智能控制技術課件模糊控制系統(tǒng)

智能控制技術課件模糊控制系統(tǒng)智能控制技術課件模糊控制系統(tǒng)主要內(nèi)容機械結構力學及控制國家重點實驗室23.模糊控制系統(tǒng)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化過程3.1.2知識庫3.1.3推理決策過程3.1.4精確化過程3.2模糊控制系統(tǒng)的設計3.3模糊控制器的設計舉例3.4上機練習主要內(nèi)容機械結構力學及控制國家重點實驗室23.模糊控制系統(tǒng)機械結構力學及控制國家重點實驗室33.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.0模糊控制系統(tǒng)的組成概述模糊化模糊推理（推理決策邏輯）精確化知識庫輸入輸出機械結構力學及控制國家重點實驗室33.1模糊控制系統(tǒng)的組成機械結構力學及控制國家重點實驗室43.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的定義精確量轉(zhuǎn)化為模糊量。模糊化的過程確定輸入量對輸入量進行尺度變換，使其在各自的論域范圍對輸入量進行模糊處理，用相應的模糊集合表示機械結構力學及控制國家重點實驗室43.1模糊控制系統(tǒng)的組成機械結構力學及控制國家重點實驗室53.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的過程（舉例說明：一個二維模糊控制器）（1）確定輸入、輸出變量

輸入：

e;de

輸出：

u（2）量化因子和比例因子

基本論域：

e——[-emin,emax]

de——[-demin,demax]

將連續(xù)量離散化：

取X=[-n,-n+1,…,0,1,n-1,n]

n:檔數(shù)機械結構力學及控制國家重點實驗室53.1模糊控制系統(tǒng)的組成機械結構力學及控制國家重點實驗室63.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的過程（舉例說明：一個二維模糊控制器）（2）量化因子和比例因子

定義量化因子：

ke確定后，任何e值都可以轉(zhuǎn)化為X上的某一元素。x0：為實際的輸入量emax,emin：為輸入量的變化范圍x：為轉(zhuǎn)換后的離散量機械結構力學及控制國家重點實驗室63.1模糊控制系統(tǒng)的組成機械結構力學及控制國家重點實驗室73.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的過程（舉例說明：一個二維模糊控制器）（2）量化因子和比例因子

定義量化因子：

注：e和de的連續(xù)值與其論域中的離散值并不是一一對應。

定義比例因子：

機械結構力學及控制國家重點實驗室73.1模糊控制系統(tǒng)的組成機械結構力學及控制國家重點實驗室83.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的過程（舉例說明：一個二維模糊控制器）（3）語言值的選取

正大—“PB”正中—“PM”正小—“PS”零—“ZE”負小—“NS”負中—“NM”負大—“NB”“PZ”“NZ”一般取7~8個語言值機械結構力學及控制國家重點實驗室83.1模糊控制系統(tǒng)的組成機械結構力學及控制國家重點實驗室93.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的過程（舉例說明：一個二維模糊控制器）（4）語言值的模糊子集

三角函數(shù)，正態(tài)分布函數(shù)等

abd1xμ(x)0－2－424PBPMPSZENSNMNB－66機械結構力學及控制國家重點實驗室93.1模糊控制系統(tǒng)的組成機械結構力學及控制國家重點實驗室103.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的過程（舉例說明：一個二維模糊控制器）（5）語言變量賦值表（離散）語言變量：EDEU語言值：PBPMPSZENSNMNB-61.00.30.00.00.00.00.0-40.31.00.30.00.00.00.0-50.70.70.00.00.00.00.0-30.00.70.70.00.00.00.0-20.00.31.00.30.00.00.0-10.00.00.70.70.00.00.000.00.00.31.00.30.00.010.00.00.00.70.70.00.020.00.00.00.31.00.30.030.00.00.00.00.70.70.040.00.00.00.00.31.00.350.00.00.00.00.00.70.760.00.00.00.00.00.31

NB

NMNSZEPSPMPBEμ語言值模糊子集:(三角分布，正態(tài)分布等)機械結構力學及控制國家重點實驗室103.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室113.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化模糊化的過程（舉例說明：一個二維模糊控制器）例：設偏差的基本論域為：[-2.0,2.0]，

當k時刻測得偏差為：e(k)=1.2,由量化公式得k時刻的偏差變化率的量化值為：

查偏差的隸屬度值表，得語言變量值為PM(正中)，對應的模糊子集為：將此模糊子集作為k時刻的偏差變量的值送入推理機進行推理判斷。機械結構力學及控制國家重點實驗室113.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室123.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.2知識庫知識庫的定義知識庫包含了數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫存放所有輸出輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值。若論域為連續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。規(guī)則庫用來存放全部模糊控制規(guī)則，在推理時為推理機提供控制規(guī)則。模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作經(jīng)驗來建立的，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。通常由一系列的關系詞連接而成，如if、then、else、also、and、or等。機械結構力學及控制國家重點實驗室123.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室133.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.2知識庫模糊控制規(guī)則的建立專家經(jīng)驗法：通過對專家控制經(jīng)驗的咨詢形成控制規(guī)則庫。采用“if-then”規(guī)則語言來表達經(jīng)驗。觀察法：觀察操作人員的實際控制過程。采用“if-then”規(guī)則語言來進行控制。機械結構力學及控制國家重點實驗室133.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室143.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.2知識庫模糊控制規(guī)則的建立基于模糊模型：用語言描述建立對象的模糊模型，以便得

到模糊控制規(guī)則。由規(guī)律3可得出一條控制規(guī)則：自組織法：模糊控制規(guī)則能隨著環(huán)境或?qū)ο蟮淖兓M行修改。機械結構力學及控制國家重點實驗室143.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室153.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.2知識庫常用的模糊控制規(guī)則①單輸入輸出的一維FCIfx=Atheny=BIfx=Atheny=Belsey=C簡單，但控制效果不佳，適用于隨動、定值控制系統(tǒng)等。模糊關系：（瑪達尼推理）（扎德推理）模糊關系：機械結構力學及控制國家重點實驗室153.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室163.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.2知識庫常用的模糊控制規(guī)則（液位控制系統(tǒng)）控制器減速器電動機電位器浮子用水開關Q2Q1RifSMK1輸入：水位R；輸出：控制器K1手動調(diào)節(jié)的規(guī)則機械結構力學及控制國家重點實驗室163.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室173.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.2知識庫常用的模糊控制規(guī)則（液位控制系統(tǒng)）多次記錄，根據(jù)手動控制經(jīng)驗總結出模糊控制規(guī)則：（1）為E為正大，則U為負大。若e=測量－給定（2）為E為正小，則U為負小。（3）為E為零，則U為零。（4）為E為負小，則U為正小。（5）為E為負大，則U為正大。IfE=PB

thenU=NBIfE=PS

thenU=NSIfE=ZEthenU=ZEIfE=

NS

thenU=PSIfE=

NB

thenU=PB機械結構力學及控制國家重點實驗室173.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室183.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.2知識庫常用的模糊控制規(guī)則②雙輸入單輸出的二維FCIfx1=Aand(0R)x2=Btheny=C模糊關系：（瑪達尼推理）FCABC(U)dee考慮了誤差和誤差變化，在隨動和定值控制系統(tǒng)的控制性能方面明顯優(yōu)于一維控制器。機械結構力學及控制國家重點實驗室183.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室193.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.3推理決策過程推理決策邏輯即上一章中介紹的模糊邏輯推理。常用的是最大—最?。ì斶_尼）推理。模糊控制的核心。利用知識庫的信息，模擬人類的推理決策過程。機械結構力學及控制國家重點實驗室193.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室203.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.4精確化過程精確化的定義把由模糊推理所得到的模糊輸出量，轉(zhuǎn)變?yōu)榫_控制量。進而去驅(qū)動或控制具體的執(zhí)行機構。精確化的計算方法最大隸屬度法加權平均法（重心法）中位數(shù)法機械結構力學及控制國家重點實驗室203.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室213.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.4精確化過程最大隸屬度法在輸出的模糊集合中取隸屬度最大的元素作為結果，如果同時出現(xiàn)幾個元素具有最大隸屬度，則取它們的平均值作為結果。例：精確量：優(yōu)點：計算簡單。缺點：概括的信息量少，適用于控制要求不高的場合。機械結構力學及控制國家重點實驗室213.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室223.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.4精確化過程加權平均法取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標圍成面積的重心作為結果。（1）普通加權連續(xù)：離散：機械結構力學及控制國家重點實驗室223.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室233.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.4精確化過程同樣考慮上例：加權平均法機械結構力學及控制國家重點實驗室233.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室243.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.4精確化過程加權平均法取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標圍成面積的重心作為結果。（2）算術加權機械結構力學及控制國家重點實驗室243.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室253.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.4精確化過程中位數(shù)法取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標圍成面積平分為兩等份的數(shù)作為結果。機械結構力學及控制國家重點實驗室253.1模糊控制系統(tǒng)的組機械結構力學及控制國家重點實驗室263.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.4精確化過程去模糊化，求實際輸出解模糊后，還要經(jīng)過尺度變換，求出實際輸出。u1：為精確量；ymax，ymin：為控制量的變化范圍；4～20mA或1～5V。y：為實際輸出的控制量；ku：比例因子。機械結構力學及控制國家重點實驗室263.1模糊控制系統(tǒng)的組主要內(nèi)容機械結構力學及控制國家重點實驗室273.模糊控制系統(tǒng)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化過程3.1.2知識庫3.1.3推理決策過程3.1.4精確化過程3.2模糊控制系統(tǒng)的設計3.3模糊控制器的設計舉例3.4上機練習主要內(nèi)容機械結構力學及控制國家重點實驗室273.模糊控制系機械結構力學及控制國家重點實驗室283.2模糊控制系統(tǒng)的設計模糊控制器的控制過程小結（1）模糊化

輸入值

(ei，dei)

經(jīng)模糊化→E，DE（2）推理決策（依賴知識庫）

模糊邏輯推理，合成運算得Ui

（3）精確化

精確化得ui

→尺度變換得yi

機械結構力學及控制國家重點實驗室283.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室293.2模糊控制系統(tǒng)的設計模糊控制器設計需解決的問題模糊控制器的結構確定；模糊控制規(guī)則的確定；模糊化和清晰化方法的確定；模糊控制器的參數(shù)確定；編寫模糊控制算法程序。

機械結構力學及控制國家重點實驗室293.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室303.2模糊控制系統(tǒng)的設計（1）模糊控制器的結構確定按照輸入輸出量個數(shù)分類單變量（輸出量）模糊控制器：一維，二維，三維多變量模糊控制器：MIMO單一型：模糊控制器復合型：模糊控制器和其它傳統(tǒng)控制方式結合在一起控制按照控制機理（本質(zhì)）分類按照控制功能分類固定型

變結構型

自組織型自適應型

模糊PID控制器機械結構力學及控制國家重點實驗室303.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室313.2模糊控制系統(tǒng)的設計（1）模糊控制器的結構確定一維模糊控制器輸入語言變量為被控量和結定值的偏差，動態(tài)控制性能不佳，控制效果不能令人滿意。這種控制方案一般用于一階被控對象。機械結構力學及控制國家重點實驗室313.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室323.2模糊控制系統(tǒng)的設計（1）模糊控制器的結構確定二維模糊控制器輸入語言變量為被控量與給定值的偏差和偏差變化率，能夠較全面嚴格地反映被控過程的動態(tài)待性，因此控制效果比一維模糊控制器好。它是目前被廣泛采用的一種模糊控制器。機械結構力學及控制國家重點實驗室323.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室333.2模糊控制系統(tǒng)的設計（1）模糊控制器的結構確定三維模糊控制器輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量、偏差變化率和偏差變化率的變化率。由于這類模糊控制器結構比較復雜，推理運算時間長，一般較少使用。機械結構力學及控制國家重點實驗室333.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室343.2模糊控制系統(tǒng)的設計（1）模糊控制器的結構確定復合模糊控制器模糊控制器+PI控制器（傳統(tǒng)）機械結構力學及控制國家重點實驗室343.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室353.2模糊控制系統(tǒng)的設計（1）模糊控制器的結構確定自組織模糊控制器機械結構力學及控制國家重點實驗室353.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室363.2模糊控制系統(tǒng)的設計（2）模糊語言變量的語言值分檔和模糊論域分級的選取語言值選取：NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL。分檔越多，對事物描述越細、越準確，制定控制規(guī)則更靈活，控制效果越好。但太多可能使控制變得復雜，編程困難，占用存儲量大；分檔太少，規(guī)則變少，效果較差。論域分級選?。?6~+6，-3~+3等。增加論域中元素的個數(shù)，可提高控制精度，但增大了計算量，且模糊控制效果的改善不顯著。一般選擇模糊論域中所含元素個數(shù)為模糊語言變量總數(shù)的2倍以上，確保各模糊集能較好覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。機械結構力學及控制國家重點實驗室363.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室373.2模糊控制系統(tǒng)的設計（3）量化因子的確定量化因子ke及kec的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大。具體體現(xiàn)為：ke較大時，響應加快，振蕩加劇，系統(tǒng)的超調(diào)較大，過渡過程較長。因為從理論上講，ke增大，相當于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，因此導致上升時間變短，但由于出現(xiàn)超調(diào)，使得系統(tǒng)的過渡過程變長。kec較大時，快速性好，超調(diào)量減小。kec選擇越大系統(tǒng)超調(diào)越小，但系統(tǒng)的響應速度變慢。kec對超調(diào)的遏制作用十分明顯。機械結構力學及控制國家重點實驗室373.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室383.2模糊控制系統(tǒng)的設計（4）模糊語言變量在模糊論域上模糊子集隸屬函數(shù)的確定及表示方法隸屬函數(shù)的形狀研究表明，隸屬函數(shù)的形狀在達到控制要求方面差別不大，幅寬大小對性能影響較大。一般可選用三角形、梯形隸屬函數(shù)，優(yōu)點是數(shù)學表達和運算較簡單，所占內(nèi)存空間小，在輸入值變化時，比正態(tài)分布或鐘形分布具有更大的靈敏性，當存在偏差時，能很快反應產(chǎn)生一個相應的調(diào)整量輸出。機械結構力學及控制國家重點實驗室383.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室393.2模糊控制系統(tǒng)的設計（4）模糊語言變量在模糊論域上模糊子集隸屬函數(shù)的確定及表示方法圖形表示法表格表示法公式表示法

表示方法機械結構力學及控制國家重點實驗室393.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室403.2模糊控制系統(tǒng)的設計（5）控制規(guī)則及算法結構的確定控制規(guī)則的確定

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，控制規(guī)則是人們對受控過程認識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗的總結，控制器的性能很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確定及其可調(diào)整性。選擇控制規(guī)則應注意的問題：規(guī)則的條數(shù)及質(zhì)量。由于被控過程的非線性、高階次、時變性以及隨機干擾等因素的影響，造成模糊控制規(guī)則或者粗糙或者不夠完善，都會不同程度地影響控制效果。于是就出現(xiàn)了自適應模糊控制器，它的思想是在線或離線調(diào)節(jié)模糊控制規(guī)則的結構或參數(shù)，使之趨于最優(yōu)狀態(tài)，達到控制規(guī)則在控制過程中自動調(diào)整和完善。機械結構力學及控制國家重點實驗室403.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室413.2模糊控制系統(tǒng)的設計查表法公式法（解析式法）推理算法

各種算法的運算速度和運算精度有所不同（5）控制規(guī)則及算法結構的確定算法結構的確定機械結構力學及控制國家重點實驗室413.2模糊控制系統(tǒng)的設機械結構力學及控制國家重點實驗室423.2模糊控制系統(tǒng)的設計（6）比例因子的確定（7）模糊判決方法的確定（8）模糊推理方法的確定（9）編寫模糊控制器的算法程序機械結構力學及控制國家重點實驗室423.2模糊控制系統(tǒng)的設主要內(nèi)容機械結構力學及控制國家重點實驗室433.模糊控制系統(tǒng)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1模糊化過程3.1.2知識庫3.1.3推理決策過程3.1.4精確化過程3.2模糊控制系統(tǒng)的設計3.3模糊控制器的設計舉例3.4上機練習主要內(nèi)容機械結構力學及控制國家重點實驗室433.模糊控制系機械結構力學及控制國家重點實驗室443.3模糊控制器的設計舉例直流調(diào)速