第三章模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、1,智能控制技術(shù),中國計量學(xué)院自動化教研室,謝,敏,2,智能控制技術(shù),第,3,章,模糊控制系統(tǒng),3.1,模糊控制系統(tǒng)的組成原理,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,3.3,模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計實例,3,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,一、模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,根據(jù)輸入輸出變量劃分為,1,單輸入單輸出模糊控制結(jié)構(gòu),如：加熱爐的溫度控制,一維模糊控制器,二維模糊控制器,2,多輸入多輸出模糊控制結(jié)構(gòu),3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,4,一、模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,一維模糊控制器,控制器的輸入輸出語言變量只有一個,典型輸入為誤差,e,輸出為控制量,u,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,期望值,R,_,偏差,E,測量值,Z

2、,測量變送器,模糊,控制器,執(zhí)行器,被控對象,干擾,D,控制量,U,輸出,Y,5,一、模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,一維模糊控制器,規(guī)則,R,1,if e is E,1,then u is U,1,R,2,if e is E,2,then u is U,2,R,n,if e is E,n,then u is U,n,模糊關(guān)系,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,n,i,i,i,U,E,u,e,R,1,6,一、模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,二維模糊控制器,控制器的輸入變量有兩個，輸出變量為一個,典型輸入為誤差,e,和誤差變化量,de,輸出為控制,量,u,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,期望值,R,_,偏差,E,測量值,Z,

3、測量變送器,模糊,控制器,執(zhí)行器,被控對象,干擾,D,控制量,U,輸出,Y,d/dt,7,一、模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,二維模糊控制器,規(guī)則,R,1,if e is E,1,and de is DE,1,then u is U,1,R,2,if e is E,2,and de is DE,2,then u is U,2,R,n,if e is E,n,and de is DE,n,then u is U,n,模糊關(guān)系,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,n,i,i,i,i,U,DE,E,u,e,R,1,8,二、模糊控制器的設(shè)計原則,模糊控制系統(tǒng)是利用人的直覺和經(jīng)驗設(shè)計的控制,系統(tǒng)，不需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，還

4、沒有成熟而,統(tǒng)一的設(shè)計方法,1,定義輸入輸出變量,如：加熱爐溫度控制系統(tǒng)，輸入為系統(tǒng)的溫度,輸出為加熱量（如電壓,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,9,二、模糊控制器的設(shè)計原則,2,定義變量的模糊化條件,1,確定變量的論域和量化等級,由于實際系統(tǒng)的輸入輸出范圍總是有限制的，可,以據(jù)此確定其論域。如變量為電壓，則其論域,為,0,220,把該論域離散化，如在,6,6,之間變化把變量分,為,12,個等級,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,10,二、模糊控制器的設(shè)計原則,2,選擇描述輸入輸出變量的語言值,由于人們總習(xí)慣于將事物分為三個等級，如老,中、青；大、中、小等，因此一般把描述輸入,輸出的語言值按正負對稱加上

5、零，分為七個取,值,負大，負中，負小，零，正小，正中，正大,NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,11,二、模糊控制器的設(shè)計原則,3,定義各語言變量語言值在各自論域上的隸,屬度函數(shù),a,隸屬度函數(shù)曲線較尖，則分辨率高，靈敏度高,隸屬度函數(shù)曲線較緩，則穩(wěn)定性好,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,e,0,A,e,B,e,12,二、模糊控制器的設(shè)計原則,選取原則,e,大的區(qū)域，選取低分辨率的隸屬度函數(shù),e,小的區(qū)域，選取高分辨率的隸屬度函數(shù),e,接近,0,時，選取高分辨率的隸屬度函數(shù),3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,e,0,A,e,B,e,13,二、模糊控制器的設(shè)計原則,b,較

6、小，控制靈敏度高,較大，魯棒性好,一般取,0.5,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,e,0,A,e,B,e,e,0,A,e,B,e,14,二、模糊控制器的設(shè)計原則,3,設(shè)計規(guī)則庫,規(guī)則數(shù),N=n,out,n,in,n,level,1)+1,4,設(shè)計模糊推理,可由軟、硬件實現(xiàn),5,精確化方法,一定要選取有代表性的值,3.2,模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計,15,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,以加熱爐溫度控制系統(tǒng)為例,由于模糊關(guān)系矩陣是一個高階矩陣，多次合成計,算使輸出使系統(tǒng)實時性變差，在實際應(yīng)用中通,常采用查表法,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,_,模糊,控制表,Ku,被控對象,T,K,e,K,e,T,d,e,DE

7、,E,U,u,16,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,查表法的基本思想是事先計算好模糊規(guī)則表，存,放在計算機內(nèi)存中。當(dāng)控制器工作時，根據(jù)采,樣得到的誤差和誤差變化的量化值，查表找出,當(dāng)前時刻的輸出量的量化值，乘以比例因子得,到實際輸出控制量,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,_,模糊,控制表,Ku,被控對象,T,K,e,K,e,T,d,e,DE,E,U,u,17,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,設(shè)計步驟,1,確定模糊控制器的輸入輸出變量,結(jié)構(gòu)：二維模糊控制器,輸入變量：誤差,e = T,T,d,誤差變化,de,輸出變量：加熱裝置供電電壓,u,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,_,模糊,控制表,Ku,被控對象

8、,T,K,e,K,e,T,d,e,DE,E,U,u,18,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,2,確定輸入輸出變量的論域和量化等級、量化,因子,設(shè)變量的論域為,e,50,50 de,150,150 u,64,64,取變量的量化等級都為,9,級，即,e,de,u = -4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,19,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,量化因子,2n/(u,H,u,L,輸入變量乘以量化因,子從原論域轉(zhuǎn)換到模糊論域,K,e,4/50=2/25,K,de,4/150=2/75,誤差,e=40,的量化值,比例因子,u,H,u,L,2n,輸出變量乘以比例因,子轉(zhuǎn)換回原論

9、域的值,K,u,64/4=16,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,T,DE,_,模糊,控制表,K,u,被控對象,K,de,K,e,d/dt,T,d,e,E,U,u,20,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,3,定義輸入輸出變量的模糊子集,首先定義各變量的語言值,NB,NS,ZE,PS,PB,在量化論域上定義各語言值的隸屬度函數(shù),3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,4,3,2,1,0,1,2,3,4,PB,0,0,0,0,0,0,0,0.35,1,PS,0,0,0,0,0,0.4,1,0.4,0,ZE,0,0,0,0.2,1,0.2,0,0,0,NS,0,0.4,1,0.4,0,0,0,0,0,NB,1,0.3

10、5,0,0,0,0,0,0,0,21,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,4,模糊控制規(guī)則的確定,為使系統(tǒng)輸出的動態(tài)特性最佳，根據(jù)操作經(jīng)驗而,總結(jié)的一條條模糊條件語句,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,T,d,t,0,1,2,3,4,5,22,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,1,誤差,e = T,T,d,為負大時，全功率加熱,L1: If E=NB and DE=PB , then U=PB,L2: If E=NB and DE=PS , then U=PB,L3: If E=NB and DE=ZE , then U=PB,L4: If E=NB and DE=NS , then U=PB,T,d,t,

11、0,_,e,de,_,_,_,_,_,_,_,_,1,2,3,4,5,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,23,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,2,誤差,e = T,T,d,為負小或接近,0,時，防超調(diào)為主,L5: If E=NS and DE=ZE , then U=PS,L6: If E=NS and DE=PS , then U=ZE,L7: If E=NS and DE=PB , then U=NS,L11: If E=NS and DE=NS , then U=PS,L12: If E=NS and DE=NB , then U=PB,T,d,t,0,_,e,de,_,_,_,_,_,_,_

12、,_,1,2,3,4,5,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,24,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,3,誤差,e = T,T,d,為,0,時，保持穩(wěn)定為主,L8: If E=ZE and DE=ZE , then U=ZE,L9: If E=ZE and DE=PS , then U=NS,L10: If E=ZE and DE=PB , then U=NB,L13: If E=ZE and DE=NS , then U=PS,L14: If E=ZE and DE=NB , then U=PB,T,d,t,0,_,e,de,_,_,_,_,_,_,_,_,1,2,3,4,5,3.3,模糊控制器的設(shè)計

13、舉例,25,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,4,誤差,e = T,T,d,為正或接近,0,時，同理可得其余,規(guī)則,If E=PB and DE=PS , then U=,If E=PS and DE=PS , then U=,If E=ZE and DE=PB , then U=,If E=ZE and DE=ZE , then U=,T,d,t,0,_,e,de,_,_,_,_,_,_,_,_,1,2,3,4,5,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,26,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,5,求模糊控制表,由于變量的離散量化域是有限的，可對于輸入,輸出變量的每種組合，計算出模糊控制器的輸,出值，保存在控

14、制表中,目的：可提高在線應(yīng)用時的響應(yīng)速度,實際控制量取值為控制器輸出值乘以比例因子,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,27,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,例：前述的加熱爐溫度控制系統(tǒng)，設(shè),E,的量化值,為,1,DE,的量化值為,2,求模糊控制器的輸出,值,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,28,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,5,求模糊控制表,對于輸入輸出變量的每種組合，都可按上述方,法計算出模糊控制器的輸出值，保存在控制表,中,6,把量化值乘以比例因子，轉(zhuǎn)化為實際控制值,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,29,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,小費問題模糊推理系統(tǒng)設(shè)計,一個雙輸入、單輸出的小費問題（基于美國的小,費習(xí)慣,給定一個,0,至,10,之間的數(shù)表示飯店的服務(wù)質(zhì)量,10,表示非常好），另一個,0,至,10,之間的數(shù)表,示飯店的食品質(zhì)量,10,表示非常好），小費應(yīng),給多少,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,30,3.3,模糊控制器的設(shè)計舉例,小費