模糊控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、模糊理論在模糊控制中的應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)摘要：模糊控制技術(shù)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程有著極大地推動(dòng)作用。本文簡(jiǎn)要的講述了模糊控制理論的起源及基本原理，詳細(xì)分析了模糊控制器的設(shè)計(jì)方法，最后就典型的模糊控制系統(tǒng)原理和新型模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了分析正文：一：模糊理論1.1模糊理論概念：模糊理論（fuzzy theory）是指用到了模糊集合的基本概念或連續(xù)隸屬度函數(shù)的理論。它可分類為模糊數(shù)學(xué)，模糊系統(tǒng)，不確定性和信息，模糊決策這五個(gè)分支，它并不是完全獨(dú)立的，它們之間有緊密的聯(lián)系。1.2模糊理論產(chǎn)生：1965年，模糊理論創(chuàng)始人，美國(guó)加州福尼亞大學(xué)伯克利分校的自動(dòng)控制理論專家l.a.zadeh教授發(fā)表了題為“fuz

2、zy set”的論文，這標(biāo)志著模糊理論的誕生。這一理論為描述和處理事務(wù)的模糊性和系統(tǒng)中的不確定性，以及模擬人所特有的模糊邏輯思維功能，從定性到定量，提供了真正強(qiáng)有力的工具。1966年，馬里諾斯發(fā)表了模糊邏輯的研究報(bào)告，而zadeh進(jìn)一步提出了著名的模糊語言值邏輯，并于1974年進(jìn)行了模糊邏輯推理的研究。由于這一研究和觀點(diǎn)反映了客觀世界中普遍存在的事務(wù)，它一出現(xiàn)便顯示出強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展前途，在自然科學(xué)，其他科學(xué)領(lǐng)域及工業(yè)中得到了迅速的廣泛的應(yīng)用。二：模糊控制理論2.1模糊控制理論的產(chǎn)生：在控制技術(shù)的應(yīng)用過程中，對(duì)于多變量、非線性、多因素影響的生產(chǎn)過程，即使不知道該過程的數(shù)學(xué)模型，有經(jīng)驗(yàn)的

3、操作人員也能夠根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐觀察和操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效地控制，而采用傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方法效果并不理想。從這一點(diǎn)引申開來，是否可將人的操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為若干條控制規(guī)則以避開復(fù)雜的模型建造過程？模糊控制理論與技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)70年代模糊理論應(yīng)用于控制領(lǐng)域的研究開始盛行，并取得成效。其代表是英國(guó)倫敦大學(xué)瑪麗皇后分校的e.h.mamdani教授將if-then型模糊規(guī)則用于模糊推理，并把這種規(guī)則型模糊推理用于蒸汽機(jī)的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中。模糊控制最重要的特征是反映了人們的經(jīng)驗(yàn)以及人們的常識(shí)推理規(guī)則，而這些經(jīng)驗(yàn)與常識(shí)推理規(guī)則是通過語言來表達(dá)的。如“溫度上升過快，則稍微降低升溫速度” 就是一種基于經(jīng)驗(yàn)表達(dá)的語言。在

4、控制系統(tǒng)的運(yùn)用初期，由于對(duì)系統(tǒng)缺乏了解，控制效果可能不太好，但經(jīng)過若干次探索后終能實(shí)驗(yàn)預(yù)期的理想控制，這就是經(jīng)驗(yàn)對(duì)模糊控制系統(tǒng)的重要性。與傳統(tǒng)的控制相比較，模糊控制有其明顯的優(yōu)越性。由于模糊控制實(shí)質(zhì)上是用計(jì)算機(jī)去執(zhí)行操作人員的控制策略，因而可以避開對(duì)象復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，力圖對(duì)人們關(guān)于某個(gè)控制問題的成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工，總結(jié)出知識(shí)，從中提煉出控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。2.2模糊控制系統(tǒng)基本原理：模糊控制是一種建立在模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)之上的基于規(guī)則的智能控制方法，它的理論方法、實(shí)現(xiàn)技術(shù)都和傳統(tǒng)的控制理論和技術(shù)有極大的區(qū)別。作為一種較新的智能控制方式，模糊控制也要遵循一定的規(guī)律和法則，也即模糊控

5、制具有一種與之相應(yīng)的機(jī)制和原理。模糊控制過程圖理想模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3模糊控制器：對(duì)于模糊控制來說，其核心在于模糊控制器。也就是說，模糊控制的機(jī)理是通過模糊控制器來體現(xiàn)的。模糊控制器的思想來自人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中對(duì)被控對(duì)象的控制。模糊控制器對(duì)被控對(duì)象的控制依據(jù)的是人類的模糊控制經(jīng)驗(yàn)或意念并表現(xiàn)為模糊控制語句形式的描述。在模糊控制語句中，含有人類對(duì)環(huán)境的模糊檢測(cè)和對(duì)被控制對(duì)象的模糊命令。在人執(zhí)行的模糊控制中，對(duì)環(huán)境的模糊檢測(cè)是由人的感觀對(duì)環(huán)境進(jìn)行接觸并通過頭腦的智能過程實(shí)現(xiàn)的。而目前人們所研究的模糊控制是由計(jì)算機(jī)而不是由人去執(zhí)行的，因此在計(jì)算機(jī)中必須有能較好地完成人在模糊控制中所完成有關(guān)工作的功

6、能。模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖2.3.1模糊控制器各部分功能：（1）模糊化接口功能。完成被控制對(duì)象有關(guān)狀態(tài)的精確量向相應(yīng)模糊量的轉(zhuǎn)換；（2）存儲(chǔ)知識(shí)庫(kù)。計(jì)算機(jī)應(yīng)能把用于模糊控制的知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)在內(nèi)部，以供知識(shí)推理時(shí)使用。知識(shí)庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)和語言控制規(guī)則庫(kù)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)即是隸屬函數(shù)集，語言控制規(guī)則庫(kù)即是模糊控制規(guī)則庫(kù)；（3）決策功能。它是模糊控制器的核心功能。模糊控制器模擬人類的決策能力進(jìn)行模糊決策；（4）反模糊接口功能。其作用是把模糊控制器執(zhí)行決策后產(chǎn)生的模糊控制量轉(zhuǎn)換成合適的精確控制量。2.3.2模糊控制器的工作過程簡(jiǎn)述：知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)模糊量和模糊控制規(guī)則，并向模糊化接口提供模糊量的隸屬函數(shù)形態(tài)。這樣，模糊

7、化接口在接收到外部的精確量輸入后，就可將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模糊量及隸屬度。知識(shí)庫(kù)也向反模糊化接口提供模糊量的隸屬函數(shù)形態(tài)，反模糊化接口則根據(jù)輸出的模糊量及隸屬度，轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的精確量。同時(shí)，知識(shí)庫(kù)向決策邏輯提供控制規(guī)則，由決策邏輯執(zhí)行推理過程，推斷出輸出模糊量。模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)是由模糊控制器、被控對(duì)象、檢測(cè)和反饋部件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的區(qū)別在于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論的控制機(jī)理，而模糊控制系統(tǒng)采用模糊推理機(jī)制，分別表現(xiàn)為一般的數(shù)字控制器和模糊控制器基于模糊推理理論的模糊控制器具有獨(dú)特的數(shù)學(xué)模型和結(jié)構(gòu)。不同的推理以及實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形 式對(duì)應(yīng)著不同的控制

8、算法。三：模糊控制系統(tǒng)（幾種不同形式的模糊控制系統(tǒng)）3.1典型模糊控制系統(tǒng)：在模糊控制器的輸入端有兩個(gè)輸入信號(hào)，這兩個(gè)輸入信號(hào)一般是偏差和偏差變化率。模糊控制系統(tǒng)是由給定輸入、模糊控制器、被控對(duì)象、反饋環(huán)節(jié)和反饋信號(hào)、反饋信號(hào)和給定輸入相加環(huán)節(jié)等共同組成。系統(tǒng)工作過程是：給定輸入向控制系統(tǒng)給出控制命令和期望；模糊控制器根據(jù)偏差和偏差變化率e進(jìn)行模糊推理，產(chǎn)生控制輸出；被控對(duì)象在模糊控制器的輸出控制下產(chǎn)生結(jié)果輸出y；反饋環(huán)節(jié)把系統(tǒng)輸出y轉(zhuǎn)換成和給定輸入同檔次的值，并反饋回相加環(huán)節(jié)；相加環(huán)節(jié)把給定輸入和反饋信號(hào)相加，由于反饋信號(hào)和給定信號(hào)相位是相反的，故而產(chǎn)生偏差e。從偏差可以得出偏差變化率。在典

9、型的模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展形成了多控制器的模糊控制系繞、自組織模糊控制 系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)等更為復(fù)雜的系統(tǒng)3.2多控制器的模糊控制系統(tǒng)：多控制器的模糊控制系統(tǒng)有復(fù)合模糊控制器控制系統(tǒng)和變結(jié)構(gòu)模糊控制系統(tǒng)兩種基本形式。前者控制器由模糊控制器和數(shù)字控制器組成，而后者則包含多個(gè)模糊控制器。其中復(fù)合模糊控制系統(tǒng)在復(fù)合模糊控制系統(tǒng)中把模糊控制器和傳統(tǒng)的數(shù)字控制器組合起來，構(gòu)成復(fù)合模糊控制器。它通常由普通模糊控制器和比例積分（pi）數(shù)字控制器組成。在復(fù)合模糊控制系統(tǒng)中，復(fù)合模糊控制器內(nèi)的模糊控制器和pi控制器是兩個(gè)獨(dú)立通道。模糊控制器是一種非線性控制器，可對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非線性的智能控制，但存在靜

10、差并容易在中心語言值產(chǎn)生振蕩。而pi控制器可克服在偏差趨于零時(shí)模糊控制器可能產(chǎn)生的振蕩及靜態(tài)誤差。作為一種雙?？刂平Y(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)所處的偏差不同，需要進(jìn)行控制器的轉(zhuǎn)換。當(dāng)系統(tǒng)的偏差較小，為模糊變量值的零檔。精度較高時(shí)，pi控制器起控制作用；當(dāng)系統(tǒng)的偏差較大，超過模糊變量值的零檔，精度較低時(shí)則采用模糊控制器。由于兩個(gè)模糊控制器切換的瞬間，兩個(gè)控制器所輸出的控制信號(hào)有可能相差較大，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生較大的影響。為了在轉(zhuǎn)換瞬間能取得平穩(wěn)的品質(zhì)與滑模效果，應(yīng)對(duì)控制器切換的時(shí)機(jī)給予注意。3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)：針對(duì)常規(guī)模糊控制器在校正時(shí)需要修改以語言形式的條件語句表達(dá)的控制規(guī)則所帶來的操作困

11、難，人們又提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成模糊控制器，進(jìn)而組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)的新方法。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)中，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的模糊控制器具有自學(xué)習(xí)的功能，具體是通過修改權(quán)系數(shù)以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，即控制規(guī)則的變化?？刂破髦猩窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)修改會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果的改變，并且這種修改只是數(shù)值的修改，比語言控制規(guī)則中語言值的修改要容易得多，使得控制系統(tǒng)的校正十分方便有效。通過修改神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)就可以改變模糊控制器的特性。為了實(shí)現(xiàn)這種修改，系統(tǒng)設(shè)置了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)。該學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的輸出y實(shí)際偏差e、偏差變化率e以及該時(shí)產(chǎn)生的控制量u來確定權(quán)系數(shù)的修改方向和步長(zhǎng)，并將權(quán)系數(shù)修改信號(hào)f發(fā)送到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器中。權(quán)系數(shù)修改之后，使輸出向給定的輸出期望值r逼近，最終令偏差e趨于極小。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)是一種新的智能控制結(jié)構(gòu)，目前，有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)過程還處于不 斷研究和探索的階段，還有許多重要問題亟待解決。結(jié)束語