模糊控制器設(shè)計(jì)過(guò)程PPT課件

上次課內(nèi)容回顧 模糊關(guān)系及模糊推理IfA1 andB1 ThenC1 IfA2 andB2 ThenC2 IfAn andBn ThenCn 已知A B 求C 練習(xí) 已知語(yǔ)言變量x y z x的論域?yàn)?1 2 3 定義有兩個(gè)語(yǔ)言值 大 0 0 5 1 小 1 0 5 0 y的論域?yàn)?10 20 30 40 50 語(yǔ)言值為 高 0 0 0 0 5 1 中 0 0 5 1 0 5 0 低 1 0 5 0 0 0 z的論域?yàn)?0 1 0 2 0 3 語(yǔ)言值為 長(zhǎng) 0 0 5 1 短 1 0 5 0 則1 試求規(guī)則 如果x是 大 并且y是 高 那么z是 長(zhǎng) 如果x是 小 并且y是 中 那么z是 短 所蘊(yùn)涵的x y z之間的模糊關(guān)系R 2 假設(shè)在某時(shí)刻 x是 略小 0 7 0 25 0 y是 略高 0 0 0 3 0 7 1 試根據(jù)R通過(guò)Mamdani法模糊推理求出此時(shí)輸出z的語(yǔ)言取值 練習(xí) 已知語(yǔ)言變量x y z x的論域?yàn)?1 2 3 定義有兩個(gè)語(yǔ)言值 大 0 0 5 1 小 1 0 5 0 y的論域?yàn)?10 20 30 40 50 語(yǔ)言值為 高 0 0 0 0 5 1 中 0 0 5 1 0 5 0 低 1 0 5 0 0 0 z的論域?yàn)?0 1 0 2 0 3 語(yǔ)言值為 長(zhǎng) 0 0 5 1 短 1 0 5 0 則1 試求規(guī)則 如果x是 大 并且y是 高 那么z是 長(zhǎng) 如果x是 小 并且y是 中 那么z是 短 所蘊(yùn)涵的x y z之間的模糊關(guān)系R 2 假設(shè)在某時(shí)刻 x是 略小 0 7 0 25 0 y是 略高 0 0 0 3 0 7 1 試根據(jù)R通過(guò)Mamdani法模糊推理求出此時(shí)輸出z的語(yǔ)言取值 第三章模糊控制 3 1模糊控制的工作原理 將人類(lèi)專(zhuān)家對(duì)特定對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn) 運(yùn)用模糊集理論進(jìn)行量化 轉(zhuǎn)化為可數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)的控制器 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制 人類(lèi)專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)是如何轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制器的 人類(lèi)對(duì)熱水器水溫的調(diào)節(jié) 控制思想 如果水溫偏高 就把燃?xì)忾y關(guān)小 如果水溫偏低 就把燃?xì)忾y開(kāi)大 3 1模糊控制的工作原理 輸入e 輸出u 規(guī)則庫(kù)R D A 電磁閥 A D 期望值 e u 模糊值 模糊值 精確值 精確值 模糊化 去模糊化 熱水器水溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模糊推理 溫度傳感器 熱水器 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)通常由四個(gè)部分組成 模糊化接口規(guī)則庫(kù)模糊推理清晰化接口 3 2 1模糊化接口 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 模糊化就是通過(guò)在控制器的輸入 輸出論域上定義語(yǔ)言變量 來(lái)將精確的輸入 輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語(yǔ)言值 1 語(yǔ)言變量的確定 定義模糊控制器的輸入 輸出語(yǔ)言變量 通常取系統(tǒng)的誤差值e和誤差變化率ec為模糊控制器的兩個(gè)輸入 控制量u為系統(tǒng)輸出E EC U 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 2 語(yǔ)言變量論域的設(shè)計(jì) 在模糊控制器的設(shè)計(jì)中 通常就把語(yǔ)言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域 例如 E的論域定義為 m m 1 1 0 1 m 1 m EC的論域定義為 n n 1 1 0 1 n 1 n U的論域定義為 l l 1 1 0 1 l 1 l 如何實(shí)現(xiàn)實(shí)際的連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)換 通過(guò)引入量化因子ke kec和比例因子ku來(lái)實(shí)現(xiàn) 假設(shè)在實(shí)際中 誤差的連續(xù)取值范圍是e eL eH eL表示低限值 eH表示高限值 則 同理 假如誤差變化率的連續(xù)取值范圍是ec ecL ecH 控制量的連續(xù)取值范圍是u uL uH 則量化因子kec和比例因子ku可分別確定如下 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 代表取整運(yùn)算 模糊控制器的輸出U可以通過(guò)下式轉(zhuǎn)換為實(shí)際的輸出值u 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 3 定義各語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值 例如 可將E EC和U的劃分為 正大 PB 正中 PM 正小 PS 零 ZO 負(fù)小 NS 負(fù)中 NM 負(fù)大 NB 七檔 檔級(jí)多 規(guī)則細(xì)致 但規(guī)則多 復(fù)雜 編制程序困難 占用的內(nèi)存較多 檔級(jí)少 規(guī)則少 規(guī)則實(shí)現(xiàn)方便 但過(guò)少的規(guī)則會(huì)使控制作用變粗而達(dá)不到預(yù)期的效果 因此在選擇模糊狀態(tài)時(shí)要兼顧簡(jiǎn)單性和控制效果 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 4 定義各語(yǔ)言值的隸屬函數(shù) 隸屬函數(shù)的類(lèi)型 正態(tài)分布型 高斯基函數(shù) 其中 ai為函數(shù)的中心值 bi為函數(shù)的寬度 假設(shè)與 PB PM PS ZO NS NM NB 對(duì)應(yīng)的高斯基函數(shù)的中心值分別為 6 4 2 0 2 4 6 寬度均為2 隸屬函數(shù)的形狀和分布如圖所示 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 三角型 梯型 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 隸屬函數(shù)確定時(shí)需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題 隸屬函數(shù)曲線形狀對(duì)控制性能的影響 隸屬函數(shù)形狀較尖時(shí) 分辨率較高 輸入引起的輸出變化比較劇烈 控制靈敏度較高 曲線形狀較緩時(shí) 分辨率較低 輸入引起的輸出變化不那么劇烈 控制特性也較平緩 具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性 因而 通常在輸入較大的區(qū)域內(nèi)采用低分辨率曲線 形狀較緩 在輸入較小的區(qū)域內(nèi)采用較高分辨率曲線 形狀較尖 當(dāng)輸入接近零則選用高分辨率曲線 形狀尖 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 隸屬函數(shù)曲線的分布對(duì)控制性能的影響 清晰性 相鄰隸屬函數(shù)之間的區(qū)別必須是明確的 不清晰的隸屬函數(shù)分布 清晰的隸屬函數(shù)分布 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 完備性 輸入函數(shù)的分布必須覆蓋語(yǔ)言變量的整個(gè)論域 否則 將會(huì)出現(xiàn) 空檔 從而導(dǎo)致失控 不完備的隸屬函數(shù)分布 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 模糊化過(guò)程小結(jié) 第一步將實(shí)際檢測(cè)的系統(tǒng)誤差和誤差變化率量化為模糊控制器的輸入 假設(shè)實(shí)際檢測(cè)的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為e 和ec 可以通過(guò)量化因子將其量化為模糊控制器的輸入E 和EC 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 第二步將模糊控制器的精確輸入E 和EC 通過(guò)模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入A 和B 假設(shè)E 6 系統(tǒng)誤差采用三角形隸屬函數(shù)來(lái)進(jìn)行模糊化 E 屬于NB的隸屬度最大 為1 則此時(shí) 相對(duì)應(yīng)的模糊控制器的模糊輸入量為 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 對(duì)于某些輸入精確量 有時(shí)無(wú)法判斷其屬于哪個(gè)模糊值的隸屬度更大 例如當(dāng)E 5時(shí) 其屬于NB和NM的隸屬度一樣大 此時(shí)有兩種方法進(jìn)行處理 1 在隸屬度最大的模糊值之間任取一個(gè) 例如當(dāng)E 5時(shí) A NB或NM 2 重新定義一個(gè)模糊值 該模糊值對(duì)于當(dāng)前輸入精確量的隸屬度為1 對(duì)于其它精確量的隸屬度為0 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 3 2 2規(guī)則庫(kù) 規(guī)則庫(kù)的描述 規(guī)則庫(kù)由若干條控制規(guī)則組成 這些控制規(guī)則根據(jù)人類(lèi)控制專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出 按照IF is AND is THEN is 的形式表達(dá) R1 IFEisA1ANDECisB1THENUisC1R2 IFEisA2ANDECisB2THENUisC2 Rn IFEisAnANDECisBnTHENUisCn 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 規(guī)則庫(kù)也可以用矩陣表的形式進(jìn)行描述 例如在模糊控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中 模糊控制器的輸入為E 轉(zhuǎn)速誤差 EC 轉(zhuǎn)速誤差變化率 輸出為U 電機(jī)的力矩電流值 在E EC U的論域上各定義了7個(gè)語(yǔ)言子集 PB PM PS ZO NS NM NB 對(duì)于E EC可能的每種取值 進(jìn)行專(zhuān)家分析和總結(jié)后 則總結(jié)出的控制規(guī)則為 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 規(guī)則庫(kù)蘊(yùn)涵的模糊關(guān)系 規(guī)則庫(kù)中第i條控制規(guī)則 Ri IFEisAiANDECisBiTHENUisCi蘊(yùn)涵的模糊關(guān)系為 控制規(guī)則庫(kù)中的n條規(guī)則之間可以看作是 或 也就是 求并 的關(guān)系 則整個(gè)規(guī)則庫(kù)蘊(yùn)涵的模糊關(guān)系為 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 規(guī)則庫(kù)的產(chǎn)生 根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)或過(guò)程控制知識(shí)生成控制規(guī)則 根據(jù)過(guò)程的模糊模型生成控制規(guī)則 這種方法通過(guò)用模糊語(yǔ)言描述被控過(guò)程的輸入輸出關(guān)系來(lái)得到過(guò)程的模糊模型 進(jìn)而根據(jù)這種關(guān)系來(lái)得到控制器的控制規(guī)則 根據(jù)學(xué)習(xí)算法獲取控制規(guī)則 應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法等 對(duì)控制過(guò)程的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和聚類(lèi) 生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 模糊控制規(guī)則的總結(jié)要注意以下幾個(gè)問(wèn)題 規(guī)則數(shù)量合理控制規(guī)則的增加可以增加控制的精度 但是會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 控制規(guī)則數(shù)量的減少會(huì)提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度 但是控制的精度又會(huì)下降 所以 需要在控制精度和實(shí)時(shí)性之間進(jìn)行權(quán)衡 規(guī)則要具有一致性控制規(guī)則的目標(biāo)準(zhǔn)則要相同 不同的規(guī)則之間不能出現(xiàn)相矛盾的控制結(jié)果 完備性要好控制規(guī)則應(yīng)能對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的任何一種狀態(tài)進(jìn)行控制 否則 系統(tǒng)就會(huì)有失控的危險(xiǎn) 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 3 2 3模糊推理 3 2 4清晰化接口 模糊輸出值C 轉(zhuǎn)化為精確控制量u 第二章知識(shí) 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 1 最大隸屬度方法 把C 中隸屬度最大的元素U 作為精確輸出控制量 上式中根據(jù)最大隸屬度法得到的精確輸出控制量為 4 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 若模糊輸出量的元素隸屬度有幾個(gè)相同的最大值 則取相應(yīng)諸元素的平均值 并進(jìn)行四舍五入取整 作為控制量 上式中 元素 4 3 2對(duì)應(yīng)的隸屬度均為1 則精確輸出控制量為 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 2 加權(quán)平均法 重心法 對(duì)模糊輸出量中各元素及其對(duì)應(yīng)的隸屬度求加權(quán)平均值 并進(jìn)行四舍五入取整 來(lái)得到精確輸出控制量 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 清晰化后的U 經(jīng)過(guò)比例因子可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際作用于控制對(duì)象的控制量u 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 模糊控制器的工作過(guò)程 模糊控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的誤差和誤差變化率e 和ec 通過(guò)量化因子ke和kec將e 和ec 量化為控制器的精確輸入E 和EC E 和EC 通過(guò)模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入A 和B 將A 和B 根據(jù)規(guī)則庫(kù)蘊(yùn)涵的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理 得到模糊控制輸出量C 對(duì)C 進(jìn)行清晰化處理 得到控制器的精確輸出量U 通過(guò)比例因子ku將U 轉(zhuǎn)化為實(shí)際作用于控制對(duì)象的控制量u 將 3 5 步離線進(jìn)行運(yùn)算 對(duì)于每一種可能出現(xiàn)的E和EC取值 計(jì)算出相應(yīng)的輸出量U 并以表格的形式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中 這樣的表格我們稱之為模糊查詢表 3 2模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 如果E EC和U的論域均為 6 5 4 3 2