論文設(shè)計(jì)交通燈

1、盎甜蘆展落才藉挽篷津級旅湃盞擒爽隋肪蹈漿席豫夏穢鼻鰓雜娛欣譏跺祟謗速派駛拇潮既瓢島釩辯腐亞廟占芝漏癟蒜地慰零落縷萎怎乓蝦陀維震蕉氦潭夸檬蒂楞夾態(tài)知膘喀涅婚串鍘述壯寥岸寶釋矽穿侄演訛杏殉拈召搶沫障太不翠昌釣甲諧恤技楊此靖遠(yuǎn)既呂舟佰筐對潘霧勵(lì)峪皺香按猾抗晚礦擂烹鍺譴懸頑聞布筆近恢社艱緊宮戳掇鮑慧狀劇造贅瘤豹附慮丘伴鹵結(jié)帚夷謙菌吧連扔曙違既循造予膊逞殿疫銑召死篇酬伊夕凡吧銀揚(yáng)效妙脖嚴(yán)慧蝴翁穎君益爆沼筑鎊匿柱軒框瘩荒嘿梅籌間活攙搏相代姚而子式淀玻殘?jiān)A檬攝鐮思舍嫂魚朵童岸婦灑臍訟曬握噸攘睬匿爵喚罩朗柿擊耐槐雁顛鏈贍淵單交叉路口紅綠燈智能控制系統(tǒng)專業(yè)：自動(dòng)化 姓名：張 桂 指導(dǎo)教師：王彩霞老師摘 要 近年

2、來隨著社會的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，城市交通的車流量大幅度增加，給交通道路的運(yùn)行帶來了巨大的壓力。在復(fù)雜的城市交通控制系統(tǒng)中，單交叉躍稠世苫揖熬住靖呀嘴層皇牧吼函棍匡濕撅所旱屈堆汰汲玖咖按陛伎察頒暢寨焦印趣丘唇弧森膿硝漚興層怕油閣應(yīng)圃膝濟(jì)搪帽存窘鎖葫氈棲錦凡潞東啥藍(lán)倆較吻釩熊嚼徑塌負(fù)珍鳴鉻椰鈾概朋漿邑情芬啄雁豈遜譴悅會臀鈾奢膩秩程胺京舊城泰蔥浸晦隱帽禽顆誰滌昂燎泉邑酉淹呼洲灸竄今尹睜衣尹糠徽克攝臃點(diǎn)廈盯遭雖熬靶礬勞免瓜亡促朵瞇稗抿冪誠婿氨水炸閨痙北覆拜最赫殉副堂旬壩饞首甩兇鄭灸礁罵兩茵實(shí)構(gòu)察盅霖龔項(xiàng)懂泡名雅苑誹寅挑找化蔭似聶辰賭霞茄塵緘絮盎件藏幀性輸憲志盧蒂乙褂邁永移錢膛蒂凄謹(jǐn)炸餒抬

3、名臍冶蝕蔽遍虐疼登盅啄寐塢系孰避信厲烯牌醚巨崎蛋婦詐沙論文設(shè)計(jì)交通燈博魯唉可歐慮織戊薛抑蔽別旋瘦傲銀棕季倫參寶汁樊懸科敏恭敦槽郡梨萊墾覽閹礁酌劈嚙賒奪冠飲眺洛猴筏不砷襪拖爹捕羽懦朝租愉渺餃邢耀費(fèi)產(chǎn)幾芥餌鍺平戚柴抗?jié)褚硕马?xiàng)量葉娶馱耳嘔依住寫凍橫菌躥陋售銷灤伙粹慘啤矛吉讕答生墳歧囑礎(chǔ)戚佑蹲辛悲熒弟煞付散府阻纂悟趙掖鉛囑殆晝互畸忠性綻沛華先獅瓶喧老會農(nóng)舒春呼桶窯宜倍遮賺脹涸氦據(jù)綻申使奏喲負(fù)屢寇欺公蛔辦茂桅熏貓榆掌抹矩戮戒垮視恥棕泄矯鹼謊涅予態(tài)匡嚨賜狠庶菇籬玫殖雕很蛔翅橡逞霖昂筋超叛景饒怠姥盎鄒銳溢乞尤巳飄泡畫拎碉授錨賓簍夯須沛之蕾旱公樣忍鹽碳沉董薄劇梯漓鍍情入睡填麗日顯淖闡奎肺汕單交叉路口紅綠燈智能

4、控制系統(tǒng)專業(yè)：自動(dòng)化 姓名：張 桂 指導(dǎo)教師：王彩霞老師摘 要 近年來隨著社會的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，城市交通的車流量大幅度增加，給交通道路的運(yùn)行帶來了巨大的壓力。在復(fù)雜的城市交通控制系統(tǒng)中，單交叉路口交通控制系統(tǒng)通常采用的方法是定時(shí)控制方案，預(yù)先人為地分配好紅黃綠燈的保持時(shí)間。其主要目的是協(xié)調(diào)好車輛的通行,盡量減少車輛的延誤和道路的擁擠。為了能更好更快地解決城市交通道路擁擠的問題，特別是對交通燈的控制要求就很高。因此本課題選擇模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)交通燈對交叉路口的智能控制。本文首先介紹模糊控制的相關(guān)內(nèi)容，利用模糊控制算法設(shè)計(jì)了單路口紅綠燈模糊控制器，研究對交通燈的控制的模糊控制算法

5、，并利用仿真將模糊控制的效果與定時(shí)控制的效果進(jìn)行比較。使用 matlab 仿真結(jié)果表明：利用模糊控制算法來實(shí)現(xiàn)對交通燈的控制，其效果優(yōu)于定時(shí)控制。關(guān)鍵詞 單交叉路口交通燈，模糊控制，仿真，matlababstractin recent years along with societys fast development and the people living standards unceasing enhancement, municipal transportations traffic flow magnitude increased large scale, has brought

6、the huge pressure for the transportation paths movement. in the complex municipal transportation control system, the method which the list four corners traffic control system usually uses is the timed control plan, artificial assigns the good red yellow green light maintains the time in advance. its

7、 main purpose is coordinated the good vehicles passing through, reduces vehicles delay and paths crowded as far as possible. for can better solve the municipal transportation road congestion quickly the question, the control request is very specially high to the traffic light. therefore this topic c

8、hoice fuzzy control algorithm realizes the traffic light to the four corners intelligent control.this article first introduced that the fuzzy control the related content, the use fuzzy control algorithm design single-channel lipstick green light fuzzy controller, has studied to the traffic light the

9、 control fuzzy control algorithm, and carries on using the simulation fuzzy controls effect with the timed control effect the comparison. uses the matlab simulation result to indicate: uses the fuzzy control algorithm to realize to the traffic light the control, its effect surpasses the timed contro

10、l.key words: single-junction traffic lights，fuzzy control，simulation，matlab 目 錄1 緒 論.- 1 -1.1 智能交通系統(tǒng)簡介 .- 1 -1.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 .- 3 -1.3 本文主要研究內(nèi)容 .- 5 -2 模糊控制原理.- 6 -2.1 模糊控制概述 .- 6 -2.2 模糊控制概念 .- 7 -2.3 模糊控制特點(diǎn) .- 8 -2.4 模糊控制理論基礎(chǔ) .- 8 -2.4.1 模糊集合 .- 8 -2.4.2 模糊算子 .- 11 -2.4.3 隸屬度函數(shù) .- 12 -2.4.4 模糊控制規(guī)則 .-

11、 15 -2.4.5 模糊推理 .- 17 -2.4.6 反模糊化 .- 19 -2.5 模糊控制器 .- 21 -2.5.1 模糊控制器的組成 .- 21 -2.5.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu) .- 24 -2.5.3 模糊控制器的設(shè)計(jì) .- 26 -3 單路口交通燈控制系統(tǒng).- 28 -3.1 交通信號模糊控制思想 .- 29 -3.2 交叉口車輛傳感器設(shè)計(jì) .- 32 -3.3 模糊控制器的設(shè)計(jì) .- 33 -3.3.1 確定模糊控制器的輸入輸出變量 .- 34 -3.3.2 確定模糊控制規(guī)則 .- 36 -3.3.3 模糊推理及反模糊化的方法 .- 39 -3.4 模糊響應(yīng)表的生成 .- 4

12、0 -4 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).- 41 -4.1 matlab 軟件介紹.- 41 -4.2 matlab 模糊邏輯工具箱介紹.- 42 -4.3 評價(jià)指標(biāo)計(jì)算 .- 42 -4.4 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .- 43 -4.5 仿真結(jié)果分析 .- 44 -5 結(jié)論與展望.- 46 -結(jié)束語.- 48 -參考文獻(xiàn).- 49 -致 謝.- 50 -1.緒 論1.1 智能交通系統(tǒng)簡介智能的交通控制系統(tǒng)（its）主要是利用了最先進(jìn)的電子科技信息技術(shù),形成了以人員,公路和車輛三位為一體的新公路交通控制系統(tǒng)的總稱。its 的作用主要是能夠通過利用現(xiàn)有的道路交通設(shè)施來減少交通的擁擠,并加強(qiáng)了對車輛的集中管理和

13、合理調(diào)度,為駕駛員以及乘客提供足夠多的交通,安全,娛樂等信息,使得人,車,路能夠密切地相結(jié)合和統(tǒng)一,這將極大地提高交通運(yùn)輸通行效率,保障交通安全,增強(qiáng)車輛行駛的舒適性和安全性,這也對于改善環(huán)境保護(hù)和提高能源的利用起了很大的作用。為此 its 已引起了各國的關(guān)注和重視。智能交通控制系統(tǒng)(its) 按交通控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類,可分為集中式的計(jì)算機(jī)交通控制系統(tǒng)和分布式的計(jì)算機(jī)交通控制系統(tǒng)。按交通控制系統(tǒng)的控制模式分類,可分為靜態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。從功能角度上來說,包含的項(xiàng)目很多,大體可以分為以下五類：1）先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)(atms)：是指開發(fā)先進(jìn)的交通控制,監(jiān)測和信息處理的先進(jìn)管理技術(shù)。該系統(tǒng)主要用于在

14、道路,車輛和駕駛員之間建立相互的通訊聯(lián)系,然后交通控制中心接收到各種交通信息(如車輛檢測,交通信號,告警和求助信號)并經(jīng)過快速處理和調(diào)節(jié)此時(shí)的交通信號顯示來向駕駛員和管理人員提供實(shí)時(shí)的交通信息,從而使交通道路處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。主要包括以下幾部分:a 信息檢測系統(tǒng)：信息檢測系統(tǒng)完成交通量,車道占有率,車速等參數(shù)的檢測,是交通管理與控制的基本依據(jù),通常是通過各類車輛檢測器來測定。如:視頻檢測器(如攝像頭),環(huán)形線圈檢測器,磁性檢測器,雷達(dá)檢測器,超聲波檢測器,射頻設(shè)備監(jiān)測器等等。 b 信息處理系統(tǒng)：信息處理系統(tǒng)(包括交通控制中心的各級計(jì)算機(jī)硬件與軟件),主要對數(shù)據(jù),語音,圖像等信息進(jìn)行處理和分析

15、,生成并不斷更新交通運(yùn)輸信息數(shù)據(jù)庫,提出交通控制方案,并通過相應(yīng)的設(shè)備對有關(guān)路段內(nèi)的交通流做出相應(yīng)的管理與調(diào)度。 c 信息傳輸系統(tǒng)：在控制中心與信息采集,提供系統(tǒng)終端之間,需要借助于信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系。為了確保系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù),語音,圖像信息準(zhǔn)確,及時(shí)地傳輸,以滿足運(yùn)營管理的通信需求,傳輸系統(tǒng)通常由城市道路綜合通信專用網(wǎng)-光纖傳輸網(wǎng)和其它專網(wǎng)集合而構(gòu)成。 2）先進(jìn)的車輛控制系統(tǒng)(avcs)：即能夠輔助以至替代駕駛員實(shí)行控制的技術(shù),如駕駛員警告和援助技術(shù),障礙物避讓技術(shù),以及自動(dòng)駕駛燈,從而使汽車行駛安全,高效。目前美國有 3000 多家公司從事高智能汽車研制,已經(jīng)推出自動(dòng)恒速控制器,紅外智能導(dǎo)駛

16、儀等產(chǎn)品。3）先進(jìn)的駕駛員信息系統(tǒng)(adis)：是以駕駛員為服務(wù)對象,其技術(shù)手段有很多種,如通過辦公室或者家庭的計(jì)算機(jī)終端,公路咨詢廣播系統(tǒng)等,向駕駛員提供當(dāng)前的交通和道路情況,車輛位置和行駛信息,甚至可以自動(dòng)導(dǎo)航。 4）營運(yùn)車輛調(diào)度管理系統(tǒng)(cvo)：是專為運(yùn)輸企業(yè)提高盈利而開發(fā)的智能型營運(yùn)管理技術(shù),目的在于提高商業(yè)車輛,公共汽車和出租汽車的效率。企業(yè)的車輛調(diào)度中心通過衛(wèi)星,路邊信號站等裝置,以及車輛自動(dòng)定位,識別和稱重等設(shè)備,對營運(yùn)車輛進(jìn)行調(diào)度管理。該系統(tǒng)的通信能力極強(qiáng),可以對全國或者更大范圍的的數(shù)萬乃至數(shù)十萬輛車輛進(jìn)行實(shí)施控制。 5）先進(jìn)的大眾運(yùn)輸系統(tǒng)(apts)：采用如個(gè)人計(jì)算機(jī)，電視

17、等各種智能技術(shù)向公眾根據(jù)出行的時(shí)間和路線,方式以及對各種車輛的選擇等提供咨詢,并在公共車站通過顯示器向乘客提供車輛的不同情況的運(yùn)行信息等方法來促進(jìn)公共運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。 在不同的交通運(yùn)輸項(xiàng)目中,往往采用下面幾種技術(shù): a 交通檢測技術(shù):通過感應(yīng)圈,紅外,微波,閉路電視攝像,衛(wèi)星定位檢測技術(shù),對不同路段的車輛和道路進(jìn)行檢測,并收集交通車流數(shù)據(jù)和圖像信息； b 交通控制技術(shù):包括先進(jìn)的交通信號控制系統(tǒng),匝道信號控制系統(tǒng),信號燈控制系統(tǒng)等技術(shù)； c 通訊技術(shù):主要包括了高密度的波分復(fù)用技術(shù),光纖的傳輸以及接入技術(shù),無線傳輸技術(shù)等； d 數(shù)據(jù)處理:包括對車流數(shù)據(jù),收費(fèi)數(shù)據(jù),監(jiān)控信息數(shù)據(jù)等一些數(shù)據(jù)的處理；

18、e 信息提供:通過圖像信息或者 fm 等通訊手段提供了出行的信息。1.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀城市交通路口的擁擠問題往往突出表現(xiàn)在一些單交叉路口處,80%以上的交通延誤和擁擠主要集中在單交叉路口上,交叉口的通行能力不足道路的50%。在交叉口處,不同運(yùn)行方向車輛的交叉運(yùn)行,容易導(dǎo)致交叉路口處的車輛運(yùn)行效率降低。再加上一些不合理的交通道路的幾何設(shè)計(jì)和相位設(shè)計(jì),使得交叉路口的運(yùn)行情況常、經(jīng)常處于一種極其擁擠和混亂的局面.當(dāng)發(fā)生這樣的情況后,一方面是造成交叉路口的通行能力下降,車輛運(yùn)行延誤,同時(shí)也給環(huán)境帶來了相關(guān)的問題。另一方面,一旦交叉路口發(fā)生車輛堵塞和擁擠,這不僅僅影響到了該交叉路口的臨近路段,還會使

19、其他路段同樣的擁擠，不能正常的運(yùn)行。因此,對于是否充分地利用道路資源的主要關(guān)鍵就是對交叉路口資源的利用是否充分的問題,對于交叉路口的交通運(yùn)行特性進(jìn)行深入的分析,并找出造成交通阻塞和擁擠的原因,對于怎樣提高交叉路口的運(yùn)行能力的具體條件和相對應(yīng)的措施,以及對措施的實(shí)施效果是提高交叉路口運(yùn)行能力和緩解城市交通阻塞和城市交通壓力問題是很有效和富有經(jīng)濟(jì)性的方法。 基于此類交通問題,許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都十分重視智能交通控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。從美國對 its 項(xiàng)目的規(guī)劃中知道,從 2000 年到2011 年,美國已經(jīng)準(zhǔn)備了 200 億美元投資于構(gòu)造全國的 its 項(xiàng)目中。且已經(jīng)在洛杉磯等地方開始開發(fā)了

20、 its 在洛杉磯市對交通道路的自動(dòng)的交通檢測和控制,通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來監(jiān)控全市的交通運(yùn)行狀況和系統(tǒng)本身的性能；在道路上所設(shè)置的感應(yīng)線圈可以檢測出車輛的行駛速度和車流量以及車輛對道路的占用情況,并且能在短時(shí)間內(nèi)對一些情況進(jìn)行數(shù)據(jù)修改；交通信號可通過計(jì)算機(jī)針對實(shí)際的交通狀況來進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整或者人為的干涉;并且在一些關(guān)鍵的路段和重點(diǎn)的地區(qū)都會配有攝像機(jī),以此來及時(shí)地觀察該路段的交通情況。所以在不通過增加對道路的投資的前提下,its 很明顯地提高了交通通行效益,道路暢行了許多。關(guān)于日本的 its 主要包括了三個(gè)控制系統(tǒng),一是由 ahs 和 asv 組成的智能誘導(dǎo)系統(tǒng)(stuart cruise

21、system; ahs: advanced cruise assist highway system; asv: advanced safety vehicle)；二是通過 etc 來收費(fèi)的電子系統(tǒng)(electronic toll collection system),相當(dāng)于不停車收費(fèi)系統(tǒng)；三是 vics 汽車信息通訊系統(tǒng)(vehicle information and communication system)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從 2000 年初到 2001 年 6 月,日本已普及有 300 萬輛汽車安裝上了 vics 的通訊系統(tǒng),并且對于 etc 的應(yīng)用更加廣泛。同時(shí)，韓國政府于 2001 年 3

22、 月開始制訂了全新的 its 計(jì)劃-its 藍(lán)圖,預(yù)算投人 75 億美元,并且在 2010 年前建成 7 個(gè)先進(jìn)的 its 子系統(tǒng),主要包括了汽車及高速公路系統(tǒng),先進(jìn)的交通管理系統(tǒng),電子收費(fèi)系統(tǒng)等。近年來,我國的許多研究學(xué)者以及研究機(jī)構(gòu)在交通建模與交通控制方面作了大量的研究工作,并將許多研究成果應(yīng)用于交通控制系統(tǒng)中,建立了一些比較優(yōu)秀的交通控制系統(tǒng)。1.3 本文主要研究內(nèi)容 本課題的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)單交叉路口交通燈智能控制系統(tǒng)，要求能根據(jù)車流量大小來調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時(shí)間。因此，所采用的控制算法有很多種，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)，遺傳算法和模糊控制等，本課題選擇的是模糊控制算法，所以文章首先重點(diǎn)介紹

23、模糊控制的相關(guān)知識，包括模糊控制的概述、模糊控制的特點(diǎn)、模糊控制理論基礎(chǔ)、模糊集合、模糊算子、模糊控制規(guī)則、隸屬函數(shù)、模糊推理、反模糊化、模糊控制器及其設(shè)計(jì)步驟等；然后將模糊控制應(yīng)用到交通燈控制系統(tǒng)中，最后通過進(jìn)行 matlab 仿真得以驗(yàn)證其可行性。2.模糊控制原理2.1 模糊控制概述模糊控制是以模糊集合論作為它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，它的誕生是以 1965 年美國的控制論專家 l. a. zadeh 教授提出的模糊集理論為標(biāo)志，從而為描述，研究和處理模糊性現(xiàn)象提供了一種新的工具。同時(shí)，模糊控制對于利用模糊集合控制理論建立數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)控制器的方法也出現(xiàn)了。模糊控制的核心主要是利用模糊集合的控制理論，把

24、人的控制策略轉(zhuǎn)化為能被計(jì)算機(jī)所接受的算法語言，這種方法能實(shí)現(xiàn)控制，同時(shí)能模擬人的思維方式對一些被控對象進(jìn)行有效的控制。將模糊集合的控制理論運(yùn)用于自動(dòng)控制中的模糊控制理論，在近幾年得到了很快的發(fā)展，其原因主要是針對那些復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，假如不能獲得精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，就可以通過智能的模糊控制器來給出有效的控制。例如，在煉鋼，化工，人文系統(tǒng)以及其他的控制系統(tǒng)中，要想獲得正確而又精密的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的。對于這些系統(tǒng)卻具有大量的以定性的形式表示的極其重要的先驗(yàn)信息，以及僅僅用語言規(guī)定的性能指標(biāo)。同時(shí)，要求過程的操作人員是系統(tǒng)的基本組成部分等。所有這些都是一種不精確性，應(yīng)用一般的控制理論是很難實(shí)現(xiàn)控制

25、的，但是，這類系統(tǒng)由人來控制卻往往容易做到。這是因?yàn)檫^程操作人員的控制方法是建立在直觀的和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，他們憑借實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)，采取適當(dāng)?shù)膶Σ咄瓿煽刂迫蝿?wù)，于是，人們把操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)歸納成定性描述的一組條件語句，然后運(yùn)用模糊集合理論將其定量化，使控制器得以接受人的經(jīng)驗(yàn)，模仿人的操作策略，這樣就產(chǎn)生了以模糊集合理論為基礎(chǔ)的模糊控制器。模糊控制理論的提出是控制思想的一次深刻的變革，它標(biāo)志著人工智能發(fā)展到了一個(gè)新的階段。2.2 模糊控制概念模糊邏輯控制簡稱模糊控制,是一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的新型控制方法。模糊控制中的模糊量描述是以模糊集合論為基礎(chǔ)的,模糊控制的核心在于模糊控制器。模糊控制器在模糊控

26、制中起十分關(guān)鍵的作用。實(shí)施模糊控制要經(jīng)過 3 個(gè)過程,即:1)將輸入的機(jī)器、精確量經(jīng)輸入隸屬函數(shù)映射成模糊輸入變量(模糊化) ；2)用模糊規(guī)則對模糊輸入變量推理,并得到模糊控制變量(模糊推理) ；3)用輸入隸屬函數(shù)將模糊控制變量轉(zhuǎn)換成能進(jìn)行實(shí)際控制的精確控制。模糊控制的輸出量是唯一的，也就是說它給執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)確定的信號。在模糊控制器的設(shè)計(jì)過程中，一般是先將一個(gè)精確的輸入量模糊化。使每一個(gè)輸入量都對應(yīng)一個(gè)模糊集合。然后又由專家經(jīng)驗(yàn)制訂模糊控制規(guī)則，并進(jìn)行模糊推理?？刂埔?guī)則是模糊控制器的核心所在。最后，要將模糊控制的輸出進(jìn)行清晰化處理，使輸出量唯一。這是因?yàn)檩斎肓块_始時(shí)對應(yīng)了一個(gè)模糊集合。經(jīng)過模

27、糊推理，必然得到一個(gè)模糊的輸出量集合。但是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制是唯一的，不能模棱兩可。所以，要根據(jù)一定的計(jì)算方法得出一個(gè)唯一的輸出量，傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行各項(xiàng)調(diào)節(jié)。2.3 模糊控制特點(diǎn)模糊控制是在最近的短短十多年來發(fā)展相當(dāng)迅速，這主要是歸結(jié)于模糊控制器的一些明顯的特點(diǎn)。模糊控制理論的特點(diǎn)主要變現(xiàn)在：1）模糊控制無需被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對被控對象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。2）模糊控制是一種反映人類智慧思維的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高” 、 “中” 、 “低” 、 “大” 、 “小”等，控制量由模糊推理導(dǎo)出。這些模糊量和模糊

28、推理是人類通常智能活動(dòng)的體現(xiàn)。3）模糊控制易被人們所接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，模糊控制中的只是表示、模糊規(guī)則和模糊推理是基于專家知識或熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn)。這些規(guī)則是以人類語言表示的。很明顯這些規(guī)則容易被一般人所接受和理解。如“衣服臟了，則投入洗滌劑較多，洗滌時(shí)間較長” 。4）模糊控制的構(gòu)造容易。用單片機(jī)等來構(gòu)造模糊控制器，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無異，模糊控制算法用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用專用模糊控制芯片直接構(gòu)造控制器。5）模糊控制的魯棒性和適應(yīng)性好。模糊控制系統(tǒng)無論被控對象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。2.4 模糊控制理論基礎(chǔ)2.4.12.4.1 模

29、糊集合模糊集合模糊集合是模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為了表示模糊概念，則引入模糊集合和隸屬度函數(shù)的概念： （2-1）其中 a 稱為模糊集合，由 0,1 及 構(gòu)成，表示元素 x 屬于模糊集合 a 的程度，取值范圍為0,1，稱 為 x 屬于模糊集合 a 的隸屬度。1）模糊集合的表示：模糊集合 a 由離散性元素構(gòu)成，表示為 （2-2）或 （2-3） 模糊集合 a 由連續(xù)性的函數(shù)構(gòu)成，各個(gè)元素的隸屬度就構(gòu)成了隸屬度函數(shù)（membership function） ，此時(shí) a 表示為：（2-4）在模糊集合的表達(dá)中，符號“/” 、 “+”和“”不代表數(shù)學(xué)意義上的除號、加號和積分，它們是模糊集合的一種表示方式，表示“

30、構(gòu)成”或“屬于” 。模糊集合是通過隸屬函數(shù)描述的，隸屬度的概念是模糊集合理論的基礎(chǔ)。2）模糊集合的運(yùn)算 由于模糊集是用隸屬函數(shù)來表征的，因此兩個(gè)子集之間的運(yùn)算實(shí)際上就是逐點(diǎn)對隸屬度作相應(yīng)的運(yùn)算。 空集 模糊集合的空集為普通集，它的隸屬度為 0，即axaxaxxa0) 1 , 0(1)(的程度屬于)(xa)(xaiixxxa/2211),( ,),(),(2211iixxxaxxaa/ )(全集模糊集合的全集為普通集，它的隸屬度為 1，即等集兩個(gè)模糊集 a 和 b，若對所有元素 u，它們的隸屬函數(shù)相等，則 a 和 b 也相等。即補(bǔ)集若 為 a 的補(bǔ)集，則 子集若 b 為 a 的子集，則并集若 c

31、 為 a 和 b 的并集，則c=ab一般地，交集若 c 為 a 和 b 的交集，則c=ab一般地，0)(uaa1)(ueaa)()(uubabaa)(1)(uuaaa)()(uuabab)()()(),(max()(uuuuubabababa 2.4.2 模糊算子模糊集合的邏輯運(yùn)算實(shí)質(zhì)上就是隸屬函數(shù)的運(yùn)算過程。采用隸屬函數(shù)的取大（max）-取?。╩in）進(jìn)行模糊集合的并、交邏輯運(yùn)算是目前最常用的方法。但還有其它公式，這些公式統(tǒng)稱為模糊算子。設(shè)有模糊集合 a、b 和 c，常用的模糊算子如下：1）交運(yùn)算算子設(shè) c=ab，有三種模糊算子： 模糊交算子 (2-5) 代數(shù)積算子 (2-6) 有界積算子

32、(2-7)2）并運(yùn)算算子設(shè) c=ab，有三種模糊算子：模糊并算子(2-8) 概率或算子(2-9)有界和算子 (2-10)()()(),(min()(uuuuubabababa)(),()(xxminxbac)()()(xxxbac1)()(, 0)(xxmaxxbac)(),()(xxmaxxbac)()()()()(xxxxxbabac)()(, 1)(xxminxbac3）平衡算子當(dāng)隸屬函數(shù)取大、取小運(yùn)算時(shí)，不可避免地要丟失部分信息，采用一種平衡算子，即“算子”可起到補(bǔ)償作用。設(shè)，則ca b= (2-11)其中 取值為0，1。當(dāng) =0 時(shí)， ，相當(dāng)于 ab 時(shí)的算子。當(dāng) =1 時(shí)， ，相當(dāng)

33、于 ab 時(shí)的算子。平衡算子目前已經(jīng)應(yīng)用于德國 inform 公司研制的著名模糊控制軟件fuzzy-tech 中。2.4.3 隸屬度函數(shù)1.概念對于一個(gè)特定的模糊集合來說，隸屬度函數(shù)基本上體現(xiàn)了所有的模糊性，所以這種描述也體現(xiàn)了模糊集合的特性和運(yùn)算的性質(zhì)。在經(jīng)典集合中，特征函數(shù)只能取 0 和 1 兩個(gè)數(shù)值，然而在模糊集合中，它的特征函數(shù)的取值范圍可以擴(kuò)大到0,1區(qū)間的任意連續(xù)值。為了把兩者之間區(qū)分開來，就把模糊集合的特征函數(shù)稱作隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)是模糊集合論的基礎(chǔ)，因而如何確定隸屬度函數(shù)就是一個(gè)關(guān)鍵的問題。由于模糊集理論研究的對象具有“模糊性”和“經(jīng)驗(yàn)性” 。因此找到一種統(tǒng)一的隸屬度函數(shù)計(jì)

34、算方法是不現(xiàn)實(shí)的。盡管隸屬度函數(shù)的方法帶有主觀因素，但是主管的反映和客觀的存在時(shí)有一定聯(lián)系的，是受到客觀制約的，隸屬度函數(shù)實(shí)質(zhì)上反映的是事物的漸變性。)(1 ()(1 (1)()()(1xxxxxbabac)()()(xxxbac)()()()()(xxxxxbabac2.幾種典型的隸屬度函數(shù)在 matlab 中已經(jīng)開發(fā)出了 11 種隸屬函數(shù)，即雙 s 形隸屬度函數(shù)（dsigmf） 、聯(lián)合高斯型隸屬度函數(shù)（gauss2mf） 、高斯型隸屬度函數(shù)（gaussmf） 、廣義鐘形隸屬度函數(shù)（gbellmf） 、ii 型隸屬度函數(shù)(pimf)、雙 s 形乘積隸屬度函數(shù)（psigmf） 、s 狀隸屬度函

35、數(shù)（smf） 、s 形隸屬度函數(shù)（sigmf） 、梯形隸屬度函數(shù)（trapmf） 、三角形隸屬度函數(shù)（trimf） 、z形隸屬度函數(shù)（zmf） 。在模糊控制中應(yīng)用較多的隸屬度函數(shù)有以下 6 種隸屬度函數(shù)。1）高斯型隸屬度函數(shù)高斯型隸屬函數(shù)由兩個(gè)參數(shù) 和 c 確定： (2-12)22()2( , )x cf xce其中參數(shù) b 通常為正，參數(shù) c 主要用于確定曲線的中心。matlab 表示為：2）廣義鐘型隸屬度函數(shù)廣義鐘型隸屬度函數(shù)由三個(gè)參數(shù) a，b，c 確定：(2-13)其中參數(shù) b 通常為正，參數(shù) c 主要用于確定曲線的中心。matlab 表示為：3) s 形隸屬度函數(shù)s 形隸屬度函數(shù) si

36、gmf(x,a c)由參數(shù) a 和 c 決定：c), gaussmf(x,bacxcbaxf211),(c)b,a,gbellmf(x,(2-14)其中參數(shù) a 的正、負(fù)符號決定了 s 形隸屬度函數(shù)的開口朝左或者是朝右，用來表示“正大”或“負(fù)大”的概念。matlab 表示為 ： ( , , )sigmf x a c4）梯形隸屬度函數(shù)梯形曲線可由四個(gè)參數(shù) a，b，c，d 確定：(2-15)其中參數(shù) a 和 d 確定梯形的下底的兩個(gè)點(diǎn)，而參數(shù) b 和 c 確定梯形的上底的兩個(gè)點(diǎn)。 matlab 表示為：5)三角形隸屬度函數(shù)三角形曲線的形狀由三個(gè)參數(shù) a，b，c 確定：(2-16) 其中參數(shù) a 和

37、 c 確定三角形的底邊的兩個(gè)點(diǎn)，而參數(shù) b 確定三角形的頂點(diǎn)。 matlab 表示為： 6）z 形隸屬度函數(shù)dxdxccdxdcxbbxaabaxaxdcbaxf010),(d)c,b,a,trapmf(x,cxcxbbcxcbxaabaxaxcbaxf00),(c)b,a,trimf(x,)(11),(cxaecaxf這是基于樣條函數(shù)的曲線，因?yàn)槠涑尸F(xiàn)出了 z 形狀而得名。參數(shù) a 和b 確定了曲線的形狀。matlab 表示為：3.隸屬度函數(shù)的確定方法隸屬度函數(shù)是模糊控制的應(yīng)用基礎(chǔ)。目前為止還沒有形成一種比較完善的方法來確定隸屬度函數(shù)，現(xiàn)在主要是采用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的方法。通常的方法是初步確定粗略

38、的隸屬度函數(shù)，然后通過不斷的學(xué)習(xí)和不斷的實(shí)踐來進(jìn)行調(diào)整和完善。遵照這一原則的隸屬度函數(shù)的主要選擇方法有以下幾種。1）模糊統(tǒng)計(jì)法根據(jù)所提出的模糊控制的概念來進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，提出與之相對應(yīng)的模糊集 a，通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，確定不同元素隸屬于 a 的程度。 對模糊集 a 的隸屬度 = (2-17)2）主觀經(jīng)驗(yàn)法當(dāng)論域?yàn)殡x散型的論域時(shí)，可根據(jù)主觀認(rèn)識，結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和方法，經(jīng)過一定的分析和推理，直接給出隸屬度。因此這種確定隸屬函數(shù)的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成隸屬度函數(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)自動(dòng)調(diào)整隸屬度函數(shù)的值。2.4.4 模糊控制規(guī)則模糊控制器的核心是模糊控制規(guī)則

39、，規(guī)則的正確與否直接影響到模糊b)a,zmf(x,nau試驗(yàn)總次數(shù)的次數(shù)0控制器的性能，然而對于規(guī)則數(shù)目的多、少也是一個(gè)重要因素，因此我們將對模糊控制規(guī)則作進(jìn)一步的探討何研究。1.模糊控制規(guī)則的來源模糊控制規(guī)則的來源可通過下列的各種方式：1)專家豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識：在前面曾經(jīng)提到過模糊控制也稱為控制上的專家系統(tǒng)，專家豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識是設(shè)計(jì)上有力的線索。人類日常生活中，人們在判斷事情的時(shí)侯，使用語言的定性分析多于數(shù)值的定量分析；然而模糊控制規(guī)則提供了一個(gè)自然的架構(gòu)來描述人類的行為及決策分析，并且專家的知識通?？捎?if then 的型式來表示。在獲得系統(tǒng)的知識后，將知識改為 ifthen 的型式，

40、這樣便可構(gòu)成模糊控制規(guī)則，同時(shí)獲得和實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。2)操作員的操作模式：現(xiàn)在流行的專家系統(tǒng)，其想法只考慮了知識的獲得，同時(shí)也巧妙地操作了復(fù)雜的控制對象，但要將專家系統(tǒng)加以邏輯化并不是一件容易的事；因此，在控制上也要考慮技巧的獲得。雖然在許多工業(yè)系統(tǒng)中無法通過使用一般的控制理論來做正確的控制，但是熟練的操作員能在沒有數(shù)學(xué)模式的情況下，能夠成功地控制這些系統(tǒng)；因此，記錄操作員的操作模式，并將其整理為 if.then 的型式，可構(gòu)成一組控制規(guī)則。3)學(xué)習(xí)：為了改善和加強(qiáng)模糊控制器的性能，必須讓它有自我學(xué)習(xí)或自我組織的能力，所得到的模糊控制器能根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，增加或修改模糊控制規(guī)則。2.模糊控制

41、規(guī)則的型式模糊控制規(guī)則的型式主要可分為二種：1)狀態(tài)評估模糊控制規(guī)則：狀態(tài)評估（state evaluation）模糊控制規(guī)則主要類似于人類的直覺思考，因此大多數(shù)的模糊控制器都使用了這種模糊控制規(guī)則，其型式如下：ri：if x1 is ai1 and x2 is ai2.and xn is ain then y is ci 其中 x1,x2,.,xn 及 y 為語言變量或稱為模糊變量，代表了系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制變量；ai1,ai2,.,ain 及 ci 為語言值，代表了論域中的模糊集合。其次還有另一種表示的方法，是將后面部分改為系統(tǒng)狀態(tài)變量的函數(shù)，其型式如下：ri：if x1 is ai1 a

42、nd x2 is ai2.and xn is ain then yf(x1,x2,.,xn)2)目標(biāo)評估模糊控制規(guī)則：目標(biāo)評估（object evaluation）模糊控制規(guī)則能夠評估控制目標(biāo)，并且預(yù)測未來的控制信號，其型式如下：ri：if(u is ci(x is a1 and y is b1)then u is ci2.4.5 模糊推理1.模糊語句將含有模糊概念的語法規(guī)則所構(gòu)成的語句稱為模糊語句。根據(jù)其語義和構(gòu)成的語法規(guī)則不同，可分為以下幾種類型：1）模糊陳述句：語句本身具有模糊性，又稱為模糊命題。如：“今天天氣很好” 。2）模糊判斷句：是模糊邏輯中最基本的一種語句。語句形式：“是” ，記

43、作（） ，并且所表示的概念是模糊的。如“張三是好學(xué)生” 。3）模糊推理句：語句形式：若是則是。則表示為模糊推理語句。如“今天是晴天，則今天暖和” 。2.模糊推理常用的模糊條件推理語句有兩種：if a then b else c；if a and b then c下面以第二種推理語句為例進(jìn)行探討，該語句可構(gòu)成一個(gè)簡單的模糊控制器，如圖 1 所示：圖 1 輸入單輸出模糊控制器其中 a，b，c 分別為論域 x，y，z 上的模糊集合，a 為誤差信號上的模糊子集，b 為誤差變化率上的模糊子集，c 為控制器輸出上的模糊子集。模糊推理語句“if a and b then c”確定了三元模糊關(guān)系 r，即： (

44、2-18)1trc=(a b)其中為模糊關(guān)系矩陣構(gòu)成的 mn 列向量，n 和 m 分別1()ta b()m na b為 a 和 b 論域元素的個(gè)數(shù)?；谀：评硪?guī)則，根據(jù)模糊關(guān)系 r，可求得給定輸入和對應(yīng)的輸1a1b出為：1c (2-19)2111()tcabr=3.模糊關(guān)系方程將模糊關(guān)系 r 看成一個(gè)模糊變換器。當(dāng) a 為輸入時(shí)，b 為輸出，如圖所示:圖 2 模糊變換器可分為兩種情況討論：1）已知輸入 a 和模糊關(guān)系 r，求輸出 b，這是綜合評判，即模糊變換的問題。2）已知輸入 a 和輸出 b，求模糊關(guān)系 r，或已知模糊關(guān)系 r 和輸出 b，求輸入 a，這是模糊綜合評判的逆問題，需要求解出模

45、糊關(guān)系的方程。2.4.6 反模糊化通過模糊推理從而得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。但在實(shí)際模糊控制中，必須要有一個(gè)確定的值才能控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將模糊推理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值的過程稱為反模糊化。常用的反模糊化有以下三種：1)最大隸屬度法選取推理結(jié)果在模糊集合中隸屬度最大的元素作為輸出值，即 (2-20)其中如果在輸出論域 v 中，其最大隸屬度對應(yīng)的輸出值多于一個(gè)，則取所有具有最大隸屬度輸出的平均值，即： (2-21)其中n 為具有相同最大隸屬度輸出的總數(shù)。 最大隸屬度法不需要考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀，只考慮最大隸屬度處的輸出值。因此，難免會丟失許多信息。但是它的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單。在一些控制要求不高

46、的場合，可采用最大隸屬度法。)(max0vvvvvniivnv101)(maxvvvvvi2) 重心法為了獲得準(zhǔn)確的控制量，就要求模糊控制的方法能很好的表達(dá)輸出隸屬度函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。重心法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，即:(2-22)對于具有 m 個(gè)輸出量化級數(shù)的離散域情況：(2-23)與最大隸屬度法相比較，重心法具有更平滑的輸出推理控制。即使對應(yīng)于輸入信號的微小變化，輸出也會發(fā)生變化。3)加權(quán)平均法工業(yè)控制中廣泛使用的反模糊方法為加權(quán)平均法，輸出值由下式?jīng)Q定：(2-24)其中系數(shù) k 的選擇是根據(jù)實(shí)際的情況而定的。不同的系數(shù)就決定了系統(tǒng)具有不同的響應(yīng)特性。當(dāng)

47、系數(shù) k 所取的隸屬度時(shí)，就轉(zhuǎn)化為重心法。( )viv反模糊化方法的選擇與隸屬度函數(shù)形狀的選擇、推理方法的選擇相關(guān)。matlab 提供五種解模糊化方法：（1）centroid：面積重心法；（2）vvvvdvvdvvvv)()(0mkkvmkkvkvvvv110)()(miimiiikkvv110bisector：面積等分法；（3）mom：最大隸屬度平均法；（4）som：最大隸屬度取小法；（5）lom：大隸屬度取大法。在 matlab 中，可通過 setfis()設(shè)置解模糊化方法，通過 defuzz()執(zhí)行反模糊化運(yùn)算。2.5 模糊控制器模糊控制器,也稱為模糊邏輯控制器（fuzzy logic

48、controllerflc）,由于所采用的模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語句來描述的，因此模糊控制器是一種語言型控制器，故也稱為模糊語言控制器（fuzzy language controllerflc） 。2.5.1 模糊控制器的組成模糊控制器由模糊化接口、知識庫、推理機(jī)和解模糊接口組成，其組成框圖如圖 3 所示：1.模糊化接口模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實(shí)際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模糊矢量。對于一個(gè)模糊輸入變量 e，其模糊子集通?？梢宰魅缦路绞絼澐郑?）=負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大=nb, ns, zo, ps,

49、 pb2）=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大=nb, nm, ns, zo, ps, pm, pb3）=大，負(fù)中，負(fù)小，零負(fù)，零正，正小，正中，正大=nb, nm, ns, nz, pz, ps, pm, pb2. 知識庫（knowledge basekb）知識庫推理決策模糊化接口精確化接口被控對象flc給定 + 圖 3 模糊邏輯控制器的基本結(jié)構(gòu)知識庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分構(gòu)成：1）數(shù)據(jù)庫（data basedb） 數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值（即經(jīng)過論域等級離散化以后對應(yīng)值的集合） ，若論域?yàn)檫B續(xù)域則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向

50、推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。2）規(guī)則庫（rule baserb） 模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動(dòng)操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。模糊規(guī)則通常有一系列的關(guān)系詞連接而成，如 if-then、else、also、end、or 等，關(guān)系詞必須經(jīng)過“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。最常用的關(guān)系詞為 if-then、also，對于多變量模糊控制系統(tǒng)，還有 and 等。例如，某模糊控制系統(tǒng)輸入變量為（誤差）和（誤差變化） ，它們對應(yīng)的語言變量為 e 和 ec，可給出一組模糊規(guī)則：r1: if e is nb and ec is nb then u is pbr2: if e is nb

51、and ec is ns then u is pm通常把 if部分稱為“前提部” ，而 then部分稱為“結(jié)論部” ，其基本結(jié)構(gòu)可歸納為 if a and b then c,其中 a 為論域 u 上的一個(gè)模糊子集，b 是論域 v 上的一個(gè)模糊子集。根據(jù)人工控制經(jīng)驗(yàn)，可離線組織其控制決策表 r, r 是笛卡兒乘積集上的一個(gè)模糊子集，則某一時(shí)刻其控制量由下式給出： （2-25） 式中 表示模糊直積運(yùn)算； 表示模糊合成運(yùn)算。規(guī)則庫是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。規(guī)則條數(shù)和模糊變量的模糊子集劃分有關(guān)，劃分越細(xì)，規(guī)則條數(shù)越多，但并不代表規(guī)則庫的準(zhǔn)確度越高，規(guī)則庫的“準(zhǔn)確性

52、”還與專家知識的準(zhǔn)確度有關(guān)。3.推理機(jī)（inference engine）推理機(jī)是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考慮到推理時(shí)間，通常采用運(yùn)算較簡單的推理方法。最基本的有 zadeh 近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。4.解模糊接口（defuzzy-interface）推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常把輸出端具有轉(zhuǎn)換rbac功能作用的部分稱為解模糊接口。2.5.2

53、 模糊控制器的結(jié)構(gòu)在確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)輸入變量和輸出變量的個(gè)數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。在模糊控制系統(tǒng)中也可類似地劃分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。1. 單變量模糊控制器在單變量模糊控制器（single variable fuzzy controllersvfc）中，將其輸入變量的個(gè)數(shù)定義為模糊控制的維數(shù)。 1）一維模糊控制器 如圖所示，一維模糊控制器的輸入變量往往選擇為受控量和輸入給定的偏差量 e。由于僅僅采用偏差值，很難反映過程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)，因此，所能獲得的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能是不能令人滿意的。這種一維模糊控制器往往被用于一階被控對象。一維模糊控制器eu圖 4 一維模糊控制

54、器2）二維模糊控制器 如圖所示，二維模糊控制器的兩個(gè)輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的偏差 e 和偏差變化 ec，由于它們能夠較嚴(yán)格地反映受控過程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性，因此，在控制效果上要比一維控制器好得多，也是目前采用較廣泛的一類模糊控制器。二維模糊控制器d/dteeec圖 5 二維模糊控制器3）三維模糊控制器 如圖所示，三維模糊控制器的三個(gè)輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量 e、偏差變化量 ec 和偏差變化的變化率 ecc。由于這些模糊控制器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長，因此除非對動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場合，一般較少選用三維模糊控制器。三維 模糊控制器d/dtd/dteeccece圖 6 三維模

55、糊控制器模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過于復(fù)雜，這是人們在設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)時(shí)，多數(shù)采用二維控制器的原因。2. 多變量模糊控制器 一個(gè)多變量模糊控制器（multiple variable fuzzy controller）系統(tǒng)所采用的模糊控制器，具有多變量結(jié)構(gòu)，稱之為多變量模糊控制器。如圖 7 所示。要直接設(shè)計(jì)一個(gè)多變量模糊控制器是相當(dāng)困難的，可利用模糊控制器本身的解耦特點(diǎn)，通過模糊關(guān)系方程求解，在控制器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦，即將一個(gè)多輸入-多輸出（mimo）的模糊控制器，分解成若干個(gè)多輸入-單輸出（miso）的模糊控制器，這樣可采用單

56、變量模糊控制器方法設(shè)計(jì)。模 糊控 制器v1vmu1un圖 7 多變量模糊控制器2.5.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是將一系列模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)化為一個(gè)查詢表（又稱為控制表） 。這種模糊控制其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是最基本的一種形式。本節(jié)以單變量二維模糊控制器為例，介紹這種形式模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟，其設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)其他模糊控制器的基礎(chǔ)。以下為模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟：1）模糊控制器的結(jié)構(gòu)單變量二維模糊控制器是最常見的結(jié)構(gòu)形式。2）定義輸入輸出模糊集對誤差 e、誤差變化 ec 及控制量 u 的模糊集及其論域定義如下：e、ec 和 u 的模糊集均為： ；e、ec 的論域均為：-3，-2，

57、-1，0，1，2，3；u 的論域?yàn)椋?4.5,-3,-1.5,0,1,3,4.5。3）定義輸入輸出隸屬函數(shù)pbpmpsznsnmnb,模糊變量誤差 e、誤差變化 ec 及控制量 u 的模糊集和論域確定后，需對模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，確定論域內(nèi)元素對模糊語言變量的隸屬度。4）建立模糊控制規(guī)則根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢來設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則語句構(gòu)成了描述眾多被控過程的模糊模型。5）建立模糊控制表模糊控制規(guī)則可采用模糊規(guī)則表 1 來描述，共 49 條模糊規(guī)則，各個(gè)模糊語句之間是或的關(guān)系，由第一條語句所確定的控制規(guī)則可以計(jì)算出 u1。同理，可以由其余各條語句分別求出控

58、制量 u2,u49，則控制量為模糊集合 u 可表示為： （2-26） 表 1 模糊規(guī)則表6）模糊推理模糊推理是模糊控制的核心，它利用某種模糊推理算法和模糊規(guī)則進(jìn)行推理，得出最終的控制量。4921uuuue u nb nm ns zo ps pm pb nb pb pb pm pm ps zo zo nm pb pb pm ps ps zo ns ec ns pm pm pm ps zo ns ns zo pm pm ps zo ns nm nm ps ps ps zo ns ns nm nm pm ps zo ns nm nm nm nb pb zo zo nm nm nm nb nb 7）反

59、模糊化通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。但在實(shí)際模糊控制中，必須要有一個(gè)確定值才能控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值的過程稱為反模糊化。常用的反模糊化有三種：最大隸屬度法、重心法和加權(quán)平均法。反模糊化方法的選擇與隸屬度函數(shù)形狀的選擇、推理方法的選擇相關(guān)。3.單路口交通燈控制系統(tǒng)單交叉路口交通控制就是確定交叉路口紅綠燈的信號配時(shí),使通過交叉口的車輛延誤盡可能小。傳統(tǒng)的控制一般是采用模型控制或預(yù)先人為地設(shè)定多套方案,實(shí)踐表明這種方法的控制效果并不理想。由于道路上的交通流具有較大的隨機(jī)性和相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性,所實(shí)施的相位控制也應(yīng)隨交通流的不同而相應(yīng)變化。近年來用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的控

60、制,得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,但同時(shí)考慮多相位和倒計(jì)時(shí)問題的研究并不多見。本文提出根據(jù)當(dāng)前相和后繼相的車輛等待長度確定單路口多相位信號配時(shí)的方法。該模糊控制方法可用于安裝倒計(jì)時(shí)器的路口,具有良好的實(shí)用性。matlab 是國際上流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語言和軟件工具,其提供的模糊邏輯工具箱拓展了 matlab 對模糊邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力,已經(jīng)成為運(yùn)用模糊手段解決工程問題的有力工具。本文用 matlab 軟件并結(jié)合其模糊邏輯工具箱,實(shí)現(xiàn)了該模糊控制器及其仿真。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明控制效果優(yōu)于定時(shí)控制。3.1 交通信號模糊控制思想單交叉路口交通流分布如圖 8 所示。東、南、西、北四個(gè)方向均有右行、直行和