模糊控制理论在大体积混凝土施工温度控制中的应用

马俊文 罗志荣 刘孝国

(1甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州730050；2榆中县供热管理站，甘肃 兰州730100）3中国建筑科学研究院，北京100013）

1 引言

模糊控制理论作为现代控制论研究的重要方面，一般来说，模糊控制理论会将状态分析的结果作为基础，将多输入多输出和非线性系统控制问题当做重点研究对象，和以往的各种控制方法相比，模糊控制理论利用更加科学的语言实现对规则的控制，从而更好地进行综合评判,这样能够有效地规避由于施工工作人员欠缺施工经验等原因所导致施工过于随意等问题，使控制结果更为先进合理。因此，本文立足于实际工程，有效利用模糊控制理论的具体应用和各种计算方式，对大体积混凝土施工温度的控制方式进行相应的讨论。

2 模糊控制理论概述

2.1 模糊控制理论的来源

模糊控制理论的理论基础，最初来源于加利福尼亚大学控制论专家L.A.Zadeh，1965年他所撰写的《Fuzzy Set》开设了模糊数学和模糊控制理论相结合的先河，从那时候开始，大量的学者开始对其进行研究，因此这个理论开始得到传播与发展，与此同时，理论在得到发展的前提下，被有效地应用于自然科学和社会科学领域。

随着第五代计算机的开发和出现，模糊逻辑开始应用于控制领域，1974年，随着E.H.Mamdani把模糊控制理论的知识充分应用于机械（锅炉和蒸汽机）的操作和控制当中，从那时候开始，模糊控制理论发展迅速，并在各个领域得到了巨大的发展。

模糊逻辑理论本身的最大作用，就是架构相应的语言信息，并将相应的架构语言信息更好地转变成控制策略的理论和方法之一，这种理论能够从根本上，更加有效地解决各种复杂且不能利用恰当数学模型来解决的控制问题，所以这种理论是处理推理系统和控制系统中所存在的各类不精确、不确定性的恰当方法。所以，模糊控制理论的基础是模糊推理方式，通过对人的思维方式进行模仿，控制难以建立精确数学模型的研究对象。从理论角度来说，这种模糊逻辑理论是有效结合模糊数学和控制理论的产物，因此，模糊控制理论具有如下的特点：

1）在对控制系统进行相应的设计工作时，被控对象只要现场的经验数据和各种知识，并不要求精确的数学模型。

2）控制系统一般具有较强的鲁棒性，并能够更好地解决日常控制很难解决的各类问题，如非线性、时变及大滞后等种种问题。

3）开始采取特殊的语言变量形式取代常用的变量形式。

4）控制系统的推理过程由于将个人的经验加入其中，所以各类复杂甚至病态的系统也能更好地得到处理。

90年代后，模糊控制系统不论是在理论还是实践方面都取得了长足的进步，比如模糊状态方程及稳定性分析，软计算技术等，都是在模糊控制系统发展的前提下产生的理论，与此同时，这些理论也丰富和发展了模糊系统理论，并且得到了更好的实践发展。

2.2 模糊控制的发展

从模糊控制的发展看，其自身的发展可以分为两个阶段：

（1）早期的模糊控制器：早期的模糊控制器的利用，是从语言控制规则的角度出发，这类控制规则的设置，是从操作者自身的控制经验和知识总结方面出发，所以早期的模糊控制器，一般利用于很难获得精确数学模型和数学模型不够确定或者不够精确的对象当中。

（2）后期的模糊控制器：后期的模糊控制器，一般是用于那些难以对其规则进行描述的各类设备当中,一般来说，这些适用对象很难总结相应的成熟的经验,或者在整个过程中，有很大非线性以及时滞特征的,试图了解人的大脑对各类负责现象所进行的识别和认识上汲取经验，模糊集理论设计自适应、自组织、自学习的模糊控制器。

3 大体积混凝土施工温度控制中模糊控制理论的具体应用

3.1 大体积混凝土冷却水降温的关键因素

1）在为大体积混凝土冷却水进行温度降低时，以下几个因素需要注意：

（1)混凝土的里外层之间有着一定的温差，有可能会导致混凝土裂缝问题[1]。

（2)冷却水水温与混凝土最高温度的温差要尽量缩小,若温差过大，极有可能造成冷却管的温度应力过大，产生冷却管裂缝。

（3)混凝土，尤其是大体积混凝土，如果处在降温阶段且速度过快，很可能出现贯穿性温度裂缝[2]。

2）一般来说，在具体的工程施工过程中，为避免产生因为过大的温度应力而导致的裂缝,一般会对以下指标进行操控:

(1)混凝土的内外之间的温差需要不易大于25℃；

(2)混凝土降温速率一般不易大于2℃/d；

(3)混凝土当中的最高温度与冷却水水温的温差一般不易大于20℃。

3.2 大体积混凝土降温的模糊控制原理

在施工当中，随着对大体积混凝土冷却水的降温过程的进行,混凝土内外温差的检查和监控有着重要的作用，一般来说，对其进行检测通过以下手段：

1）首先，有效利用模糊控制器，将所用的监测数据和大体积混凝土温度控制所进行监测的三个指标的数值进行对比，并利用模糊控制器对水温和水量进行更好地监测，并将其形成指令，传递给施工人员[3]。

2）施工人员在接到指令后，开始进行大体积混凝土冷却水降温的控制，从而更好地避免由于混凝土温度应力过大所导致的混凝土开裂问题。而在这个过程中，为了帮助更加精确地对混凝土的温度进行监测，我们将具体的控温过程分成两个阶段：升温阶段和降温阶段。通过相应的划分，才能更好地对温度进行控制和调节。

3.3 输入和输出向量的问题

输入变量的隶属度函数呈现柯西型分布状态，在升温的过程中,冷却水调温幅度为输出变量，将混凝土内外温差和冷却水水温设置成输入变量；而在降温时，冷却水调温幅度仍然为输出变量，将混凝土内外温差、冷却水水温和降温速率设置成输入变量，在具体的工程中，其升温阶段和降温阶段的模糊控制系统将会被建立，而输入变量的隶属度函数呈现以下分布情况：

在这个计算公式当中，a、b、k都是这个公式中的常数，而且a>0，k>1且b是正偶数，而且输入的变量能够用小、中、大三种变量进行表示。

3.4 形成相应的模糊算法器

模糊控制规则与模糊算法能够形成相应的模糊算法器，而其中模糊算法规则由若干个模糊条件语句形成[4][5]，是所形成的最重要的控制经验，而在大体积混凝土温度控制原则的基础上，一般来说，工程所采用的模糊推理法为合成性质的推理方法：Mamdani推理法[6]，其模糊蕴含关系为:

A→B=A×B,即R(u,v)=A(u)∧B(v)。

模糊控制理论已经得到了工程界等各个行业的重视，但其自身的系统的分析和设计仍然没有相对精确的方法,在许多具体的实践过程中，需要相关经验和知识对其进行利用，而对着理论体系的发展，许多人将常规控制理论的理论背景充分应用于模糊控制系统当中，这对实际工程的应用和发展起到了重要的作用。

[1]杨碧华,李惠强.早龄期大体积混凝土温度应力与裂缝的关系[J].武汉:华中科技大学学报:城市科学版,200219(4):76-77.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:144-341.

[3]张正斌,吴汝善,于健.模糊控制工程[M].重庆:重庆大学出版社,1995:4-11.

[4]俞先林,张缓媛.预应力混凝土连续梁桥悬臂施工模糊控制技术[J].中外公路,2003,23(2):43-45.

[5]朱伯芳.大体积混凝土结构的温度应力与温度控制[M].北京:水利电力出版社,1999:633-671.

[6]钟晓琳等.大体积混凝土施工规范（GB50496-2009）[S].北京:中国计划出版社，2009.