模糊控制系統(tǒng)精品課件

1、模糊控制系統(tǒng)課件第1頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四模糊控制器的設(shè)計主要考慮以下幾項主要內(nèi)容：確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)；設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；確立模糊化和解模糊的方法；選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域，并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子等)；編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。第2頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四4.1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)及主要類型4.1.1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)（1）模糊化接口（Fuzzification） 所謂模糊化，就是通過傳感器把被控對象的相關(guān)物理量電量，若傳感器的輸出量是連續(xù)的模擬量

2、 數(shù)字量作為計算機(jī)的輸入測量值標(biāo)準(zhǔn)化處理（即把其變化范圍映射到相應(yīng)內(nèi)部論域中，然后將內(nèi)部論域中該輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)語言變量的概念，并構(gòu)成模糊集合）。第3頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四 這樣就把輸入的精確量變換成用模糊集合隸屬函數(shù)表示的某一模糊變量的值。完成這部分功能的模塊就稱作模糊化接口。 模糊化接口的主要功能：將輸入變量的精確值其對應(yīng)論域上自然語言描述的模糊集合，以便進(jìn)行模糊推理和決策。具體包括：測量輸入變量。傳感器的輸出。論域變換，即實際論域內(nèi)部論域。 實際論域也就是精確量的基本論域，它可以通過實驗或理論指導(dǎo)來確定，它在控制過程中往往是不變化的。第4頁，共22頁，

3、2022年，5月20日，6點54分，星期四例：以兩輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)為例，設(shè)誤差的基本論域為 ，誤差變化的基本論域為 ，控制量的變化范圍為 。類似地，設(shè)誤差的模糊論域為誤差變化的論域為控制量的論域為 一般來說，論域的量化等級越細(xì)，控制精度也越高。但過細(xì)的量化等級將使算法復(fù)雜化，而且也沒有必要。確定了變量的基本論域和模糊集論域后，比例因子也就確定了。第5頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四量化因子： ， ，比例因子：注：誤差和誤差變化這兩個變量的連續(xù)值與其論域中的離散值并不是一一對應(yīng)的。第6頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四第7頁，共22頁，2022

4、年，5月20日，6點54分，星期四（2）模糊推理機(jī)（Inference engine） 模糊推理機(jī)由知識庫（數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫）與模糊推理決策邏輯構(gòu)成。這是基本部分。 知識庫（Knowledge base）=數(shù)據(jù)庫（Date base）+語言控制規(guī)則庫（Rule base） 模糊控制器的核心。 模糊推理機(jī) 主要功能：模仿人的思維特征，根據(jù)模糊控制規(guī)則，運用模糊數(shù)學(xué)理論對模糊控制規(guī)則進(jìn)行計算推理。第8頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四（3）解模糊接口（Defuzzification）原因：模糊推理得出的模糊輸出量不能直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須確定一個最具有代表性的值作為真正的輸出

5、控制量，即解模糊判決。主要功能：比例映射：內(nèi)部論域?qū)嶋H論域。解模糊：模糊控制量精確的控制作用，模糊化的反過程。第9頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四第10頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四第11頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四4.1.2 常用的幾種模糊控制器簡單模糊控制器及其特性（二維模糊控制器）方法：根據(jù)被控對象，確定、e、u的隸屬函數(shù)及模糊控制規(guī)則表查詢表（例：表3.5 P47） 實際應(yīng)用時，輸入變量內(nèi)部論域，查表，得出u執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)點：二維模糊控制器，比一維模糊控制器控制效果好。 設(shè)計簡單，性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)。缺點：不同被

6、控對象，控制規(guī)則不變，控制效果不好。圖4.3 簡單模糊控制器的結(jié)構(gòu)第12頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四模糊自調(diào)整控制器-二維模糊控制器中加入修正因子 （規(guī)則自調(diào)整模糊控制器） 低階控制系統(tǒng)： 0.5 高階控制系統(tǒng)： 0.5 當(dāng)誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，加快響應(yīng)速度，這時對誤差的加權(quán)應(yīng)該大些； 當(dāng)誤差較小時，此時系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小系統(tǒng)超調(diào)，這就要求在控制規(guī)則中誤差變化起的作用大些，即對誤差變化率的加權(quán)大些。 因此，在不同的誤差范圍時，可通過調(diào)整 來實現(xiàn)控制規(guī)則的自調(diào)整。第13頁，共22頁，2022年，5月20日，6點5

7、4分，星期四變結(jié)構(gòu)模糊控制器-多個模糊控制器的組合 不同狀態(tài)，不同要求下，多個軟件（具有不同參數(shù)、規(guī)則），根據(jù)情況選擇不同的控制器。如：溫度、壓力、流量，同時控制。第14頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四第15頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四模糊自組織控制器 經(jīng)驗不足者、沒有完整的模糊規(guī)則、時變系統(tǒng)且規(guī)則需要變化實時自動修改、完善和調(diào)整規(guī)則模糊自適應(yīng)控制器-在線辨識模糊控制規(guī)則的自調(diào)整 基本思想-系統(tǒng)的控制誤差是評價控制器性能最為直接有效的指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)誤差估計控制量的校正值，再由這個控制量的校正值來修改模糊控制規(guī)則。 規(guī)則自調(diào)整模糊控制器=常規(guī)模

8、糊控制器+規(guī)則自調(diào)整功能。 模糊規(guī)則的修改過程可以看作是模糊控制器的學(xué)習(xí)過程，模糊規(guī)則的自調(diào)整是以語義形式實現(xiàn)的，在一定程度上體現(xiàn)了人的認(rèn)識過程。 第16頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四4.1.3模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的實現(xiàn)方法：由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控制器；用通用單片機(jī)組成硬件系統(tǒng)：PLC、IPC、DSP等 在模糊控制中，模糊控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，模糊控制器的設(shè)計實質(zhì)上是設(shè)計模糊控制算法。根據(jù)模糊控制原理，按以下步驟來設(shè)計模糊控制器： 1)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu) 2)輸入、輸出變量的模糊化 3)模糊推理決策算法的設(shè)計 4)對輸出模糊量進(jìn)行解模糊判決第

9、17頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四思考題：1、模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)？各部分的主要功能？2、實際論域（基本論域）、模糊論域（內(nèi)部論域）的概念？3、常用的模糊控制器有哪些？4、二維FC的工作原理？優(yōu)缺點？5、FC設(shè)計的兩種實現(xiàn)方式及其特點？6、設(shè)計模糊控制器的步驟？第18頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四4.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計實質(zhì)：模糊控制器輸入語言變量及輸出語言變量的選取和模糊控制器的不同組合與擴(kuò)展問題。 模糊控制系統(tǒng)可分為單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)。本書討論單變量模糊控制系統(tǒng)，輸入就是系統(tǒng)的給定值，輸出就是

10、系統(tǒng)的輸出值。模糊控制的維數(shù)：模糊控制器輸入變量的個數(shù)。一維模糊控制器 If e then u 常用于一階被控對象。系統(tǒng)的動態(tài)控制性能不佳。二維模糊控制器 If e and e then u 以誤差e和誤差變化e為輸入變量，以控制量u的變化為輸出變量，這種結(jié)構(gòu)反映模糊控制器具有PD控制規(guī)律，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可減少系統(tǒng)地超調(diào)量，削弱系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象。這種模糊控制器較常用，另外，也可取系統(tǒng)地誤差e和誤差的和作為輸入變量，這種結(jié)構(gòu)反映的是PI控制規(guī)律。這樣就確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)。第19頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四多維模糊控制器 If e and e and 2e then u 三維模糊控制器，由于模糊控制器輸入的維數(shù)增多，控制規(guī)則的選取也越來越困難，相應(yīng)的控制算法越來越復(fù)雜。處理速度下降，造成滯后，大滯后環(huán)節(jié)，這也是三維或多維模糊控制器的應(yīng)用“瓶頸”。小結(jié)： 考慮系統(tǒng)的精度、速度，二維FC用的比較多。第20頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四圖 4.5 常見模糊控制器的結(jié)構(gòu)類型(a)一維模糊控制器；(b)二維模糊控制器；(c)三維模糊控制器第21頁，共22頁，2022年，5月20日，6點54分，星期四4.2.2 一般設(shè)計方法（1）模糊控制器的設(shè)計原則 1）模糊語言變量的語言值分檔和模糊論域分級的選取 2）量化因子和模糊