第三章(1)模糊控制系統(tǒng)的組成原理

1、智能控制技術(shù)中國(guó)計(jì)量學(xué)院自動(dòng)化教研室智能控制技術(shù)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第3章模糊控制系統(tǒng)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理；3.2模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；3.3模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)實(shí)例。3. 1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念在自動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生之前，人們只能采用手動(dòng) 控制方式；由于生產(chǎn)力的發(fā)展，人們逐漸采用各種自動(dòng)裝 置來(lái)部分代替人眼（測(cè)量）、腦（控制）、手 （執(zhí)行）的作用。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念經(jīng)典控制理論對(duì)解決線性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題 很有效；現(xiàn)代控制理論在解決線性或非線性、定?；驎r(shí) 變系統(tǒng)的控制問(wèn)題方面，獲得了廣泛

2、應(yīng)用。以上方法，都需要事先知道被控對(duì)象的精確模 型，根據(jù)模型及給定性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目?制規(guī)律，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在客觀的現(xiàn)實(shí)世界里，許多對(duì)象建立精確數(shù)學(xué) 模型是很困難的或根本不可能的，對(duì)這類對(duì)象, 很難用上述方法進(jìn)行自動(dòng)控制；辭黑譎些鵡蠶蠹鑲黯蠶員面對(duì)這樣的事實(shí)，人們重新研究人的控制行為 的特點(diǎn)，力圖讓計(jì)算機(jī)模擬人類控制的特點(diǎn)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的組成:3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模

3、糊控制系統(tǒng)的基本概念測(cè)暈值Z測(cè)暈變送器3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念、模糊控制系統(tǒng)的定義:模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以模糊 數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為理論基 礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的負(fù)反饋閉環(huán)數(shù) 字控制系統(tǒng)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理 二、模糊控制系統(tǒng)的組成2、模糊控制系統(tǒng)的組成：二、模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)的組成: 被控對(duì)象：難以建模的對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器：FLC (Fuzzy Logic Controller)輸入/輸出接口：模糊化與反模糊化環(huán)節(jié)測(cè)量裝置一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3、模糊控制系統(tǒng)的工作原理：例：人用手控制竹竿直立不倒。方法：

4、一邊用眼觀察，一邊用手運(yùn)動(dòng)。規(guī)則：竹竿前傾，手向前動(dòng)，傾一點(diǎn)，動(dòng)一點(diǎn), 傾得多，動(dòng)得多；竹竿后倒，手后退。動(dòng)作人的控制過(guò)程： 偏差觀察判斷推理決策（大、中、?。ㄇ啊⒅?、后）一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3、模糊控制系統(tǒng)的工作原理:計(jì)算偏差信號(hào)E；將E經(jīng)模糊化后變成模糊量，用相應(yīng)模糊語(yǔ)言 表示；將E和推理規(guī)則進(jìn)行合成，得到輸出控制量 為：U=oR；將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念4、模糊控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：不依賴被控對(duì)象的精確模型；反映人類思維，且模糊控制規(guī)則可通過(guò)學(xué)習(xí)不 斷更新；易被人們理解和接受；具有計(jì)算機(jī)控

5、制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理模糊控制的原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理其組模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊邏輯控制器, 成如下所示：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理精確輸入3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理二、模糊控制的原理模糊邏輯控制器的功能: 把系統(tǒng)偏差從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模糊量; 對(duì)該模糊量由給定的規(guī)則進(jìn)行推理; 將推理結(jié)

6、果轉(zhuǎn)化為精確量。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器1、模糊化：把輸入空間的精確點(diǎn)x映射成論域中相應(yīng)語(yǔ)言 變量的語(yǔ)言值，即模糊集合A的過(guò)程。(1)映射成單點(diǎn)：；:工3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器(2)映射成模糊集合:例：系統(tǒng)偏差e,用語(yǔ)言變量E來(lái)描述，貝 T (E)為E的語(yǔ)言值集合。T(E)=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正 大=NB,NM,NS ,ZE,PS,PM,PB3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器NB，NM,NSZE，PS，PMf B每一語(yǔ)言值均為模糊集合，可用隸屬度函數(shù)表0e經(jīng)驗(yàn)表明：用三角和梯形的隸屬度函數(shù)在實(shí)際

7、 應(yīng)用中帶來(lái)很多方便。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器2、知識(shí)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。專譬花薛的龜濾鑼出語(yǔ)言變量的論量化因子：為便于計(jì)算機(jī)處理，一般將論域離 散化為n小段，每段用一個(gè)特定的術(shù)語(yǔ)標(biāo)記， 形成一個(gè)離散域。例：一用于熱處理工藝的加熱器，要求保持爐 溫600度恒定不變。爐溫受被處理零件的多少、 電網(wǎng)電壓變化、本身保溫性和體積等因素影響 而容易波動(dòng)。用模糊控制代替人工控制，貝I：輸入量為爐溫的誤差：e = T - Td ；輸岀量為電壓u。輸入、輸出變量的語(yǔ)言值為NB,NS,ZE,PS,PB, 設(shè)e的論域?yàn)?600, 600, u的論域?yàn)?, 220,把e量化為7個(gè)等級(jí)：-3,

8、2, -1, 0, 1, 2, 3； 把u量化為7個(gè)等級(jí)：-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3o3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器設(shè)隸屬度函數(shù)曲線為:PB3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理21三、模糊邏輯控制器則輸入輸出賦值表:隸ja m3-210123語(yǔ)言屬PB000000.51PS000010.50ZE000.510.500NS00.510000NB10.5000003.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器(2) 規(guī)則庫(kù)：存放模糊控制規(guī)則，一般用if-then 語(yǔ)句描述。規(guī)則庫(kù)的建立： 專家經(jīng)驗(yàn)法； 觀察法； 基于過(guò)程的模糊模型; 基于自組織和學(xué)習(xí)。3.1模糊控制系統(tǒng)的

9、組成原理三、模糊邏輯控制器例：同上爐溫控制系統(tǒng)。假設(shè)爐溫是通過(guò)調(diào)節(jié)可控硅的電壓導(dǎo)通角a來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制規(guī)則為：低于600度時(shí)，升壓，低得越多升壓越高； 高于600度時(shí)，降壓，高得越多降壓越低； 等于600度時(shí)，保持不變。總結(jié)控制規(guī)則如下：(1) if e is NB, then u is PB ；(2) if e is NS, then u is PS；(3) if e is ZE, then u is ZE；(4) if e is PS, then u is NS；(5) if e is PB, then u is NB。由其量化后的隸屬度，得到規(guī)則的模糊關(guān)系為:R(NBe-PBu) U (NS

10、e-PSu) U (ZEe-ZEu) U (PSe-NSu) U (PBe->NBu)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器3、模糊推理根據(jù)知識(shí)庫(kù)提供的信息和輸入狀態(tài)模擬人類的 推理決策過(guò)程，給岀合適的控制量?？捎们笆龈鞣N推理方法。推理結(jié)果與多種因素有關(guān)，如合成規(guī)則、蘊(yùn)涵 規(guī)則、連接詞等。4、清晰化把模糊推理得到的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，去驅(qū) 動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用方法：(1) 最大隸屬度函數(shù)法;(2) 加權(quán)平均法；重心法。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器(1) 最大隸屬度函數(shù)法：若最大隸屬度的元素有多個(gè)，則:*(1)最大隸屬度函數(shù)法:在模糊推理輸岀的結(jié)果中，取隸屬度最大的元

11、 素作為精確值。況* = max （均）eU優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)：丟失許多信息。(2) 加權(quán)平均法：將各個(gè)取值加權(quán)后求取平均值。n工線幾%*=n乞Pkk=3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器（3）重心法將隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積的重心 作為模糊推理最終輸岀。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器UJLL(ll)du滬-J Li(u)duU工線心） 滬旦n 2（蘇） k=(3) 重心法例：已知由極大極小推理法得到輸出模糊集為:C=0.3/-l+0.8/-2+l/-3+0.5/-4+0.1/-5試由重心法計(jì)算此推理結(jié)果的輸岀精確值。綜上所述，