模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)課件第1頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月模糊控制器的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾項(xiàng)主要內(nèi)容：①確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)；②設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；③確立模糊化和解模糊的方法；④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)；⑤編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。第2頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)及主要類(lèi)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(guò)傳感器把被控對(duì)象的相關(guān)物理量→電量，若傳感器的輸出量是連續(xù)的模擬量數(shù)字量作為計(jì)算機(jī)的輸入測(cè)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(yǔ)言變量的概念，并構(gòu)成模糊集合）。第3頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chēng)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(duì)應(yīng)論域上自然語(yǔ)言描述的模糊集合，以便進(jìn)行模糊推理和決策。具體包括：①測(cè)量輸入變量。傳感器的輸出。②論域變換，即實(shí)際論域→內(nèi)部論域。實(shí)際論域也就是精確量的基本論域，它可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或理論指導(dǎo)來(lái)確定，它在控制過(guò)程中往往是不變化的。第4頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：以?xún)奢斎雴屋敵瞿：刂葡到y(tǒng)為例，設(shè)誤差的基本論域?yàn)椋`差變化的基本論域?yàn)?，控制量的變化范圍為。?lèi)似地，設(shè)誤差的模糊論域?yàn)檎`差變化的論域?yàn)榭刂屏康恼撚驗(yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，論域的量化等級(jí)越細(xì)，控制精度也越高。但過(guò)細(xì)的量化等級(jí)將使算法復(fù)雜化，而且也沒(méi)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(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月量化因子：，，比例因子：注：誤差和誤差變化這兩個(gè)變量的連續(xù)值與其論域中的離散值并不是一一對(duì)應(yīng)的。第6頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）模糊推理機(jī)（Inferenceengine）模糊推理機(jī)由知識(shí)庫(kù)（數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)）與模糊推理決策邏輯構(gòu)成。這是基本部分。①知識(shí)庫(kù)（Knowledgebase）=數(shù)據(jù)庫(kù)（Datebase）+語(yǔ)言控制規(guī)則庫(kù)（Rulebase）模糊控制器的核心。②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(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行計(jì)算推理。第8頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(gè)最具有代表性的值作為真正的輸出控制量，即解模糊判決。主要功能：①比例映射：內(nèi)部論域→實(shí)際論域。②解模糊：模糊控制量→精確的控制作用，模糊化的反過(guò)程。第9頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第10頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第11頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2常用的幾種模糊控制器⑴簡(jiǎn)單模糊控制器及其特性（二維模糊控制器）方法：①根據(jù)被控對(duì)象，確定ｅ、△e、u的隸屬函數(shù)及模糊控制規(guī)則表→查詢(xún)表（例：表3.5P47）②實(shí)際應(yīng)用時(shí)，輸入變量→內(nèi)部論域，查表，得出u→執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：①二維模糊控制器，比一維模糊控制器控制效果好。②設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：不同被控對(duì)象，控制規(guī)則不變，控制效果不好。圖4.3簡(jiǎn)單模糊控制器的結(jié)構(gòu)第12頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑵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(shí)，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(shí)對(duì)誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當(dāng)誤差較小時(shí)，此時(shí)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(duì)誤差變化率的加權(quán)大些。因此，在不同的誤差范圍時(shí)，可通過(guò)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則的自調(diào)整。第13頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑶變結(jié)構(gòu)模糊控制器----多個(gè)模糊控制器的組合不同狀態(tài)，不同要求下，多個(gè)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(shí)控制。第14頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑸模糊自組織控制器經(jīng)驗(yàn)不足者、沒(méi)有完整的模糊規(guī)則、時(shí)變系統(tǒng)且規(guī)則需要變化→實(shí)時(shí)自動(dòng)修改、完善和調(diào)整規(guī)則⑹模糊自適應(yīng)控制器----在線辨識(shí)⑺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(píng)價(jià)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(jì)控制量的校正值，再由這個(gè)控制量的校正值來(lái)修改模糊控制規(guī)則。

規(guī)則自調(diào)整模糊控制器=常規(guī)模糊控制器+規(guī)則自調(diào)整功能。模糊規(guī)則的修改過(guò)程可以看作是模糊控制器的學(xué)習(xí)過(guò)程，模糊規(guī)則的自調(diào)整是以語(yǔ)義形式實(shí)現(xiàn)的，在一定程度上體現(xiàn)了人的認(rèn)識(shí)過(guò)程。第16頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.3模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器的實(shí)現(xiàn)方法：①由模糊邏輯芯片組成的硬件專(zhuān)用模糊控制器；②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(gè)控制系統(tǒng)的核心，模糊控制器的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是設(shè)計(jì)模糊控制算法。根據(jù)模糊控制原理，按以下步驟來(lái)設(shè)計(jì)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(jì)4)對(duì)輸出模糊量進(jìn)行解模糊判決第17頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題：1、模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)？各部分的主要功能？2、實(shí)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？?jī)?yōu)缺點(diǎn)？5、FC設(shè)計(jì)的兩種實(shí)現(xiàn)方式及其特點(diǎn)？6、設(shè)計(jì)模糊控制器的步驟？第18頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)：模糊控制器輸入語(yǔ)言變量及輸出語(yǔ)言變量的選取和模糊控制器的不同組合與擴(kuò)展問(wèn)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(shū)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(gè)數(shù)。⑴一維模糊控制器Ifethenu常用于一階被控對(duì)象。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。⑵二維模糊控制器Ifeand△ethenu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∑ｅ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(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑶多維模糊控制器Ifeand△eand△2ethenu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(lái)越困難，相應(yīng)的控制算法越來(lái)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(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖4.5常見(jiàn)模糊控制器的結(jié)構(gòu)類(lèi)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(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2一般設(shè)計(jì)方法（1）模糊控制器的設(shè)計(jì)原則1）模糊語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值分檔和模糊論域分級(jí)的選取2）量化因子和模糊語(yǔ)