模糊控制理論在大體積混凝土施工溫度控制中的應(yīng)用

馬俊文 羅志榮 劉孝國

(1甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2榆中縣供熱管理站，甘肅 蘭州730100）3中國建筑科學(xué)研究院，北京100013）

1 引言

模糊控制理論作為現(xiàn)代控制論研究的重要方面，一般來說，模糊控制理論會將狀態(tài)分析的結(jié)果作為基礎(chǔ)，將多輸入多輸出和非線性系統(tǒng)控制問題當(dāng)做重點研究對象，和以往的各種控制方法相比，模糊控制理論利用更加科學(xué)的語言實現(xiàn)對規(guī)則的控制，從而更好地進行綜合評判,這樣能夠有效地規(guī)避由于施工工作人員欠缺施工經(jīng)驗等原因所導(dǎo)致施工過于隨意等問題，使控制結(jié)果更為先進合理。因此，本文立足于實際工程，有效利用模糊控制理論的具體應(yīng)用和各種計算方式，對大體積混凝土施工溫度的控制方式進行相應(yīng)的討論。

2 模糊控制理論概述

2.1 模糊控制理論的來源

模糊控制理論的理論基礎(chǔ)，最初來源于加利福尼亞大學(xué)控制論專家L.A.Zadeh，1965年他所撰寫的《Fuzzy Set》開設(shè)了模糊數(shù)學(xué)和模糊控制理論相結(jié)合的先河，從那時候開始，大量的學(xué)者開始對其進行研究，因此這個理論開始得到傳播與發(fā)展，與此同時，理論在得到發(fā)展的前提下，被有效地應(yīng)用于自然科學(xué)和社會科學(xué)領(lǐng)域。

隨著第五代計算機的開發(fā)和出現(xiàn)，模糊邏輯開始應(yīng)用于控制領(lǐng)域，1974年，隨著E.H.Mamdani把模糊控制理論的知識充分應(yīng)用于機械（鍋爐和蒸汽機）的操作和控制當(dāng)中，從那時候開始，模糊控制理論發(fā)展迅速，并在各個領(lǐng)域得到了巨大的發(fā)展。

模糊邏輯理論本身的最大作用，就是架構(gòu)相應(yīng)的語言信息，并將相應(yīng)的架構(gòu)語言信息更好地轉(zhuǎn)變成控制策略的理論和方法之一，這種理論能夠從根本上，更加有效地解決各種復(fù)雜且不能利用恰當(dāng)數(shù)學(xué)模型來解決的控制問題，所以這種理論是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中所存在的各類不精確、不確定性的恰當(dāng)方法。所以，模糊控制理論的基礎(chǔ)是模糊推理方式，通過對人的思維方式進行模仿，控制難以建立精確數(shù)學(xué)模型的研究對象。從理論角度來說，這種模糊邏輯理論是有效結(jié)合模糊數(shù)學(xué)和控制理論的產(chǎn)物，因此，模糊控制理論具有如下的特點：

1）在對控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的設(shè)計工作時，被控對象只要現(xiàn)場的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和各種知識，并不要求精確的數(shù)學(xué)模型。

2）控制系統(tǒng)一般具有較強的魯棒性，并能夠更好地解決日?？刂坪茈y解決的各類問題，如非線性、時變及大滯后等種種問題。

3）開始采取特殊的語言變量形式取代常用的變量形式。

4）控制系統(tǒng)的推理過程由于將個人的經(jīng)驗加入其中，所以各類復(fù)雜甚至病態(tài)的系統(tǒng)也能更好地得到處理。

90年代后，模糊控制系統(tǒng)不論是在理論還是實踐方面都取得了長足的進步，比如模糊狀態(tài)方程及穩(wěn)定性分析，軟計算技術(shù)等，都是在模糊控制系統(tǒng)發(fā)展的前提下產(chǎn)生的理論，與此同時，這些理論也豐富和發(fā)展了模糊系統(tǒng)理論，并且得到了更好的實踐發(fā)展。

2.2 模糊控制的發(fā)展

從模糊控制的發(fā)展看，其自身的發(fā)展可以分為兩個階段：

（1）早期的模糊控制器：早期的模糊控制器的利用，是從語言控制規(guī)則的角度出發(fā)，這類控制規(guī)則的設(shè)置，是從操作者自身的控制經(jīng)驗和知識總結(jié)方面出發(fā)，所以早期的模糊控制器，一般利用于很難獲得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不夠確定或者不夠精確的對象當(dāng)中。

（2）后期的模糊控制器：后期的模糊控制器，一般是用于那些難以對其規(guī)則進行描述的各類設(shè)備當(dāng)中,一般來說，這些適用對象很難總結(jié)相應(yīng)的成熟的經(jīng)驗,或者在整個過程中，有很大非線性以及時滯特征的,試圖了解人的大腦對各類負(fù)責(zé)現(xiàn)象所進行的識別和認(rèn)識上汲取經(jīng)驗，模糊集理論設(shè)計自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)的模糊控制器。

3 大體積混凝土施工溫度控制中模糊控制理論的具體應(yīng)用

3.1 大體積混凝土冷卻水降溫的關(guān)鍵因素

1）在為大體積混凝土冷卻水進行溫度降低時，以下幾個因素需要注意：

（1)混凝土的里外層之間有著一定的溫差，有可能會導(dǎo)致混凝土裂縫問題[1]。

（2)冷卻水水溫與混凝土最高溫度的溫差要盡量縮小,若溫差過大，極有可能造成冷卻管的溫度應(yīng)力過大，產(chǎn)生冷卻管裂縫。

（3)混凝土，尤其是大體積混凝土，如果處在降溫階段且速度過快，很可能出現(xiàn)貫穿性溫度裂縫[2]。

2）一般來說，在具體的工程施工過程中，為避免產(chǎn)生因為過大的溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的裂縫,一般會對以下指標(biāo)進行操控:

(1)混凝土的內(nèi)外之間的溫差需要不易大于25℃；

(2)混凝土降溫速率一般不易大于2℃/d；

(3)混凝土當(dāng)中的最高溫度與冷卻水水溫的溫差一般不易大于20℃。

3.2 大體積混凝土降溫的模糊控制原理

在施工當(dāng)中，隨著對大體積混凝土冷卻水的降溫過程的進行,混凝土內(nèi)外溫差的檢查和監(jiān)控有著重要的作用，一般來說，對其進行檢測通過以下手段：

1）首先，有效利用模糊控制器，將所用的監(jiān)測數(shù)據(jù)和大體積混凝土溫度控制所進行監(jiān)測的三個指標(biāo)的數(shù)值進行對比，并利用模糊控制器對水溫和水量進行更好地監(jiān)測，并將其形成指令，傳遞給施工人員[3]。

2）施工人員在接到指令后，開始進行大體積混凝土冷卻水降溫的控制，從而更好地避免由于混凝土溫度應(yīng)力過大所導(dǎo)致的混凝土開裂問題。而在這個過程中，為了幫助更加精確地對混凝土的溫度進行監(jiān)測，我們將具體的控溫過程分成兩個階段：升溫階段和降溫階段。通過相應(yīng)的劃分，才能更好地對溫度進行控制和調(diào)節(jié)。

3.3 輸入和輸出向量的問題

輸入變量的隸屬度函數(shù)呈現(xiàn)柯西型分布狀態(tài)，在升溫的過程中,冷卻水調(diào)溫幅度為輸出變量，將混凝土內(nèi)外溫差和冷卻水水溫設(shè)置成輸入變量；而在降溫時，冷卻水調(diào)溫幅度仍然為輸出變量，將混凝土內(nèi)外溫差、冷卻水水溫和降溫速率設(shè)置成輸入變量，在具體的工程中，其升溫階段和降溫階段的模糊控制系統(tǒng)將會被建立，而輸入變量的隸屬度函數(shù)呈現(xiàn)以下分布情況：

在這個計算公式當(dāng)中，a、b、k都是這個公式中的常數(shù)，而且a>0，k>1且b是正偶數(shù)，而且輸入的變量能夠用小、中、大三種變量進行表示。

3.4 形成相應(yīng)的模糊算法器

模糊控制規(guī)則與模糊算法能夠形成相應(yīng)的模糊算法器，而其中模糊算法規(guī)則由若干個模糊條件語句形成[4][5]，是所形成的最重要的控制經(jīng)驗，而在大體積混凝土溫度控制原則的基礎(chǔ)上，一般來說，工程所采用的模糊推理法為合成性質(zhì)的推理方法：Mamdani推理法[6]，其模糊蘊含關(guān)系為:

A→B=A×B,即R(u,v)=A(u)∧B(v)。

模糊控制理論已經(jīng)得到了工程界等各個行業(yè)的重視，但其自身的系統(tǒng)的分析和設(shè)計仍然沒有相對精確的方法,在許多具體的實踐過程中，需要相關(guān)經(jīng)驗和知識對其進行利用，而對著理論體系的發(fā)展，許多人將常規(guī)控制理論的理論背景充分應(yīng)用于模糊控制系統(tǒng)當(dāng)中，這對實際工程的應(yīng)用和發(fā)展起到了重要的作用。

[1]楊碧華,李惠強.早齡期大體積混凝土溫度應(yīng)力與裂縫的關(guān)系[J].武漢:華中科技大學(xué)學(xué)報:城市科學(xué)版,200219(4):76-77.

[2]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:144-341.

[3]張正斌,吳汝善,于健.模糊控制工程[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1995:4-11.

[4]俞先林,張緩媛.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工模糊控制技術(shù)[J].中外公路,2003,23(2):43-45.

[5]朱伯芳.大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:水利電力出版社,1999:633-671.

[6]鐘曉琳等.大體積混凝土施工規(guī)范（GB50496-2009）[S].北京:中國計劃出版社，2009.