used in motion control and process control because of its simple algorithm, good robust and reliability, particularly applicable to the certain systems of establish a precise mathematical model. Nevertheless, the actual production process are often nonlinear, uncertain time-varying, it is difficult to establish a precise mathematical model, the conventional PID control can not achieve the desired effect.To overcome the weaknesses of traditional PID control, a lot of improve projects of the PID control have been put forward in the control industry. However, these projects are generally targeted at certain specific issues, the lack of universality. Additional structural or algorithm increased the complexity of the controller,restrict their wide use.This paper puts forward a technology which combinate the fuzzy decision theory and conventional PID control, researches and makes out a adaptive fuzzy PID controller (AFPID), by use of ActiveX of VB create a ActiveXof AFPID, embeds this ActiveX into configuration software to real-time control, the result shows this control tactic has stronger robust and adaptivity.A fuzzy immune nonlinear PID control method is presented in order to solve the difficulties of actual industry process control. This method is based on the immune feedback principle in the biological immune system, the approaching ability for nonlinear function of fuzzy controller and the nonlinear change law of the integral gain in the response process of the system. This method has low overshoot, short regulate time, strong anti-disturbance ability and great robustness. The theoretical analysis and simulation results show the feasibility and effectiveness of this method.Key words:self-adaption,fuzzy control,PID control,fuzzy immune nonlinear PID control模糊自适应控制研究0 引言自从L.A.Zadeh提出模糊集合论以来,基于该理论形成一门新的模糊系统理论学科,在控制、信号处理、模式识别、通信等领域得到了广泛的应用。
《电液伺服系统模糊PID控制仿真与试验研究》篇一一、引言随着现代工业自动化技术的飞速发展,电液伺服系统作为重要组成部分,在众多领域中发挥着重要作用。
然而,由于电液伺服系统存在非线性、时变性和不确定性等特点,其控制问题一直是研究的热点和难点。
传统的PID控制方法在面对复杂多变的环境时,往往难以达到理想的控制效果。
因此,本文提出了一种基于模糊PID控制的电液伺服系统控制策略,并进行了仿真与试验研究。
二、电液伺服系统概述电液伺服系统主要由液压泵、液压马达、传感器和控制器等部分组成。
它利用电信号驱动液压系统工作,实现对负载的精确控制。
由于其具有高精度、快速响应等特点,在机械制造、航空航天、船舶等领域得到了广泛应用。
然而,由于电液伺服系统的复杂性,其控制问题一直是研究的重点。
三、模糊PID控制策略针对电液伺服系统的特点,本文提出了一种模糊PID控制策略。
该策略结合了传统PID控制和模糊控制的优点,通过引入模糊逻辑对PID参数进行在线调整,以适应系统参数的变化和环境干扰。
模糊PID控制策略能够在保证系统稳定性的同时,提高系统的响应速度和抗干扰能力。
四、仿真研究为了验证模糊PID控制策略的有效性,本文进行了仿真研究。
首先,建立了电液伺服系统的数学模型和仿真模型。
然后,分别采用传统PID控制和模糊PID控制对模型进行仿真实验。
通过对比两种控制策略的响应速度、稳态精度和抗干扰能力等指标,发现模糊PID控制在电液伺服系统中具有更好的性能。
五、试验研究为了进一步验证模糊PID控制策略的实用性,本文进行了试验研究。
在试验过程中,首先搭建了电液伺服系统的试验平台,然后分别采用传统PID控制和模糊PID控制对实际系统进行控制。
通过对比两种控制策略的试验结果,发现模糊PID控制在电液伺服系统中具有更高的稳态精度和更快的响应速度。
此外,在面对环境干扰时,模糊PID控制也表现出更强的抗干扰能力。
六、结论本文通过对电液伺服系统的模糊PID控制进行仿真与试验研究,验证了该策略的有效性。
模糊控制考核论文姓名:郑鑫学号:1409814011 班级:149641 题目:模糊控制的理论与发展概述摘要模糊控制理论是以模糊数学为基础,用语言规则表示方法和先进的计算机技术,由模糊推理进行决策的一种高级控制策。
模糊控制作为以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制,它已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新学科的融合,正在显示出其巨大的应用潜力。
实质上模糊控制是一种非线性控制,从属于智能控制的范畴。
模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论,又有着大量实际应用背景。
本文简单介绍了模糊控制的概念及应用,详细介绍了模糊控制器的设计,其中包含模糊控制系统的原理、模糊控制器的分类及其设计元素。
关键词:模糊控制;模糊控制器;现状及展望Abstract Fuzzy control theory is based on fuzzy mathematics, using language rule representation and advanced computer technology, it is a high-level control strategy which can make decision by the fuzzy reasoning. Fuzzy control is a computer numerical contro which based fuzzy set theory, fuzzy linguistic variables and fuzzy logic, it has become the effective form of intelligent control especially in the form of fuzzy control and neural networks, genetic algorithms and chaos theory and other new integration of disciplines, which is showing its great potential. Fuzzy control is essentially a nonlinear control, and subordinates intelligent control areas. A major feature of fuzzy control is both a systematic theory and a large number of the application background.This article introduces simply the concept and application of fuzzy control and introduces detailly the design of the fuzzy controller. It contains the principles of fuzzy control system, the classification of fuzzy controller and its design elements.Key words: Fuzzy Control; Fuzzy Controller; Status and Prospects.引言传统的常规PID控制方式是根据被控制对象的数学模型建立,虽然它的控制精度可以很高,但对于多变量且具有强耦合性的时变系统表现出很大的误差。
1 引言水轮机调速系统包括引水系统、水轮机、调速器、发电机及励磁系统等几个部分,是一个集水力、机械、电气为一体的复杂的控制系统,历来受到水电界的关注和重视。
水轮机调节系统的基木任务是根据负荷的变化不断地调节水轮发电机组的有功功率输出,并维持机组转速在规定的范围内。
但由于压力引水系统的水流惯性、水轮发电机组各个环节的非线性特性、水轮机传递系数随工况而改变的时变特性以及随时发生的电力系统负荷扰动使得水轮机调节系统的控制十分困难。
随着电力系统的不断扩大以及大容量、高水头机组的出现,对水轮机调速器的性能提出了越来越高的要求,在不断改进水轮机调速器的硬件设计、加工工艺和装配工艺等基础上,进行水轮机调速器控制策略的研究,是一项十分重要的工作。
随着控制理论的发展和对控制性能要求的提高,开展过程控制系统的智能控制研究,是十分必要的。
本文在全面总结现有调节控制规律和应用成果的基础上,进行了水轮机调节系统的智能控制策略的研究。
水轮机调节系统的特点在于:一是调节系统本质上是一非最小相位系统,调节的过程中会出现反调节现象,控制系统不易稳定;二是调节系统的工况受水头和负载特性的影响,其表征控制对象传递函数的参数具有时变的性质,对调节系统的动态特性影响较大。
所以,水轮机调节系统的特点在客观上要求其控制器,即调速器具有鲁棒性。
正确选择调速器的最优调节参数,使水轮机调节系统有良好的动态品质,是保证机组安全运行及电能质量的一个重要的问题。
近年以来,随着计算机硬件水平的提高和控制理论的发展,水轮机调节规律的研究也取得了很大的进展,就如何保证和提高电力系统的安全稳定性进行了大量的研究,提出了许多有效的控制措施和方法。
传统的模拟式调速器的调节规律是PI或PID调节,而且只有空载和负荷工况两组参数,其参数一经整定,在无人干预的情况下,常被运行于整个工况。
实际上在不同工况下,对于频率给定与负荷扰动,所要求的PID最佳参数是各异的,因此,要使水轮机调节系统在所有运行工况下均具有良好的鲁棒性是十分困难的。
安阳师范学院本科学生毕业论文模糊控制器的仿真研究系(院)物理与电气工程学院专业电气工程及其自动化日期 2015.06.01学生诚信承诺书本人郑重承诺:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
所有合作者对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:日期:论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
签名:导师签名:日期:模糊控制器的仿真研究王方启(安阳师范学院物理与电气工程学院,河南安阳 455000)摘要:本文对模糊控制系统的设计及仿真进行研究,对模糊控制及仿真技术的概念、特点、发展及应用进行了论述,简述了模糊控制的基本理论。
在此基础上,详细介绍了模糊控制系统的系统组成和基本工作原理。
同时,阐述了模糊控制器的结构和基本设计方法。
最后,通过仿真结果进而对模糊控制系统进行改进。
使用MATLAB对系统进行仿真,结果表明系统的动态性能得到了提高。
关键词: 模糊PID控制器;MATLAB;仿真1 引言在工程实际应用中,应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、鲁棒性好,工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
但是对一些大惯性、非线性和时变的系统常规PID控制就无能为力了。
由于负载扰动或环境变化,受控过程参数和模型结构均发生变化,由于受到参数整定方法烦杂的困扰,常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳,对运行工况的适应性差。
本文将模糊控制和PID控制结合起来,应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定,实现PID参数的最佳调整,设计出参数模糊自整定PID控制器,并进行了Matlab/Simulink仿真。
仿真结果表明,与常规PID控制系统相比,该设计获得了更优的鲁棒性和动、静态性及具有良好的自适应性。
模糊控制是以模糊集合论作为它的数学基础的。
模糊控制就是利用模糊集合理论,把人的模糊控制策略转化为计算机所能接收的控制算法,进而实施控制的一种理论和技术。
它能够模拟人的思维因而对一些无法构建数学模型的系统可以进行有效的描述和控制,除了用于工业,也适用于社会学、经济学、环境学、生物学及医学等各类复杂系统。
模糊控制与PID控制结合构成模糊PID控制既可实现PID控制的功能又可实现模糊控制的作用,克服PID控制遇到的问题。
因此研究模糊PID控制具有十分重要的现实意义。
2 常规PID控制2.1 PID控制器概述在过去的几十年里,PID控制器在工业控制中得到了广泛应用。
在控制理论技术飞速发展的今天,工业过程控制中95﹪以上的控制回路都具有PID结构,并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I),微分单元(D)组成。
PID控制器具有以下优点:(1)原理简单,使用方便,PID参数(Kp,Ki和 Kd)可根据过程动态特性及时调整。
(2)应用范围广,适应性强。
PID控制广泛适用与化工冶金、石油、热工等工业生产中。
(3)鲁棒性强,即其控制品质对被控制对象特性的变化不太敏感。
PID控制也有其固有的缺点。
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,效果不是太好;最主要的是,如果PID控制器不能控制复杂过程,无论怎么调参数都没用。
3 模糊PID控制3.1模糊控制起源模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展与需要分不开的。
随着科学技术的迅速发展,各个领域对自动控制系统精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高,所研究的系统也日益复杂多变。
然而,由于以一系列原因,诸如被控对象或过程的非线性、时变性多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等,难以建立被控对象的数学模型。
虽然常规PID控制可以解决一些问题,但范围是有限的。
对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象,采用传统控制方法,包括基于现代控制理论的控制方法,往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。
因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决,看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的。
人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则,而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。
3.2模糊控制器的基本结构与组成模糊控制器主要由模糊化接口、模糊推理、解模糊化接口和知识库1四部分组成。
模糊化接口的作用是将输入的精确量转化成模糊化量,并用相应的模糊集合来表示。
模糊推理是模糊控制器的核心.它具有模拟人的基于模蛳概念的推理能力.该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。
反模糊化接口的作用是将模糊推理得到的控制量变换为实际用于控制的精确控制量。
知识库中包含了具体应用领域的知识和要求的控制目标,它通常由数据库和模糊控制规则两部分组成。
模糊控制器的基本组成如图1所示: 图1 模糊控制器的基本组成 在模糊控制中.一般通过一组语言描述的规则来表示专家的知识.专家知识通常具有Jf(满足一组条件)then(可推出~组结论)的形式。
当论域为离散量时,经过量化后的输入量个数是有限的,可以针对输入情况的不同组合离线计算出相应的控制量,从而组成一张控制表.能够减少在线的运算量.这种控制方法很容易满足实时控制的要求。
在这种模糊控制结构中,通常用误差和误差变化作为模糊控制器的输入量。
先对它们进行模糊量化处理.得到模糊变量E 和Ec ,按模糊控制规则“进行模糊决策得到模糊控制量u .再经过解模糊和比例变化得到实际控制量输出。
模糊控制原理,如图2所示。
图2 模糊控制器的基本原理 由此可见,模糊控制器实质上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构,一般常用的是二维模糊控制器,即以偏差和偏差变化率作为输入。
工作过程可概括为下述几个步骤:(1)将输入变量的精确值变为模糊量;(2)根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则,按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量);(3)上述得到的控制量(模糊量)清晰化得到计算精确的控制量。
4 模糊控制器的设计4.1语言变量隶属度函数的确定模 糊 化 d/dt 模糊控 制规则 清晰化A/D 模糊控制器 D/A执行机 构 传感器模糊控制器采用两输入三输出的形式,以e 和ec 为输入语言变量,p k 、i k 和d k 为输出语言变量。
输入语言变量的语言值均取为“负大”(NB)、“负中”(NM)、“负小”(NS)、“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)7种.输出语言变量的语言值均取为“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)4种.将偏差e 和偏差变化率ec 量化到(-3,3)的区域内,输出量化到(0,3)的区域内。
4.2模糊控制器设计Matlab 模糊控制工具箱为模糊控制器的设计提供了一种非常便捷的途径,通过它我们不需要进行复杂的模糊化、模糊推理及反模糊化运算,只需要设定相应参数,就可以很快得到我们所需要的控制器,而且修改也非常方便。
下面将根据模糊控制器设计步骤,一步步利用Matlab 工具箱设计模糊控制器。
图3 模糊控制器 下面都是在窗口中进行模糊控制器的设计。
1.确定模糊控制器结构:即根据具体的系统确定输入、输出量。
这里可以选取标准的二维控制结构,即输入为误差e 和误差变化ec ,输出为控制量u 。
注意这里的变量还都是精确量。
相应的模糊量为E ,EC 和U ,选择增加输入(Add Variable)来实现双入三出控制结构。
图4模糊控制器输入输出量2.输入输出变量的模糊化:即把输入输出的精确量转化为对应语言变量的模糊集合。
首先要确定描述输入输出变量语言值的模糊子集,如{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},并设置输入输出变量的论域,例如可以设置误差E(此时为模糊量)、误差变化EC、控制量U的论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3};然后为模糊语言变量选取相应的隶属度函数。
在模糊控制工具箱中,在Member Function Edit中即可完成这些步骤。
首先打开Member Function Edit窗口.图5模糊化然后分别对输入输出变量定义论域范围,添加隶属函数,以E为例,设置论域范围为[-3 3],添加隶属函数的个数为7.图6 模糊化然后根据设计要求分别对这些隶属函数进行修改,包括对应的语言变量,隶属函数类型。
图7隶属函数3.模糊推理决策算法设计:即根据模糊控制规则进行模糊推理,并决策出模糊输出量。
首先要确定模糊规则,即专家经验。
对于这个二维控制结构以及相应的输入模糊集,我们可以制定49条模糊控制规则。
(1)当e 很大时,不论误差变化趋势如何,都应考虑控制器的输出应按最大(或最小)输出,以达到迅速调整误差,使误差绝对值以最大速度减小。
同时为了防止积分饱和,此时应取较大p k ,较小的i k 和d k 取零。
(2)当0>⨯ec e 时,说明误差在向误差绝对值增大方向变化。
此时若误差较大,可考虑由控制器实施较强的控制作用,以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化,并迅速减小误差绝对值,此时取较大的p k ,d k 不能太大,取较小的i k 值。
若误差绝对值较小,控制器实施一般的控制作用,只要扭转误差的变化趋势,使其朝误差绝对值减小方向变化。
(3)当0<⨯ec e 或0=e 时,说明误差的绝对值朝减小的方向变化,或者已达到平衡状态。
此时,可采取保持控制器输出不变。
(4)当0,0≠=⨯e ec e 时,表明系统的曲线与理论曲线平行或一致,为使系统具有良好的稳态性能,应采取较大p k 和i k 值,同时避免设定值附近振荡,并考虑系统的抗干扰性能,适当选取d k 值。
设⎪⎩⎪⎨⎧∆+'=∆+'=∆+'=d d di i i p p p k k k k k k k k k (5) 式(5)中p k ',i k '和d k '为系统的经典PID 参数,一般用Z-N 法来确定。
根据PID 参数的整定原则及专家经验,采用if-then 形式,根据文中归纳的参数整定原则,可建立如下模糊控制规则:(1) If (E is NB) and (Ec is NB )then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is PS)(2) If (E is NB) and (Ec is NM )then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is NS)(3) If (E is NB) and (Ec is NS )then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NB)(4) If (E is NB) and (Ec is ZO )then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NB)(5) If (E is NB) and (Ec is PS )then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NB)(6) If(E is NB) and (Ec is PM )then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is NB)(7) If (E is NB) and (Ec is PB )then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is PS)(8) If (E is NM) and (Ec is NB )then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is PS)(9)If (E is NM ) and (Ec is NB )then (Kp is PB)(Ki is NB)(Kd is NS)(10) If (E is NM) and (Ec is NS )then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NB)(11) If (E is NM) and (Ec is ZO )then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NM)(12) If (E is NM) and (Ec is PS )then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NB)(13) If (E is NM) and (Ec is PM )then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is NS)(14) If(E is NM) and (Ec is PB )then (Kp is NS)(Ki is ZO)(Kd is ZO)(15) If (E is NS) and (Ec is NB )then (Kp is PM)(Ki is NB)(Kd is ZO)(16) If (E is NS) and (Ec is NB )then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is NS)(17) If (E is NS) and (Ec is NS )then (Kp is PM)(Ki is NS)(Kd is NM)(18) If (E is NS) and (Ec is ZO )then (Kp is PS)(Ki is NS)(Kd is NM)(19) If (E is NS) and (Ec is PS )then (Kp is ZO)(Ki is ZO)(Kd is NS)(20) If(E is NS) and (Ec is PM )then (Kp is NS)(Ki is PS)(Kd is NS)(21) If (E is NS) and (Ec is PB )then (Kp is NS)(Ki is PS)(Kd is ZO)(22) If (E is ZO) and (Ec is NB )then (Kp is PM)(Ki is NM)(Kd is ZO) ……制定完之后,会形成一个模糊控制规则矩阵,然后根据模糊输入量按照相应的模糊推理算法完成计算,并决策出模糊输出量。