智能控制課后習(xí)題

1、作業(yè) 11 簡(jiǎn)述智能控制的概念。定義一 : 智能控制是由智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程。定義二：K.J.奧斯托羅姆則認(rèn)為，把人類具有的直覺(jué)推理和試湊法等智能加以形式化或機(jī)器模擬，并用于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中，以期在一定程度上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，這就是智能控制。定義三 : 智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制，也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。2 智能控制由哪幾部分組成？各自的特點(diǎn)是什么？智能控制由人工智能、自動(dòng)控制、運(yùn)籌學(xué)組成。人工智能是一個(gè)知識(shí)處理系統(tǒng)，具有記憶、學(xué)習(xí)、信息處理、形式語(yǔ)言、啟發(fā)推理等功能。自動(dòng)控制描述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，是一種動(dòng)態(tài)反饋。運(yùn)

2、籌學(xué)是一種定量?jī)?yōu)化的方法。如線性優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，調(diào)度管理，優(yōu)化決策和多目標(biāo)優(yōu)化的方法等等。3 比較智能控制和傳統(tǒng)控制的特點(diǎn)？1)傳統(tǒng)控制方法在處理復(fù)雜性、不確定性方面能力低而且有時(shí)喪失了這種能力，智能控制在處理復(fù)雜性、不確定性方面能力高2)傳統(tǒng)控制是基于被控對(duì)象精確模型的控制方式，可謂“模型論”智能控制是智能決策論，相對(duì)于“模型論”可稱為“控制論”3) 傳統(tǒng)的控制為了控制必須建模，而利用不精確的模型又采用摸個(gè)固定控制算法，使整個(gè)的控制系統(tǒng)置于模型框架下，缺乏靈活性，缺乏應(yīng)變性，因此很難勝任對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制智能控制的可信是控制決策，次用靈活機(jī)動(dòng)的決策方式迫使控制朝著期望的目標(biāo)逼近。4) 傳統(tǒng)控制

3、適用于解決線性、時(shí)不變等相對(duì)簡(jiǎn)單的的控制問(wèn)題智能控制是對(duì)傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，傳統(tǒng)控制室智能控制的一個(gè)組成部分，是智能控制的低級(jí)階段。4 智能控制有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？試舉出一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。應(yīng)用領(lǐng)域：模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家控制、工業(yè)想、系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、機(jī)器人等其他領(lǐng)域的控制。應(yīng)用實(shí)例：模糊控制的交流伺服系統(tǒng)作業(yè) 21 .在完成上次作業(yè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化，給出使用智能控制的必要性，以及智能控制結(jié)果的驗(yàn)證比較方法；傳統(tǒng)控制方法包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制，是基于被控對(duì)象精確模型的控制方 式，缺乏靈活性和應(yīng)變能力，只適用于解決線性、時(shí)不變線等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制問(wèn) 題。而現(xiàn)代的控制系統(tǒng)存在著復(fù)雜性、時(shí)變性、非線性、不

4、確定性和不完全性等, 很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。由于智能控制將控制理論的方法和人工智能技術(shù)靈活 的結(jié)合起來(lái)，其控制方法適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性， 所以使用智能控制很有 必要。2 .完成下頁(yè)作業(yè)，需要程序和結(jié)果思考題與習(xí)題3 I已知年齡的論域?yàn)?，山丈年老?！焙?岑輕Y"兩個(gè)模糊集的隸屬函數(shù)分別。W 口 30)W曰(25+25<a<200試設(shè)計(jì)“很年輕W” J不若也未年輕V"兩個(gè).糊集的隸屬函數(shù),并采用XWI北實(shí)現(xiàn)針環(huán) 上述4個(gè)隸屬函數(shù)的仿真口強(qiáng)化算H4H3H2H1.5子極其三下常很相當(dāng)解：(1)語(yǔ)言算子“很”人=2,即風(fēng)(a) (a)=(a)“很年輕”模糊集隸屬度

5、函數(shù)%(a)=00 a 2521 (a-50)2525 a 200(2) “不老也不年輕”模糊集隸屬度函數(shù)1小(a)=111121a 50521a 5050 a25 a51.9 a2551.9200%Membership function for Old People for k=1:1:2001x(k)=(k-1)*0.10;if x(k)>=0&x(k)<=50y(k)=0;elsey(k)=1/(1+(x(k)-50)巧(-2);endendplot(x,y,'b');xlabel('XYears');ylabel('Degre

6、e of membership');pnoreo me mf o epraeD0 020406080100120140160180200XYears%Membership function for Young People clear all;close all;for k=1:1:2001x(k)=(k-1)*0.10;if x(k)>=0&x(k)<=25 y(k)=1.0;elsey(k)=1/(1+(x(k)-50)/542);endendplot(x,y,'b');xlabel('XYears');ylabel('D

7、egree of membership');.9,876,5/32J ooooooooo HhsreD me mf o eftraeD0 020406080100120140160180200XYears%Membership function for Very Young Peoplefor k=1:1:2001x(k)=(k-1)*0.10;if x(k)>=0&x(k)<=25y(k)=0;elsey(k)=(1/(1+(x(k)-50)/5)A2)A2;endendplot(x,y,'b');xlabel('X Years')

8、;ylabel('Degree of membership');pnoreo me mf o epraeD0 020406080100120140160180200X Years%Membership function for Not Old People and Not Young Peoplefor k=1:1:2001x(k)=(k-1)*0.10;if x(k)>=0&x(k)<=25;y(k)=1;elseif x(k)>=25&x(k)<=51.9;y(k)=1-1/(1+(x(k)-50)/5)A2);elsey(k)=1-

9、1/(1+(x(k)-50)/5)A(-2);endendplot(x,y,'b');xlabel('X Years');ylabel('Degree of membership');pnoreo me mf o epraeD0 020406080100120140160180200X Years作業(yè)34-1模糊控制器有哪幾部分組成？各完成什么功能?候出圖4 2模糊控制器的組成框圖答：模糊控制系統(tǒng)的主要部件是模糊化過(guò)程、知識(shí)庫(kù)（數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)）、推理 決策和精確化計(jì)算。1模糊化接口(Fsy imerface)模糊控制器的輸入必績(jī)通過(guò)模制化才能用于

10、控制輸出因此它實(shí)際上是模材控制器的輸 人接口，其主要作用是將真實(shí)的瑜定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模物矢量.對(duì)于一個(gè)模糊輸入變量f, 其模糊子集通?？梢赃M(jìn)行如下方式劃分，(De - (負(fù)大，負(fù)小.零,正小學(xué)正大 - <NB. NS. ZO, PS. PB(2= (負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小零，正小，正中，正大 = (NB, NM, NS, ZO> PS, PM, PB)，三大.負(fù)中負(fù)小零負(fù)零正,正小.正中,正大 = (NB, NM, NS, NZ, PZ, ES, PM, PB)將(3)用三用形隸屬度函數(shù)表示如圖4-3所示.2.知識(shí)庫(kù)(Knowledge Base,KB)知識(shí)庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分構(gòu)成

11、。(1) 數(shù)據(jù)庫(kù)(Data Base.DB)數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)論域等級(jí) 離散化以后對(duì)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(guò)程中,向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。(2)規(guī)則庫(kù)(Rule BaseRB)模糊控制器的規(guī)則庫(kù)基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)晚，它是按人的直覺(jué)推 理的一種語(yǔ)百表K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(guò)“翻譯”才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。最常用的關(guān)系詞為if-themako,對(duì)于多 變址模糊控制系統(tǒng)，還有and等。例如某

12、模被控制系統(tǒng)輸入變最為e(誤差)和*誤差變化)， 它們對(duì)應(yīng)的謂言變量為E和EC,可給出一組模糊秘則為R, > IF E is NB and EG in ZB then (J is PBR2 ； IF E is NB and EC is NS then U is PM通常把if部分稱為,'前提部而then- 部分即為“結(jié)論部”我基本結(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)模糊于集，B是論域”上的一個(gè)模糊子集根據(jù) 人工控?fù)斫?jīng)驗(yàn),可附緩組織共控制決策表R.R是折卡兒乘視第UXY上的一個(gè)模糊于集,則某 一時(shí)刻其控制量由下式給出<7 = <A X

13、 B> R<4. 2)式中X為模糊交枳運(yùn)管一為模糊合成運(yùn)算。規(guī)則庫(kù)是用來(lái)存放全部模糊桂制規(guī)則的，在推即時(shí)為“推網(wǎng)機(jī)”提供控制規(guī)則.由上述可 知，規(guī)則的條數(shù) f 模糊變餐的模糊 子集劃分有關(guān)劃分越細(xì)，地則條敷越冬,但并不代表規(guī)則© 的準(zhǔn)確度越高，規(guī)則庫(kù)的“準(zhǔn)確性”還與專家知識(shí)的準(zhǔn)確度有關(guān)，4-2模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟如下：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(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。2、定義輸入、輸出模糊集對(duì)誤差e、誤差變化ec及控制量u的模糊集論域定義如下：，銃和孤的模糊集均為的的的色域均為；一3, 一 2-1,0.1,2.3« 的論域?yàn)椋?4, 5

14、7; 3 j 1* 5,0,1,3,4.53、定義輸入、輸出隸屬函數(shù)對(duì)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(duì)模糊變量確定隸 屬函數(shù)，即對(duì)模糊變量賦值，確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊變量的隸屬度。4、建立模糊控制規(guī)則根據(jù)人的直覺(jué)思維推理，有系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢(shì)來(lái)設(shè)計(jì)消除系統(tǒng) 誤差的模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則語(yǔ)句構(gòu)成了描述眾多被控過(guò)程的模糊模型。 例如衛(wèi)星的姿態(tài)與作用的關(guān)系、工業(yè)鍋爐中的壓力與加熱的關(guān)系等， 都可用模糊 規(guī)則來(lái)描述。在條件語(yǔ)句中，誤差e、誤差變化ec及控制量u對(duì)于不同的被控對(duì) 象有著不同的意義。5、建立模糊控制表上述描寫(xiě)的模制控制規(guī)則可采用模糊規(guī)則表4-5來(lái)描述，

15、表中共49條模糊規(guī)則各個(gè)模糊 語(yǔ)句之間是“或”的關(guān)系.由第一條語(yǔ)句所確定的控制規(guī)則可以計(jì)算出修,同理,可以由其余各 條語(yǔ)句分別求出控制量明.皿妙，則控制量為模糊集合U可表示為口 = +十 '的（4. 4 ）*45 橫幡痍則裹UfNRNMNS0PSFMPHNBPHPHPMPMFS20ZONMPLiPRPMPSPSZQNSNSPMPMPMPSZDNSNSPMPMPSzoNSNMNMPSPSPSzoNSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBzoZONMNMNMNBNB6、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。7、反模糊化通過(guò)腹

16、就理得到的結(jié)果是一個(gè)模雌隊(duì)但假際模獨(dú)制巾皿須要有一個(gè)賴值才 能酬或驅(qū)動(dòng)執(zhí)彳湖機(jī)將懶推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為楙值的過(guò)程稱為反翻化君用的醺雌 有3種.(1)最大隸屬度法(2)重心法(3)加權(quán)平均法4-3已知某一爐溫控制系統(tǒng)，要求溫度保持在 600c恒定。針對(duì)該控制系統(tǒng)有以 下控制經(jīng)驗(yàn)：(1)若爐溫低于600C ,則升壓；低得越多升壓越高。(2)若爐溫高于600C ,則降壓；高得越多降壓越低。(3)若爐溫等于600C ,則保持電壓不變。設(shè)模糊控制器為一維控制器，輸入語(yǔ)言變量為誤差，輸出為控制電壓。兩個(gè)變量 的量化等級(jí)為七級(jí)、取五個(gè)語(yǔ)言值。隸屬度函數(shù)根據(jù)確定的原則任意確定。試設(shè) 計(jì)隸屬度的函數(shù)誤差變化劃分表、控

17、制電壓變化劃分表和模糊控制規(guī)則表。那么輸入語(yǔ)言變量為誤差，輸出為控制電壓。兩個(gè)變量的量化等級(jí)為七級(jí)、取五個(gè)語(yǔ)言值。量化等級(jí)為七級(jí)量化等級(jí)-3-2-10123五個(gè)語(yǔ)言值PB、PS、ZE、NS、NB給定值600 c模糊控制器選用的系統(tǒng)的實(shí)際溫度 T與溫度給定值Td的誤差e ,T d-T作為輸 入語(yǔ)言變量，把控制加熱裝置的供電電壓 u選作輸出語(yǔ)言變量。誤差隸屬度函數(shù)/模糊輸出量隸屬函數(shù)Ke=0.01Ku=20/3溫度c900以上800700600500400300以下誤差e-300-200-1000100200300控制電壓u10202530354050量化等級(jí)-3-2-10123狀態(tài)變量誤差隸屬度

18、函數(shù)/模糊輸出量隸屬函數(shù)PB000000.31PS00000.410.4ZE000.110.100NS0.410.40000NB10.300000規(guī)則庫(kù)的制定ENBNMNSZEPMPSPBUPBPMPSZENSNMNB 14-4已知被控對(duì)象為G(s) e0.5s,假設(shè)系統(tǒng)給定為階躍值r=30,米樣時(shí)10s 1間為0.5s,系統(tǒng)的初始值r(0) 0 ,試分別設(shè)計(jì)，(1)常規(guī)的PID控制器；(2)常規(guī)的模糊控制器；(3)模糊PID控制器；分別對(duì)上述三種控制器進(jìn)行 matlab仿真，并比較控制效果。(1)基于simulink的常規(guī)的PID控制器的仿真及其調(diào)試:利用Z-N整定公式，算出Kp, Ki,

19、Kd 分別為：18,1.65,0。示波器觀察到的波形為:(2)基于simulink的模糊控制器的仿真及其調(diào)試:J(3)模糊PID控制器啟動(dòng)matlab后，在主窗口中鍵入fuzzy回車，確定模糊控制器結(jié)構(gòu)：根據(jù)具體的系統(tǒng)確定輸入輸出量。選取二維控制結(jié)構(gòu)，輸入誤差e,和誤差變化量 ec,輸出u屏幕上就會(huì)顯現(xiàn)出如下圖所示的“FISEditor”界面，即模糊推理系統(tǒng)編輯器。雙擊輸入量或輸出量?？蛑械娜魏我粋€(gè)，都會(huì)彈出隸屬函數(shù)編輯器，簡(jiǎn)稱MF編輯器在FIS Editor界面順序單擊菜單 EditorRules出現(xiàn)模糊規(guī)則編輯£3Rule Editor: 11101 ulFile Edit Vi

20、evu Options本次設(shè)計(jì)采用雙輸入（偏差E和偏差變化量EC）單輸出（U）模糊控 制器，E的論域是-6,6, EC的論域是-6,6 , U的論域是-6,6。它們 的狀態(tài)分別是負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、 正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）。語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)選擇三 角形的隸屬度函數(shù)。推理規(guī)則選用 Mamdani控制規(guī)則。該控制器的控制規(guī)則表如圖所示:E、ZBN"zsZOPSPMPBMBPBPBPBPBPMPSZOWPBPBPBPMPSZ。ZOMSPBPMPMPMZQ乙。z號(hào)zoPN£PSPSN。NTSz與XMPSPSZOZOZ3NMZMZE

21、PMZOzoNSNMNBZHNHPBZONSZBNDNBMBaaSimulink仿真圖如下:nsFgLMECoHlmDef6ns*0unEdiJimGM1_TraMterpm TranSf*fl,口心在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)加入積分調(diào)節(jié)器有助于消除靜差，通過(guò)試湊法得出量化因子，比例因子以及積分常數(shù)。Ke, Kec, Ku, Ki分別是:3 , 2.5 , 3.5 , 0.27通過(guò)比較PID控制器和模糊PID控制，我們可知兩個(gè)系統(tǒng)觀察到 的波形并沒(méi)有太大的區(qū)別。相對(duì)而言，對(duì)于給出精確數(shù)學(xué)模型的控制 對(duì)象，PID控制器顯得更具有優(yōu)勢(shì)，其一是操作簡(jiǎn)單，其二是調(diào)節(jié)三 個(gè)參數(shù)可以達(dá)到滿意的效果；對(duì)于給出給出精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì) 象，模糊控制器并沒(méi)有展現(xiàn)出太大的優(yōu)勢(shì)，其一是操作繁瑣，其二是 模糊控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的難度并不亞于 PID控制器。在實(shí)驗(yàn)中增大模糊控制器的比例因子 Ku會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 但Ku過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出上升速率過(guò)快，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的 超調(diào)量乃至發(fā)生振蕩；Ku過(guò)小，系統(tǒng)輸出上升速率變小，將導(dǎo)致系 統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度變差。作