智能控制 課件 第3、4章 模糊集合與模糊推理、基于模糊推理的智能控制

《智能控制》2023年5月第三章模糊集合與模糊推理主要內(nèi)容模糊集合及其運(yùn)算3.13.23.3模糊關(guān)系與模糊推理基于規(guī)則庫的模糊推理3.1模糊集合及其運(yùn)算

圖3-1“年輕”、“中年”、“老年”的隸屬度函數(shù)3.1.1模糊集合的定義及表示方法

圖3-2模糊單點(diǎn)的隸屬度函數(shù)

3.1模糊集合及其運(yùn)算模糊集合的表達(dá)方式

3.1模糊集合及其運(yùn)算

3.1模糊集合及其運(yùn)算

3.1模糊集合及其運(yùn)算

圖3-3“年青”與“年老”的隸屬函數(shù)曲線3.1模糊集合及其運(yùn)算

3.1模糊集合及其運(yùn)算3.1.2模糊集合的基本運(yùn)算

3.1模糊集合及其運(yùn)算

圖3-4模糊集合運(yùn)算的韋氏圖3.1模糊集合及其運(yùn)算

3.1模糊集合及其運(yùn)算

模糊集合的代數(shù)運(yùn)算法則3.1模糊集合及其運(yùn)算

3.1模糊集合及其運(yùn)算

3.1.2模糊集合運(yùn)算的基本性質(zhì)

3.1模糊集合及其運(yùn)算

3.1模糊集合及其運(yùn)算3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2.1

模糊關(guān)系的定義及表示方法

405060708014010.80.20.101500.810.80.20.11600.20.810.80.21700.10.20.810.818000.10.20.81表

3-1身高與體重接近標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的程度3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理3.2.2

模糊關(guān)系的合成

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理3.2.3

語言變量與蘊(yùn)含關(guān)系

圖3-7模糊語言變量“速度”的隸屬度函數(shù)3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

圖3-8語言變量的五元體示圖在模糊控制中，模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是模糊蘊(yùn)含關(guān)系。在模糊邏輯中有很多種定義模糊蘊(yùn)含的方法，我們必須針對控制的目的選擇符合直覺判據(jù)的定義方法。在模糊推理中有兩類最主要的模糊蘊(yùn)含推理方式：一類是廣義前向推理方式；另一類是廣義反向推理方式。3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

準(zhǔn)則1準(zhǔn)則2-1準(zhǔn)則2-2準(zhǔn)則3-1準(zhǔn)則3-2準(zhǔn)則4-1準(zhǔn)則4-2表3-2廣義前向推理的準(zhǔn)則

準(zhǔn)則5準(zhǔn)則6準(zhǔn)則7準(zhǔn)則8-1準(zhǔn)則8-2表3-3廣義反向推理的準(zhǔn)則3.2模糊關(guān)系與模糊推理

模糊蘊(yùn)含關(guān)系的運(yùn)算方法3.2模糊關(guān)系與模糊推理

模糊蘊(yùn)含關(guān)系的運(yùn)算方法3.2模糊關(guān)系與模糊推理3.2.4

近似推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理

3.2模糊關(guān)系與模糊推理3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯3.3.1

模糊推理的基本方法

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯3.3.2

模糊推理的性質(zhì)

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯圖3-11和圖3-12表示了輸入為單點(diǎn)模糊集合時(shí)的模糊推理的圖示計(jì)算方法。3.3.3

模糊控制中幾種常用的模糊推理

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯圖3-13采用第三種方法的模糊推理3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯

3.3基于規(guī)則庫的模糊邏輯第四章基于模糊推理的智能控制主要內(nèi)容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設(shè)計(jì)過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型主要內(nèi)容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設(shè)計(jì)過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型模糊控制系統(tǒng)組成4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念被控對象：對于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更適宜采用模糊控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)：除了電氣以外,如各類交、直流電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，還有氣動(dòng)的和液壓的，如各類氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液壓馬達(dá)、液壓閥等控制器：采用基于模糊知識(shí)表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在輸入/輸出（I/O）接口：適用于模糊邏輯處理的“模糊化”與“解模糊化”（或稱“非模糊化”)環(huán)節(jié)測量裝置：往往將測量裝置的觀測值反饋到系統(tǒng)輸入端，并與給定輸入量相比較，構(gòu)成具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式模糊控制系統(tǒng)的原理4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念圖4-1模糊控制原理框圖控制步驟：根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量；將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；根?jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量（模糊量）；由上述得到的控制量（模糊量）計(jì)算精確的控制量。模糊控制系統(tǒng)的分類4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念1．線性模糊控制系統(tǒng)與非線性模糊控制系統(tǒng)

線性度定義

模糊控制系統(tǒng)的分類4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念2．恒值模糊控制系統(tǒng)與隨動(dòng)模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)與確定性控制系統(tǒng)一樣，根據(jù)系統(tǒng)輸出量（被控制量）為恒定值或者是以一定精度跟蹤輸入量函數(shù)的不同要求，可以分為恒值模糊控制系統(tǒng)與隨動(dòng)模糊控制系統(tǒng)兩類。恒值模糊控制系統(tǒng)：若系統(tǒng)的給定值不變，要求其被控制輸出量保持恒定，而影響被控制量變化的只是進(jìn)入系統(tǒng)的有界擾動(dòng)作用，控制的目的是要求系統(tǒng)自動(dòng)地克服這些擾動(dòng)影響，如液位模糊控制系統(tǒng)等。隨動(dòng)模糊控制系統(tǒng)：若系統(tǒng)的給定值是時(shí)間函數(shù)，要求其被控制輸出量按一定精度要求，快速地跟蹤給定值函數(shù)。盡管系統(tǒng)也存在外界擾動(dòng)，但其對系統(tǒng)的影響不是控制的主要目標(biāo)，如機(jī)器人關(guān)節(jié)的模糊控制位置隨動(dòng)系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的分類4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念3．有差模糊控制系統(tǒng)與無差模糊控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)靜態(tài)精度的重要標(biāo)志之一是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，即當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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。顯然，這種誤差越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。按靜態(tài)誤差是否存在，也可以分為有差模糊控制系統(tǒng)和無差模糊控制系統(tǒng)。：有差模糊控制系統(tǒng)：通常的模糊控制器在設(shè)計(jì)中只考慮系統(tǒng)輸出誤差的大小及其變化率，相當(dāng)于一般的PD調(diào)節(jié)器作用，再加上模糊控制器本身的多級(jí)繼電特性，因此，一般的模糊控制系統(tǒng)均存在有靜態(tài)誤差無差模糊控制系統(tǒng)：根據(jù)在通常的自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用帶有積分環(huán)節(jié)的PID調(diào)節(jié)器原理，如果在模糊控制器中也引入積分作用，則可以將常規(guī)模糊控制器所存在的余差抑制到最小限度，達(dá)到模糊控制系統(tǒng)的無差要求。當(dāng)然，這里的無差也是一個(gè)模糊概念，只能是某種限度上的無靜差主要內(nèi)容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設(shè)計(jì)過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理模糊控制系統(tǒng)又稱為模糊邏輯控制器（FuzzyLogicController,FLC），一般模糊控制系統(tǒng)的框圖如圖4-2所示，從功能上劃分，它主要由四個(gè)部分組成：模糊化、知識(shí)庫、模糊推理和清晰化。圖4-2模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

1.模糊化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

2.模糊控制的知識(shí)庫知識(shí)庫主要包含有數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫：數(shù)據(jù)庫：存放所有輸入、輸出變量論域，以及模糊子集的定義。用于向推理機(jī)、在模糊化接口和清晰化接口提供必要的數(shù)據(jù)。規(guī)則庫：存放模糊控制規(guī)則。建立方法有：a.總結(jié)操作人員、領(lǐng)域?qū)＜?、控制工程師的?jīng)驗(yàn)和知識(shí)b.基于過程的模糊模型c.基于學(xué)習(xí)和優(yōu)化的方法4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

3.模糊推理機(jī)模糊推理：采用某種推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則導(dǎo)出模糊控制器的控制量輸出常用的推理算法：采樣時(shí)刻的輸入模糊控制規(guī)則控制器輸出某種推理方法Mamdani模糊推理算法Larsen模糊推理算法Takagi-Sugeno模糊推理算法Tsukamoto模糊推理算法簡單模糊推理算法4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

3.模糊推理機(jī)

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

優(yōu)點(diǎn)：簡單易行，也十分直觀缺點(diǎn)：不夠全面（僅考慮主要信息，放棄次要信息）全面考慮模糊量各部分信息作用4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理及類型

4.清晰化

圖4-8元素隸屬度累加曲線

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

主要內(nèi)容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設(shè)計(jì)過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.1Mamdani型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.1Mamdani型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.2T-S型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.2T-S型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

主要內(nèi)容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設(shè)計(jì)過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.4模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程4.4.1輸入量的模糊化

圖4-3模糊控制系統(tǒng)4.4模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程4.4.1輸入量的模糊化

正大(PL)：取在+6附近負(fù)零(NZ)：在比零稍小一點(diǎn)正中(PM)：取在+4附近負(fù)小(NS)：取在-2附近正小(PS)：取在+2附近負(fù)中(NM)：取在-4附近正零(PZ)：在比零稍大一點(diǎn)負(fù)大(NL)：取在-6附近圖4-4控制系統(tǒng)語言變量的隸屬度函數(shù)

4.4模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程4.4.2模糊規(guī)則與模糊推理

4.4模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程4.4.2模糊規(guī)則與模糊推理

4.4模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程4.4.3模糊判決

主要內(nèi)容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設(shè)計(jì)過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.1模糊模型①基于模糊關(guān)系方程的模糊模型

②一階T-S模糊模型

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.1模糊模型

③擬非線性模糊模型

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.2模糊關(guān)系模型的辨識(shí)

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.2模糊關(guān)系模型的辨識(shí)

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.2模糊關(guān)系模型的辨識(shí)

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.2模糊關(guān)系模型的辨識(shí)

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)①

T-S模糊模型結(jié)構(gòu)

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)②

T-S模糊模型辨識(shí)的基本方法

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)②

T-S模糊模型辨識(shí)的基本方法前提部分和結(jié)論部分的聯(lián)合辨識(shí)：先給出初始的前提結(jié)構(gòu)和參數(shù)然后辨識(shí)結(jié)論參數(shù)再計(jì)算性能指標(biāo)，若不滿足要求，則再次修改模糊集合的劃分存在的問題：前提部分的劃分和參數(shù)與結(jié)論參數(shù)直接耦合前提條件中模糊集合劃分的改變直接影響到結(jié)論參數(shù)的辨識(shí)建立的模型對特定的數(shù)據(jù)有較高的精度工況的改變又會(huì)影響到模糊集合的劃分4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)③T-S模糊模型辨識(shí)的改進(jìn)方法前提部分和結(jié)論部分的分開辨識(shí)：根據(jù)系統(tǒng)的特征或某種指標(biāo)，對輸入變量先進(jìn)行模糊聚類，確定前提部分輸入變量的隸屬度函數(shù)分布，在這種劃分下，再辨識(shí)結(jié)論部分的參數(shù)前提部分的模糊離散化模糊聚類算法結(jié)論參數(shù)的辨識(shí)4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)④基于T-S模糊模型的控制PDC(paralleldistributedcompensation)：對每一規(guī)則對應(yīng)的線性子系統(tǒng)采用狀態(tài)反饋控制律，然后通過模糊加權(quán)得到全局系統(tǒng)的控制器，并對全局系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)全局穩(wěn)定的充分性條件。圖4-9T-S模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識(shí)④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.4模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

①相平面分析4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.5.4模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析②

Lyapunov判據(jù)分析法

該標(biāo)量函數(shù)是Lyapunov函數(shù)，用來確定模糊控制系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)定特性主要內(nèi)容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設(shè)計(jì)過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.6模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用4.6.1蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的模糊控制系統(tǒng)英國學(xué)者M(jìn)amdani和Assilian研究了小型實(shí)驗(yàn)室用汽輪機(jī)的模糊控制被控對象：蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)和鍋爐蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)：通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的風(fēng)門，控制速度鍋爐：以熱量作為輸入量，控制汽壓圖4-20蒸汽機(jī)和鍋爐的模糊控制系統(tǒng)兩輸入兩輸出控制系統(tǒng)操縱變量：鍋爐的供給熱量與蒸汽機(jī)油門的開度采用人工控制上述過程