神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制及專家系統(tǒng)第四章課件

第二章模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第三章

模糊控制的基礎(chǔ)理論第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器第五章模糊控制理論的研究第二部分模糊控制（12）第二章模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第二部分模糊控制（12）1第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器（4學(xué)時）模糊控制系統(tǒng)的定義

模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)；采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)4.2模糊控制器4.3模糊控制器的設(shè)計舉例4.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.2.1模糊控制器的組成4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)4.2.3模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容這也就是它與其他自動控制系統(tǒng)的不同之處。因此，它無疑是一種智能控制系統(tǒng)第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器（4學(xué)時）模糊控制系統(tǒng)的定義24.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)圖4-1模糊控制系統(tǒng)組成框圖確定的/模糊的、單變量的/多變量的、有滯后/無滯后的、線性的/非線性的、定常的/時變的、強耦合/干擾的。交直流電動機，伺服電動機、步進電動機、氣動調(diào)節(jié)閥、液壓馬達、液壓閥等通常有PID控制器，串、并聯(lián)校正器，狀態(tài)控制器，自適應(yīng)控制器，解耦控制器，魯棒控制器。（后面詳講模糊控制器）多數(shù)被控對象的控制器和可觀測器的狀態(tài)量是模擬量，因此要具有數(shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換單元將被控對象的各種非電量（如流量、溫度、壓力、速度、溫度）———電信號，要求其精度高、可靠且穩(wěn)定性好執(zhí)行機構(gòu)：控制器：輸入/輸出（I/O）接口：測量裝置：被控對象（狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程）：4.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制34.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)(4.1)圖4-2速度模糊控制系統(tǒng)4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模44.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)總結(jié)上述Fuzzy控制算法（亦稱一步Fuzzy控制算法）的實現(xiàn)過程：4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模54.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)對于該直流電動機模糊控制調(diào)速系統(tǒng)，其控制原理可以作如下分析：NB(negativeBig)NS(NegativeSmall)ZO(zero)PS(PositiveSmall)PB(PositiveBig)124.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模64.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)圖4-3隸屬度函數(shù)4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模74.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)3表4-2一維模糊狀態(tài)表4論域有限時，可以用矩陣來表示這種模糊關(guān)系4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模84.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)4直積同理，可以得到4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模94.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)5由Sup-min合成推理6模糊變量精確量4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模104.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)峰域中心值方法：6表4-3控制表4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模114.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)6圖4-4單變量模糊控制器動態(tài)響應(yīng)特性取諸元素值的中心（重心）為3.5可以適當(dāng)增加較小區(qū)域的分檔級數(shù)的不均勻分檔方法；4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模124.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)（1）線性模糊控制系統(tǒng)與非線性模糊控制系統(tǒng)線性度線性化因子模糊子集個數(shù)（2）恒值模糊控制系統(tǒng)與隨動模糊控制系統(tǒng)4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系134.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)（3）有差模糊控制系統(tǒng)和無差模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差：當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，其輸出與給定輸入所對應(yīng)的期望輸出之間的差值被稱為穩(wěn)態(tài)誤差。（1）有差模糊控制系統(tǒng)只考慮誤差的大小及其變化率，即PD調(diào)節(jié)器，因此，一般模糊控制系統(tǒng)均存在有靜態(tài)誤差。（2）無差模糊控制系統(tǒng)帶有積分環(huán)節(jié)的PID調(diào)節(jié)器可將余差抑制到最小限度。恒值控制系統(tǒng)一般要求無靜差隨動控制系統(tǒng)對靜差有要求，瞬態(tài)響應(yīng)要求快速4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系144.2.1模糊控制器的組成4.2模糊控制器FC模糊控制模糊邏輯控制器模糊語言控制器

FCFLCFLCFuzzyControlFuzzyLogicControlFuzzylanguageControl模糊條件語句來描述數(shù)據(jù)庫語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和正則化以及輸入空間的分區(qū)、隸屬度函數(shù)的定義等規(guī)則庫給出一套由語言變量描述的并由專家或自學(xué)習(xí)產(chǎn)生的控制規(guī)則的集合

知識庫圖4-5模糊控制器組成4.2.1模糊控制器的組成4.2模糊控制器FC模糊控制15（一）模糊化接口4.2.1模糊控制器的組成真實的確定量輸入一個模糊矢量

轉(zhuǎn)換成圖4-6模糊化函數(shù)4.2模糊控制器FC（一）模糊化接口4.2.1模糊控制器的組成真實的確定量輸16（二）知識庫數(shù)據(jù)庫（KB-KnowledgeBase）規(guī)則庫（RB-RuleBase）A．?dāng)?shù)據(jù)庫存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值或隸屬度函數(shù)，因此它涉及量化等級的選擇、量化方式、比例因子、模糊子集的隸屬度函數(shù)。

（線性或非線性）

4.2.1模糊控制器的組成模糊子集的劃分4.2模糊控制器FC（二）知識庫數(shù)據(jù)庫（KB-KnowledgeBa17量化：將一個論域離散成確定數(shù)目的幾小段（量化級），每一段用某一個特定術(shù)語來描述，形成一個離散域。

4.2.1模糊控制器的組成圖4-7模糊子集和模糊化等級4.2模糊控制器FC量化：將一個論域離散成確定數(shù)目的幾小段（量化級），每一段用某184.2.1模糊控制器的組成本質(zhì)上，圖4-7和表4-4是一樣的，它們只不過時對同一個模糊輸入量的兩種不同表示方法。他們是嚴(yán)格對應(yīng)的，在設(shè)計時只要知道其中一個即可。連續(xù)值表示離散值表示表4-4模糊變量e的隸屬度值4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成本質(zhì)上，圖4-7和表4-4是一194.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的。用一系列模糊條件描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成模糊控制規(guī)則庫。與之相關(guān)的：

（1）過程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇（2）模糊控制規(guī)則的建立（3）模糊控制規(guī)則的完整性，兼容性，干擾性常用關(guān)系詞為if-then,also(或or),and,else,等通常if——部分——“前提部”E為PZ、PS、PM、PB、NZ、NS、NM、NBthen——部分——“結(jié)論部”

EC為PZ、PS、PM、PB、NZ、NS、NM、NB類似的規(guī)則有條4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控204.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的。表4-5模糊規(guī)則表4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控214.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的。①專家經(jīng)驗法：②觀察法：通過現(xiàn)場控制專家和熟練操作工實際操作來建立操作模型

舉例：Sugeno-Kang1988年

（2）模糊控制規(guī)則的建立假設(shè)4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控224.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的?！癐F-THEN”——即通過建立被控對象的模糊模型來實現(xiàn)思考：比較①和③所建立規(guī)則的不同之處！

③基于模糊模型的控制④自組織法

隨著環(huán)境的變化或經(jīng)驗的豐富更新原有的控制規(guī)則以獲得更佳的控制效果，有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的性能。4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控234.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口

根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分?？梢允峭评硭惴ㄜ浖布酒：评矸椒╖adeh推理正向推理逆向推理表4-6Zadeh近似推理4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口244.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口根據(jù)模糊子集具有不同形式的隸屬函數(shù)，而采用不同的推理方法記作簡單的介紹1.具有吊鐘型或三角型的隸屬函數(shù)對于有兩個輸入變量E和EC一個輸出變量U

模糊控制器控制規(guī)則取為其中4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口根據(jù)模糊254.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口1.具有吊鐘型或三角型的隸屬函數(shù)原理如圖4-8圖4-8模糊推理示意4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口1.具264.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口2.具有單調(diào)遞增/遞減的隸屬函數(shù)原理如圖4-9圖4-9單調(diào)函數(shù)模糊推理4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口2.具274.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口3.具有臺型的隸屬函數(shù)前提部——模糊命題組成結(jié)論部——普通的輸入輸出關(guān)系式組成原理如圖4-10圖4-10臺型函數(shù)模糊推理后面這兩種方法推理方法，無須專門再進行解模糊處理，即“推理機”中已經(jīng)包含了解模糊接口的功能。4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口3.具有284.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口4.關(guān)于精確化過程的其它方法最大隸屬度函數(shù)法重心法加權(quán)平均法吊鐘型或三角型隸屬函數(shù)單調(diào)遞增/遞減隸屬函數(shù)臺型的隸屬函數(shù)分別屬于哪種解模糊方法？4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口4.關(guān)于294.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（一）單變量模糊控制系統(tǒng)（二）多變量模糊控制系統(tǒng)（一）單輸入——單輸出模糊控制結(jié)構(gòu)（維數(shù)是指條件部（前提部）中語言變量的多少）4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（一）單變量模糊控制系統(tǒng)（一）304.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)圖4-11多變量模糊控制器

1.結(jié)構(gòu)解耦通常地，將一個MIMO的FuzzyController——分解——若干個多輸入單輸出（MISO）FuzzyController4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制314.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)

2.MISO模糊控制器3.MIMO模糊控制器由1.2，得到圖4-14MIMO結(jié)構(gòu)由此，得到圖4-13圖4-12MISO模糊控制器

圖4-13MISO結(jié)構(gòu)圖4-14MIMO結(jié)構(gòu)4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制324.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容①確定FC的輸入輸出變量②選擇FC的輸入、輸出變量的論域，確定FC的參數(shù)（量化因子，比例因子）③設(shè)計FC的控制規(guī)則④確立模糊化和清晰化的方法⑤編制模糊控制算法的程序⑥合理選擇FC的采樣時間下面的溫度控制系統(tǒng)為例設(shè)計FC：4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容①確定FC的輸入輸出變量下334.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容一般地，調(diào)整兩個量化因子時，控制量輸出的比例因子一般保持不變，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)震蕩，則可優(yōu)先考慮減少比例因子——消除極限環(huán)量化因子和比例因子的選擇系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，說明有關(guān)的量化因子太小，如圖4-15a

反應(yīng)很慢，超調(diào)又很大，說明兩個量化因子都太大,如圖4-15b

兩個量化因子恰當(dāng),如圖4-15c圖4-15量化因子的調(diào)整abc4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容一般地，調(diào)整兩個量化因子時344.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容選擇描述輸入輸出變量的詞集定義各模糊變量的模糊子集建立模糊控制規(guī)則詞集的選擇5個詞匯詞集個數(shù)越多，分辨率越高，一般取2~10個{正大，正小，零，負小，負大}{PB，PS，ZE，NS，NB}詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀圖4-164.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容選擇描述輸入輸出變量的詞集354.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀表4-7模糊集的隸屬度函數(shù)4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定364.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀討論：隸屬函數(shù)的形狀對控制特性的影響尖峰值高--分辨率高，控制靈敏度高平緩--控制特性較平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好因此：誤差較大的區(qū)域，采用低分辨率的模糊集誤差較小的區(qū)域，采用高分辨率的模糊集圖4-18圖4-174.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定374.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀討論：隸屬函數(shù)的形狀對控制特性的影響實際應(yīng)用中，含有噪聲，如何減弱噪聲對隸屬度的影響？圖4-19隸屬度函數(shù)的選擇a)隸屬度函數(shù)的分辨率b)噪聲影響大c)噪聲影響小4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定384.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容建立模糊控制規(guī)則表4-8控制規(guī)則表表4-9控制規(guī)則表4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容建立模糊控制規(guī)則表4-839④確立模糊化和清晰化的方法4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容1）精確量的離散化2）模糊化常用方法在處隸屬度為1，其余各點隸屬度均取0。（一）模糊化（二）清晰化表4-7

圖4-21圖4-224.2模糊控制器FC④確立模糊化和清晰化的方法4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容404.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序--最簡單形式--模糊控制表規(guī)則1規(guī)則2（由表4-8）

推理過程如圖4-23圖4-23模糊推理過程示意圖4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序-414.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序--最簡單形式--模糊控制表由重心法得出精確量得到控制表表4-9表4-9模糊控制表4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序-42例1：

以流量控制為例,選擇輸入量為誤差(以e表示)和誤差變化(以de表示),控制器的輸出為閥門流量的校正量(以u表示)

把誤差劃分成”負大”,”負小”,”零”,”正小”,”正大”五個等級.---語言變量的語言值.

輸出量即閥門的開關(guān)的狀態(tài)劃分為”關(guān)”,”半開”,”中等”,”開”這四個等級選擇模糊隸屬函數(shù)如圖圖4-24誤差與誤差變化、閥門流量的隸屬度函數(shù)圖4.3模糊控制器設(shè)計舉例例1：以流量控制為例,選擇輸入量為誤差(以43根據(jù)專家經(jīng)驗建立模糊控制規(guī)則,這里有5*5=25條規(guī)則規(guī)則1:如果(IF)誤差為零,或者(OR)誤差變化為正小,則(THEN)閥門半開規(guī)則2:如果(IF)誤差為正小,或者(OR)誤差變化為正小,則(THEN)閥門中等舉個例子:假定輸入誤差為5,誤差變化為8,第一步:模糊化由前頁圖可以得到誤差屬于”零”的程度即隸屬度為0.375,屬于”正小”的程度為0.625,誤差變化屬于”零”的程度即隸屬度為0.2,屬于”正小”的程度為0.8.第二步:模糊邏輯推理應(yīng)用規(guī)則庫中的兩條規(guī)則1.誤差屬于”零”的程度即隸屬度為0.375,誤差變化屬于”正小”的程度為0.8,由推理規(guī)則MAX(0.375,0.8)=0.8,所以閥門半開的隸屬度為0.82.誤差屬于”正小”的程度即隸屬度為0.625,誤差變化屬于”正小”的程度為0.8,由推理規(guī)則MIN(0.625,0.8)=0.625,所以閥門中等的隸屬度為0.6254.3模糊控制器設(shè)計舉例根據(jù)專家經(jīng)驗建立模糊控制規(guī)則,這里有5*5=25條規(guī)則舉44第三步:精確化計算由削頂推理法選擇重心法計算,首先得到3-10的各拐點的坐標(biāo)(0,0),(3.5,0.8),(4.8,0.8),(6,0.5),(6.5,0.625),(9.5,0.625),(12,0).套用精確化過程重心計算法積分公式,得到從而閥門確切開度為5.87推理出的閥門流量的隸屬度4.3模糊控制器設(shè)計舉例圖4-25閥門流量的隸屬度函數(shù)圖第三步:精確化計算選擇重心法計算,首先得到3-10的各拐點的45例2：討論由晶閘管控制的直流電動機.由直流傳動驅(qū)動模塊可知,此對象為一個純延時的慣性環(huán)節(jié).設(shè)傳遞函數(shù)已知,要求設(shè)計一個模糊控制器,對此調(diào)速系統(tǒng)進行控制,允許轉(zhuǎn)速誤差為2r/s.

選擇語言變量——控制輸入為e,和誤差變化de,控制輸出增量Du

模糊化設(shè)計由于對系統(tǒng)控制精度要求不高,允許有一定的誤差裕度.所以4.3模糊控制器設(shè)計舉例誤差變量可以取兩個語言值:負偏差(NZ),正偏差(PZ),誤差變化變量也取兩個語言值:負偏差變化率(NZ),正偏差變化率(PZ),控制量取三個語言值:正增量(PS),零增量(ZE),負增量(NS)圖4-26誤差、誤差變化、閥門流量的隸屬度函數(shù)圖例2：討論由晶閘管控制的直流電動機.由直流傳動驅(qū)動模塊可知,46

控制規(guī)則設(shè)計規(guī)則1:如果誤差是NZ,且誤差變化是NZ,則控制為ZE;規(guī)則2:如果誤差是NZ,且誤差變化是PZ,則控制為NS;規(guī)則3:如果誤差是PZ,且誤差變化是NZ,則控制為PS;規(guī)則4:如果誤差是PZ,且誤差變化是PZ,則控制為ZE;

設(shè)某一時刻，由上述規(guī)則,得到由第一條規(guī)則可得:由第二條規(guī)則可得:由第三條規(guī)則可得:由第四條規(guī)則可得:最后由四條推理結(jié)果合成4.3模糊控制器設(shè)計舉例控制規(guī)則設(shè)計由第一條規(guī)則可得:最后由四條推理結(jié)果合成4.47

精確化計算由圖3-12,及削頂法得到拐點：計算:4.3模糊控制器設(shè)計舉例精確化計算計算:4.3模糊控制器設(shè)計舉例48參考文獻1.RobustAdaptiveControlUsingaUniversalApproximatorforSISONonlinearSystems2.RobustAdaptiveControlofLinearizableNonlinearSingleInputSystemswithGuaranteedErrorBounds3.基于TS模型的二型模糊控制器和觀測器分析與設(shè)計4.AdaptiveSugenoFuzzyControl:ACaseStudy參考文獻49選取一個模糊控制的實例講解，有文章，有仿真，有詳細推導(dǎo)公式選取一個模糊控制的實例講解，有文章，有仿真，有詳細推導(dǎo)公式50第二章模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第三章

模糊控制的基礎(chǔ)理論第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器第五章模糊控制理論的研究第二部分模糊控制（12）第二章模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第二部分模糊控制（12）51第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器（4學(xué)時）模糊控制系統(tǒng)的定義

模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)；采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)4.2模糊控制器4.3模糊控制器的設(shè)計舉例4.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.2.1模糊控制器的組成4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)4.2.3模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容這也就是它與其他自動控制系統(tǒng)的不同之處。因此，它無疑是一種智能控制系統(tǒng)第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器（4學(xué)時）模糊控制系統(tǒng)的定義524.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)圖4-1模糊控制系統(tǒng)組成框圖確定的/模糊的、單變量的/多變量的、有滯后/無滯后的、線性的/非線性的、定常的/時變的、強耦合/干擾的。交直流電動機，伺服電動機、步進電動機、氣動調(diào)節(jié)閥、液壓馬達、液壓閥等通常有PID控制器，串、并聯(lián)校正器，狀態(tài)控制器，自適應(yīng)控制器，解耦控制器，魯棒控制器。（后面詳講模糊控制器）多數(shù)被控對象的控制器和可觀測器的狀態(tài)量是模擬量，因此要具有數(shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換單元將被控對象的各種非電量（如流量、溫度、壓力、速度、溫度）———電信號，要求其精度高、可靠且穩(wěn)定性好執(zhí)行機構(gòu)：控制器：輸入/輸出（I/O）接口：測量裝置：被控對象（狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程）：4.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制534.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)(4.1)圖4-2速度模糊控制系統(tǒng)4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模544.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)總結(jié)上述Fuzzy控制算法（亦稱一步Fuzzy控制算法）的實現(xiàn)過程：4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模554.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)對于該直流電動機模糊控制調(diào)速系統(tǒng)，其控制原理可以作如下分析：NB(negativeBig)NS(NegativeSmall)ZO(zero)PS(PositiveSmall)PB(PositiveBig)124.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模564.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)圖4-3隸屬度函數(shù)4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模574.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)3表4-2一維模糊狀態(tài)表4論域有限時，可以用矩陣來表示這種模糊關(guān)系4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模584.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)4直積同理，可以得到4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模594.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)5由Sup-min合成推理6模糊變量精確量4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模604.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)峰域中心值方法：6表4-3控制表4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模614.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)6圖4-4單變量模糊控制器動態(tài)響應(yīng)特性取諸元素值的中心（重心）為3.5可以適當(dāng)增加較小區(qū)域的分檔級數(shù)的不均勻分檔方法；4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點4.1模糊邏輯系統(tǒng)模624.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)（1）線性模糊控制系統(tǒng)與非線性模糊控制系統(tǒng)線性度線性化因子模糊子集個數(shù)（2）恒值模糊控制系統(tǒng)與隨動模糊控制系統(tǒng)4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系634.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)（3）有差模糊控制系統(tǒng)和無差模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差：當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，其輸出與給定輸入所對應(yīng)的期望輸出之間的差值被稱為穩(wěn)態(tài)誤差。（1）有差模糊控制系統(tǒng)只考慮誤差的大小及其變化率，即PD調(diào)節(jié)器，因此，一般模糊控制系統(tǒng)均存在有靜態(tài)誤差。（2）無差模糊控制系統(tǒng)帶有積分環(huán)節(jié)的PID調(diào)節(jié)器可將余差抑制到最小限度。恒值控制系統(tǒng)一般要求無靜差隨動控制系統(tǒng)對靜差有要求，瞬態(tài)響應(yīng)要求快速4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系644.2.1模糊控制器的組成4.2模糊控制器FC模糊控制模糊邏輯控制器模糊語言控制器

FCFLCFLCFuzzyControlFuzzyLogicControlFuzzylanguageControl模糊條件語句來描述數(shù)據(jù)庫語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和正則化以及輸入空間的分區(qū)、隸屬度函數(shù)的定義等規(guī)則庫給出一套由語言變量描述的并由專家或自學(xué)習(xí)產(chǎn)生的控制規(guī)則的集合

知識庫圖4-5模糊控制器組成4.2.1模糊控制器的組成4.2模糊控制器FC模糊控制65（一）模糊化接口4.2.1模糊控制器的組成真實的確定量輸入一個模糊矢量

轉(zhuǎn)換成圖4-6模糊化函數(shù)4.2模糊控制器FC（一）模糊化接口4.2.1模糊控制器的組成真實的確定量輸66（二）知識庫數(shù)據(jù)庫（KB-KnowledgeBase）規(guī)則庫（RB-RuleBase）A．?dāng)?shù)據(jù)庫存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值或隸屬度函數(shù)，因此它涉及量化等級的選擇、量化方式、比例因子、模糊子集的隸屬度函數(shù)。

（線性或非線性）

4.2.1模糊控制器的組成模糊子集的劃分4.2模糊控制器FC（二）知識庫數(shù)據(jù)庫（KB-KnowledgeBa67量化：將一個論域離散成確定數(shù)目的幾小段（量化級），每一段用某一個特定術(shù)語來描述，形成一個離散域。

4.2.1模糊控制器的組成圖4-7模糊子集和模糊化等級4.2模糊控制器FC量化：將一個論域離散成確定數(shù)目的幾小段（量化級），每一段用某684.2.1模糊控制器的組成本質(zhì)上，圖4-7和表4-4是一樣的，它們只不過時對同一個模糊輸入量的兩種不同表示方法。他們是嚴(yán)格對應(yīng)的，在設(shè)計時只要知道其中一個即可。連續(xù)值表示離散值表示表4-4模糊變量e的隸屬度值4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成本質(zhì)上，圖4-7和表4-4是一694.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的。用一系列模糊條件描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成模糊控制規(guī)則庫。與之相關(guān)的：

（1）過程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇（2）模糊控制規(guī)則的建立（3）模糊控制規(guī)則的完整性，兼容性，干擾性常用關(guān)系詞為if-then,also(或or),and,else,等通常if——部分——“前提部”E為PZ、PS、PM、PB、NZ、NS、NM、NBthen——部分——“結(jié)論部”

EC為PZ、PS、PM、PB、NZ、NS、NM、NB類似的規(guī)則有條4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控704.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的。表4-5模糊規(guī)則表4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控714.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的。①專家經(jīng)驗法：②觀察法：通過現(xiàn)場控制專家和熟練操作工實際操作來建立操作模型

舉例：Sugeno-Kang1988年

（2）模糊控制規(guī)則的建立假設(shè)4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控724.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控制規(guī)則的?！癐F-THEN”——即通過建立被控對象的模糊模型來實現(xiàn)思考：比較①和③所建立規(guī)則的不同之處！

③基于模糊模型的控制④自組織法

隨著環(huán)境的變化或經(jīng)驗的豐富更新原有的控制規(guī)則以獲得更佳的控制效果，有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的性能。4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成B．規(guī)則庫存放全部模糊控734.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口

根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。可以是推理算法軟件硬件芯片模糊推理方法Zadeh推理正向推理逆向推理表4-6Zadeh近似推理4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口744.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口根據(jù)模糊子集具有不同形式的隸屬函數(shù)，而采用不同的推理方法記作簡單的介紹1.具有吊鐘型或三角型的隸屬函數(shù)對于有兩個輸入變量E和EC一個輸出變量U

模糊控制器控制規(guī)則取為其中4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口根據(jù)模糊754.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口1.具有吊鐘型或三角型的隸屬函數(shù)原理如圖4-8圖4-8模糊推理示意4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口1.具764.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口2.具有單調(diào)遞增/遞減的隸屬函數(shù)原理如圖4-9圖4-9單調(diào)函數(shù)模糊推理4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口2.具774.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口3.具有臺型的隸屬函數(shù)前提部——模糊命題組成結(jié)論部——普通的輸入輸出關(guān)系式組成原理如圖4-10圖4-10臺型函數(shù)模糊推理后面這兩種方法推理方法，無須專門再進行解模糊處理，即“推理機”中已經(jīng)包含了解模糊接口的功能。4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口3.具有784.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口4.關(guān)于精確化過程的其它方法最大隸屬度函數(shù)法重心法加權(quán)平均法吊鐘型或三角型隸屬函數(shù)單調(diào)遞增/遞減隸屬函數(shù)臺型的隸屬函數(shù)分別屬于哪種解模糊方法？4.2模糊控制器FC4.2.1模糊控制器的組成（三）推理與解模糊接口4.關(guān)于794.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（一）單變量模糊控制系統(tǒng)（二）多變量模糊控制系統(tǒng)（一）單輸入——單輸出模糊控制結(jié)構(gòu)（維數(shù)是指條件部（前提部）中語言變量的多少）4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（一）單變量模糊控制系統(tǒng)（一）804.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)圖4-11多變量模糊控制器

1.結(jié)構(gòu)解耦通常地，將一個MIMO的FuzzyController——分解——若干個多輸入單輸出（MISO）FuzzyController4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制814.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)

2.MISO模糊控制器3.MIMO模糊控制器由1.2，得到圖4-14MIMO結(jié)構(gòu)由此，得到圖4-13圖4-12MISO模糊控制器

圖4-13MISO結(jié)構(gòu)圖4-14MIMO結(jié)構(gòu)4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)（二）多輸入——多輸出模糊控制824.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容①確定FC的輸入輸出變量②選擇FC的輸入、輸出變量的論域，確定FC的參數(shù)（量化因子，比例因子）③設(shè)計FC的控制規(guī)則④確立模糊化和清晰化的方法⑤編制模糊控制算法的程序⑥合理選擇FC的采樣時間下面的溫度控制系統(tǒng)為例設(shè)計FC：4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容①確定FC的輸入輸出變量下834.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容一般地，調(diào)整兩個量化因子時，控制量輸出的比例因子一般保持不變，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)震蕩，則可優(yōu)先考慮減少比例因子——消除極限環(huán)量化因子和比例因子的選擇系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，說明有關(guān)的量化因子太小，如圖4-15a

反應(yīng)很慢，超調(diào)又很大，說明兩個量化因子都太大,如圖4-15b

兩個量化因子恰當(dāng),如圖4-15c圖4-15量化因子的調(diào)整abc4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容一般地，調(diào)整兩個量化因子時844.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容選擇描述輸入輸出變量的詞集定義各模糊變量的模糊子集建立模糊控制規(guī)則詞集的選擇5個詞匯詞集個數(shù)越多，分辨率越高，一般取2~10個{正大，正小，零，負小，負大}{PB，PS，ZE，NS，NB}詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀圖4-164.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容選擇描述輸入輸出變量的詞集854.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀表4-7模糊集的隸屬度函數(shù)4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定864.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀討論：隸屬函數(shù)的形狀對控制特性的影響尖峰值高--分辨率高，控制靈敏度高平緩--控制特性較平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好因此：誤差較大的區(qū)域，采用低分辨率的模糊集誤差較小的區(qū)域，采用高分辨率的模糊集圖4-18圖4-174.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定874.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀討論：隸屬函數(shù)的形狀對控制特性的影響實際應(yīng)用中，含有噪聲，如何減弱噪聲對隸屬度的影響？圖4-19隸屬度函數(shù)的選擇a)隸屬度函數(shù)的分辨率b)噪聲影響大c)噪聲影響小4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定884.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容建立模糊控制規(guī)則表4-8控制規(guī)則表表4-9控制規(guī)則表4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容建立模糊控制規(guī)則表4-889④確立模糊化和清晰化的方法4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容1）精確量的離散化2）模糊化常用方法在處隸屬度為1，其余各點隸屬度均取0。（一）模糊化（二）清晰化表4-7

圖4-21圖4-224.2模糊控制器FC④確立模糊化和清晰化的方法4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容904.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序--最簡單形式--模糊控制表規(guī)則1規(guī)則2（由表4-8）

推理過程如圖4-23圖4-23模糊推理過程示意圖4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序-914.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序--最簡單形式--模糊控制表由重心法得出精確量得到控制表表4-9表4-9模糊控制表4.2模糊控制器FC4.2.2模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序-92例1：

以流量控制為例,選擇輸入量為誤差(以e表示)和誤差變化(以de表示),控制器的輸出為閥門流量的校正量(以u表示)

把誤差劃分成”負大”,”負小”,”零”,”正小”,”正大”五個等級.---語言變量的語言值.

輸出量即閥門的開關(guān)的狀態(tài)劃分為”關(guān)”,”半開”,”中等”,”開”這四個等級選擇模糊隸屬函數(shù)如圖圖4-24誤差與誤差變化、閥門流量的隸屬度函數(shù)圖4.3模糊控制器設(shè)計舉例例