模糊控制算法簡介

1、第三章第三章 模糊控制模糊控制余余 伶伶 俐俐Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)23.1 模糊控制的工作原理模糊控制的工作原理 n 模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想將人類專家對特定對象的控制經(jīng)驗，運用模糊集理論進行量化，轉(zhuǎn)化為可數(shù)將人類專家對特定對象的控制經(jīng)驗，運用模糊集理論進行量化，轉(zhuǎn)化為可數(shù)學(xué)實現(xiàn)的控制器，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。學(xué)實現(xiàn)的控制器，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。 人類專家的控制經(jīng)驗是如何轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制器的人類專家的控制經(jīng)驗是如何轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制器的 ？人類對熱水器水溫的調(diào)節(jié)

2、人類對熱水器水溫的調(diào)節(jié)控制思想：控制思想：如果水溫偏高，就把燃氣閥關(guān)?。蝗绻疁仄?，就把燃氣閥關(guān)??；如果水溫偏低，就把燃氣閥開大。如果水溫偏低，就把燃氣閥開大。Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)33.1 模糊控制的工作原理模糊控制的工作原理 模仿人類的調(diào)節(jié)經(jīng)驗，可以構(gòu)造一個模糊控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對熱水器的控制。模仿人類的調(diào)節(jié)經(jīng)驗，可以構(gòu)造一個模糊控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對熱水器的控制。 n 用一個溫度傳感器來替代左手進行對水溫的測量，傳感器的測量值經(jīng)用一個溫度傳感器來替代左手進行對水溫的測量，傳感器的測

3、量值經(jīng)A/D變變換后送往控制器。換后送往控制器。 n 電磁燃氣閥代替右手和機械燃氣閥作為執(zhí)行機構(gòu)，電磁燃氣閥的開度由控制電磁燃氣閥代替右手和機械燃氣閥作為執(zhí)行機構(gòu)，電磁燃氣閥的開度由控制器的輸出經(jīng)器的輸出經(jīng)D/A變換后控制。變換后控制。 n 構(gòu)造控制器，使其能夠模擬人類的操作經(jīng)驗。構(gòu)造控制器，使其能夠模擬人類的操作經(jīng)驗。人類的控制規(guī)則人類的控制規(guī)則如果水溫比期望值如果水溫比期望值高高，就把燃氣閥關(guān)，就把燃氣閥關(guān)小??；如果水溫比期望值如果水溫比期望值低低，就把燃氣閥開，就把燃氣閥開大大。描述了輸入（水溫與期望值的偏差描述了輸入（水溫與期望值的偏差 e）和輸出（燃氣閥開度的增量）和輸出（燃氣閥開度

4、的增量 u）之間的模糊關(guān)系之間的模糊關(guān)系RResearch Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)43.1 模糊控制的工作原理模糊控制的工作原理 輸入輸入e輸出輸出u模糊推理模糊推理規(guī)則庫規(guī)則庫RD/A電磁閥電磁閥熱水器熱水器溫度溫度傳感器傳感器A/D期望值期望值eu模糊值模糊值精確值精確值模糊化模糊化去模糊化去模糊化熱水器水溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱水器水溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)53.

5、1 模糊控制的工作原理模糊控制的工作原理 模糊控制器的基本工作原理模糊控制器的基本工作原理 將測量得到的被控對象的狀態(tài)經(jīng)過模糊化接口轉(zhuǎn)換為用人類自然語將測量得到的被控對象的狀態(tài)經(jīng)過模糊化接口轉(zhuǎn)換為用人類自然語言描述的模糊量，而后根據(jù)人類的語言控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理得言描述的模糊量，而后根據(jù)人類的語言控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理得到輸出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經(jīng)過清晰化接口轉(zhuǎn)到輸出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經(jīng)過清晰化接口轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)能夠接收的精確量。換為執(zhí)行機構(gòu)能夠接收的精確量。 Research Center of Intelligent System and Intelli

6、gent Software, (CSU)63.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)通常由四個部分組成：模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)通常由四個部分組成：n 模糊化接口模糊化接口n 規(guī)則庫規(guī)則庫n 模糊推理模糊推理n 清晰化接口清晰化接口Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)73.2.1 模糊化接口模糊化接口 3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 模糊化就是通過在控制器的輸入、輸出論域上定義語言變量，來將精確的輸入、模糊化就是通過在控制器的輸入、輸出論域上定

7、義語言變量，來將精確的輸入、輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值。輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值。 模糊化接口的設(shè)計步驟事實上就是定義語言變量的過程，可分為以下幾步模糊化接口的設(shè)計步驟事實上就是定義語言變量的過程，可分為以下幾步：1) 語言變量的確定語言變量的確定針對模糊控制器每個輸入、輸出空間，各自定義一個語言變量。針對模糊控制器每個輸入、輸出空間，各自定義一個語言變量。 通常取系統(tǒng)的誤差值通常取系統(tǒng)的誤差值e和誤差變化率和誤差變化率ec為模糊控制器的兩個輸入，在為模糊控制器的兩個輸入，在e的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“誤差誤差E”，在，在ec的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“誤誤差變化差

8、變化EC”；在控制量；在控制量u的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“控制量控制量U”。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)83.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 2)語言變量論域的設(shè)計語言變量論域的設(shè)計 在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域。例如，可以將域。例如，可以將E的論域定義為的論域定義為-m, -m+1, , -1, 0, 1, , m-1, m；將；將EC的論域定

9、義為的論域定義為-n, -n+1, , -1, 0, 1, , n-1, n；將；將U的論域定義為的論域定義為-l, -l+1, , -1, 0, 1, , l-1, l。?為了提高實時性，模糊控制器常常以控制查詢表的形式出現(xiàn)。該表反映為了提高實時性，模糊控制器常常以控制查詢表的形式出現(xiàn)。該表反映了通過模糊控制算法求出的模糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點上了通過模糊控制算法求出的模糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點上的對應(yīng)關(guān)系。為了能方便地產(chǎn)生控制查詢表，在模糊控制器的設(shè)計中，的對應(yīng)關(guān)系。為了能方便地產(chǎn)生控制查詢表，在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域。通常就

10、把語言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)9如何實現(xiàn)實際的連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)換？如何實現(xiàn)實際的連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)換？ 通過引入量化因子通過引入量化因子ke、kec和比例因子和比例因子ku來實現(xiàn)來實現(xiàn) kekecd/dt模糊模糊控制器控制器ku期望值yeecEECUu假設(shè)在實際中，誤差的連續(xù)取值范圍是假設(shè)在實際中，誤差的連續(xù)取值范圍是e=eL,eH，eL表示低限值，表示低限值，eH表示高限表示高限值。則：值。則： LHeeemk2同理，假如誤

11、差變化率的連續(xù)取值范圍是同理，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，控制量的連續(xù)取值范圍是圍是u=uL,uH ，則量化因子，則量化因子kec和比例因子和比例因子ku可分別確定如下：可分別確定如下：LHecececnk2luukLHu23.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)10在確定了量化因子和比例因子之后，誤差在確定了量化因子和比例因子之后，誤差e和誤差變化率和誤差變化率ec可通過下式轉(zhuǎn)換為?？赏ㄟ^下式轉(zhuǎn)換

12、為模糊控制器的輸入糊控制器的輸入E和和EC： )2(LHeeeekE)2(LHececececkEC式中，式中，代表取整運算。代表取整運算。 模糊控制器的輸出模糊控制器的輸出U可以通過下式轉(zhuǎn)換為實際的輸出值可以通過下式轉(zhuǎn)換為實際的輸出值u： 2LHuuuUku3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)113) 定義各語言變量的語言值定義各語言變量的語言值 通常在語言變量的論域上，將其劃分為有限的幾檔。通常在語言變量的論域上，將其劃分為有限的幾檔。

13、例如，可將例如，可將E、EC和和U的劃分為的劃分為“正大（正大（PB）”，“正中正中(PM)”，“正?。ㄕ。≒S）”，“零（零（ZO）”，“負?。ㄘ撔。∟S）”，“負中（負中（NM）”，“負大（負大（NB）”七檔。七檔。 n 檔級多，規(guī)則制定靈活，規(guī)則細致，但規(guī)則多、復(fù)雜，編制程序困難，檔級多，規(guī)則制定靈活，規(guī)則細致，但規(guī)則多、復(fù)雜，編制程序困難，占用的內(nèi)存較多；占用的內(nèi)存較多；n 檔級少，規(guī)則少，規(guī)則實現(xiàn)方便，但過少的規(guī)則會使控制作用變粗而檔級少，規(guī)則少，規(guī)則實現(xiàn)方便，但過少的規(guī)則會使控制作用變粗而達不到預(yù)期的效果。達不到預(yù)期的效果。因此在選擇模糊狀態(tài)時要兼顧簡單性和控制效果。因此在選擇模

14、糊狀態(tài)時要兼顧簡單性和控制效果。 3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)124)定義各語言值的隸屬函數(shù)定義各語言值的隸屬函數(shù) n 隸屬函數(shù)的類型隸屬函數(shù)的類型 正態(tài)分布型（高斯基函數(shù)正態(tài)分布型（高斯基函數(shù) ）22)()(iiibaxAex其中，其中，ai為函數(shù)的中心值，為函數(shù)的中心值，bi為函數(shù)的寬度。為函數(shù)的寬度。假設(shè)與假設(shè)與PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB對應(yīng)的高斯基函數(shù)的中心值分別對應(yīng)的高斯基函數(shù)的中心值分別為為6，4，2，0，

15、-2，-4，-6，寬度均為，寬度均為2。隸屬函數(shù)的形狀和分布如圖所示。隸屬函數(shù)的形狀和分布如圖所示。 -6 -4 -2 0 2 4 6 0 0.5 1 NB NM NS ZO PS PM PB x 3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)13 三角型三角型 else 0 ),(1 ),(1)(cxbcucbbxaaxabxiA 梯型梯型 else , 0 dxc , , 1 ,)(cdxdcxbbxaabaxxiA3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計

16、模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)14n 隸屬函數(shù)確定時需要考慮的幾個問題隸屬函數(shù)確定時需要考慮的幾個問題 隸屬函數(shù)曲線形狀對控制性能的影響。隸屬函數(shù)曲線形狀對控制性能的影響。 隸屬函數(shù)形狀較尖時，分辨率較高，輸入引起的輸出變化比較劇烈，控隸屬函數(shù)形狀較尖時，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；制靈敏度較高； 曲線形狀較緩時、分辨率較低，輸入引起的輸出變化不那么劇烈，控制曲線形狀較緩時、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

17、有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。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）。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)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)15 隸屬函數(shù)曲線的分布對控制性能的影響隸屬函數(shù)曲線

18、的分布對控制性能的影響 兼顧控制靈敏度和魯棒性兼顧控制靈敏度和魯棒性相鄰兩曲線交點對應(yīng)的隸屬度值較小時，控制靈敏度較高，但魯棒性不好；相鄰兩曲線交點對應(yīng)的隸屬度值較小時，控制靈敏度較高，但魯棒性不好；值較大時，控制系統(tǒng)的魯棒性較好，但控制靈敏度將降低。值較大時，控制系統(tǒng)的魯棒性較好，但控制靈敏度將降低。 清晰性清晰性 相鄰隸屬函數(shù)之間的區(qū)別必須是明確的。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)分布不清晰的隸屬函數(shù)分布 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)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent Syste

19、m and Intelligent Software, (CSU)16 完備性完備性 屬函數(shù)的分布必須覆蓋語言變量的整個論域，否則，將會出現(xiàn)屬函數(shù)的分布必須覆蓋語言變量的整個論域，否則，將會出現(xiàn)“空檔空檔”，從而導(dǎo)致失控。從而導(dǎo)致失控。 不完備的隸屬函數(shù)分布不完備的隸屬函數(shù)分布 3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)17模糊化過程小結(jié)：模糊化過程小結(jié)：經(jīng)過經(jīng)過1 1）4 4）步的定義可以在輸入輸出空間定義語言變量，從而將輸入輸）步的定義可以在

20、輸入輸出空間定義語言變量，從而將輸入輸出的精確值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊值。出的精確值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊值。具體的步驟如下：具體的步驟如下： 第一步第一步 將實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率量化為模糊控制器的輸入。將實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率量化為模糊控制器的輸入。 假設(shè)實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為假設(shè)實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為e*和和ec*，可以，可以通過量化因子將其量化為模糊控制器的輸入通過量化因子將其量化為模糊控制器的輸入E*和和EC*。 )2(*LHeeeekE)2(*LHececececkEC3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Cente

21、r of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)18第二步第二步 將模糊控制器的精確輸入將模糊控制器的精確輸入E*和和EC*通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入A*和和B*。 將將E*和和EC*所對應(yīng)的隸屬度最大的模糊值當(dāng)作當(dāng)前模糊控制器的模糊輸入量所對應(yīng)的隸屬度最大的模糊值當(dāng)作當(dāng)前模糊控制器的模糊輸入量A*和和B*。 假設(shè)假設(shè)E*=6，系統(tǒng)誤差采用三角形隸系統(tǒng)誤差采用三角形隸屬函數(shù)來進行模糊化。屬函數(shù)來進行模糊化。 E*屬于屬于NB的的隸屬度最大（為隸屬度最大（為1），則此時，相對），則此時，相對應(yīng)的模糊控制器

22、的模糊輸入量為：應(yīng)的模糊控制器的模糊輸入量為： 605040302010001020304055 . 061* NBA3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)19對于某些輸入精確量，有時無法判斷其屬于對于某些輸入精確量，有時無法判斷其屬于哪個模糊值的隸屬度更大，例如當(dāng)哪個模糊值的隸屬度更大，例如當(dāng)E*=-5時，時，其屬于其屬于NB和和NM的隸屬度一樣大。此時有兩的隸屬度一樣大。此時有兩種方法進行處理：種方法進行處理：1）在隸屬度最大的模糊值之間

23、任取一個；）在隸屬度最大的模糊值之間任取一個；例如當(dāng)例如當(dāng)E*=-5時，時，A*NB或或NM。2）重新定義一個模糊值，該模糊值對于當(dāng)）重新定義一個模糊值，該模糊值對于當(dāng)前輸入精確量的隸屬度為前輸入精確量的隸屬度為1，對于其它精確，對于其它精確量的隸屬度為量的隸屬度為0。60504030201000102030405160*A3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)203.2.2 規(guī)則庫規(guī)則庫n 規(guī)則庫的描述規(guī)則庫的描述 規(guī)則庫由若干條控制規(guī)則組

24、成，這些控制規(guī)則根據(jù)人類控制專家的經(jīng)驗規(guī)則庫由若干條控制規(guī)則組成，這些控制規(guī)則根據(jù)人類控制專家的經(jīng)驗總結(jié)得出，按照總結(jié)得出，按照 IF is AND is THEN is的形式表達。的形式表達。 R1 : IF E is A1 AND EC is B1 THEN U is C1 R2 : IF E is A2 AND EC is B2 THEN U is C2 Rn : IF E is An AND EC is Bn THEN U is Cn其中，其中，E、EC是輸入語言變量是輸入語言變量“誤差誤差”，“誤差變化率誤差變化率”；U是輸出語是輸出語言變量言變量“控制量控制量”。 Ai 、 Bi

25、、 Ci是第是第i條規(guī)則中與條規(guī)則中與E、EC、U對應(yīng)的語對應(yīng)的語言值。言值。 3.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)213.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計規(guī)則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。規(guī)則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。 UECNBNMNSZPSPMPBENBNBNBNBNBNMZZNMNBNBNBNBNMZZNSNMNMNMNMZPSPSZNMNMNSZPSPMPMPSNSNSZPMPMPMPMPMZZPMPBPB

26、PBPBPBZZPMPBPBPBPB例如在模糊控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，模糊控制器的輸入為例如在模糊控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，模糊控制器的輸入為E（轉(zhuǎn)速誤差）、（轉(zhuǎn)速誤差）、EC（轉(zhuǎn)速誤差變化率），輸出為（轉(zhuǎn)速誤差變化率），輸出為U（電機的力矩電流值）。（電機的力矩電流值）。 在在E、EC、U的論域上各定義的論域上各定義了了7個語言子集：個語言子集：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB對于對于E、EC可能的每種取值，可能的每種取值，進行專家分析和總結(jié)后，則總進行專家分析和總結(jié)后，則總結(jié)出的控制規(guī)則為：結(jié)出的控制規(guī)則為： Research Center of Intelligent System

27、 and Intelligent Software, (CSU)223.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計n 規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系 規(guī)則庫中第規(guī)則庫中第i條控制規(guī)則條控制規(guī)則: Ri: IF E is Ai AND EC is Bi THEN U is Ci蘊含的模糊關(guān)系為：蘊含的模糊關(guān)系為： )(iiiiCBAR控制規(guī)則庫中的控制規(guī)則庫中的n條規(guī)則之間可以看作是條規(guī)則之間可以看作是“或或”，也就是，也就是“求并求并”的的關(guān)系，則整個規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系為：關(guān)系，則整個規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系為： iiRRResearch Center of Intelligen

28、t System and Intelligent Software, (CSU)233.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計n 規(guī)則庫的產(chǎn)生規(guī)則庫的產(chǎn)生 模糊控制規(guī)則的提取方法在模糊控制器的設(shè)計中起著舉足輕重的作用，它模糊控制規(guī)則的提取方法在模糊控制器的設(shè)計中起著舉足輕重的作用，它的優(yōu)劣直接關(guān)系著模糊控制器性能的好壞，是模糊控制器設(shè)計中最重要的的優(yōu)劣直接關(guān)系著模糊控制器性能的好壞，是模糊控制器設(shè)計中最重要的部分。部分。模糊控制規(guī)則的生成方法歸納起來主要有以下幾種：模糊控制規(guī)則的生成方法歸納起來主要有以下幾種：l 根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成控制規(guī)則。這種方法通過對控制根據(jù)專家經(jīng)驗

29、或過程控制知識生成控制規(guī)則。這種方法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型，經(jīng)過反復(fù)專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型，經(jīng)過反復(fù)的實驗和修正形成最終的規(guī)則庫。的實驗和修正形成最終的規(guī)則庫。l 根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則。這種方法通過用模糊語言描述根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則。這種方法通過用模糊語言描述被控過程的輸入輸出關(guān)系來得到過程的模糊模型，進而根據(jù)這種關(guān)系被控過程的輸入輸出關(guān)系來得到過程的模糊模型，進而根據(jù)這種關(guān)系來得到控制器的控制規(guī)則。來得到控制器的控制規(guī)則。l 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)、遺根據(jù)學(xué)習(xí)算法獲取控制規(guī)則

30、。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）對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進行分析和聚類，生成和在線優(yōu)化傳算法等）對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進行分析和聚類，生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則。較完善的控制規(guī)則。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)243.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制規(guī)則的總結(jié)要注意以下幾個問題：模糊控制規(guī)則的總結(jié)要注意以下幾個問題：l 規(guī)則數(shù)量合理規(guī)則數(shù)量合理控制規(guī)則的增加可以增加控制的精度，但是會影響系統(tǒng)的實時性；控控制規(guī)則的增加可以增加控制的精度，但是會影響系統(tǒng)的

31、實時性；控制規(guī)則數(shù)量的減少會提高系統(tǒng)的運行速度，但是控制的精度又會下降。制規(guī)則數(shù)量的減少會提高系統(tǒng)的運行速度，但是控制的精度又會下降。所以，需要在控制精度和實時性之間進行權(quán)衡。所以，需要在控制精度和實時性之間進行權(quán)衡。l 規(guī)則要具有一致性規(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。如果各規(guī)則的控制目標(biāo)不同，會引起系統(tǒng)的混亂。結(jié)果。如果各規(guī)則的控制目標(biāo)不同，會引起系統(tǒng)的混亂。l完備性要好完備性要好控制規(guī)則應(yīng)能對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的任何一種狀態(tài)進行控制。否則，系統(tǒng)控制規(guī)則應(yīng)能對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的任何一種狀態(tài)進行

32、控制。否則，系統(tǒng)就會有失控的危險。就會有失控的危險。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)253.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計3.2.3 模糊推理模糊推理根據(jù)模糊輸入和規(guī)則庫中蘊涵的輸入輸出關(guān)系，通過第二章描述的模糊根據(jù)模糊輸入和規(guī)則庫中蘊涵的輸入輸出關(guān)系，通過第二章描述的模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值 *)(RBAC3.2.4 清晰化接口清晰化接口由模糊推理得到的模糊輸出值由模糊推理得到的模糊輸出值C*是輸出論域上的模糊子集，只有

33、其轉(zhuǎn)是輸出論域上的模糊子集，只有其轉(zhuǎn)化為精確控制量化為精確控制量u，才能施加于對象。我們實行這種轉(zhuǎn)化的方法叫做清，才能施加于對象。我們實行這種轉(zhuǎn)化的方法叫做清晰化晰化/去模糊化去模糊化/模糊判決。模糊判決。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)263.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(1) 最大隸屬度方法最大隸屬度方法 把把C*中隸屬度最大的元素中隸屬度最大的元素U*作為精確輸出控制量作為精確輸出控制量 60504030201000102035 . 04155 . 060*C上

34、式中，元素上式中，元素4對應(yīng)的隸屬度最大，則根據(jù)最大隸屬度法得到的對應(yīng)的隸屬度最大，則根據(jù)最大隸屬度法得到的精確輸出控制量為精確輸出控制量為4。 6050403020100015 . 021314155 . 060*C若模糊輸出量的元素隸屬度有幾個相同的最大值，則取相應(yīng)諸元素若模糊輸出量的元素隸屬度有幾個相同的最大值，則取相應(yīng)諸元素的平均值，并進行四舍五入取整，作為控制量。上式中，元素的平均值，并進行四舍五入取整，作為控制量。上式中，元素4、3、2對應(yīng)的隸屬度均為對應(yīng)的隸屬度均為1，則精確輸出控制量為，則精確輸出控制量為33)2() 3()4(*UResearch Center of Inte

35、lligent System and Intelligent Software, (CSU)273.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計（2）加權(quán)平均法（重心法）加權(quán)平均法（重心法）該方法對模糊輸出量中各元素及其對應(yīng)的隸屬度求加權(quán)平均值，并進行四該方法對模糊輸出量中各元素及其對應(yīng)的隸屬度求加權(quán)平均值，并進行四舍五入取整，來得到精確輸出控制量。舍五入取整，來得到精確輸出控制量。iiCiiiCUUUU)()(*式中，式中，代表四舍五入取整操作。代表四舍五入取整操作。6050403020100015 . 021314155 . 060*C25 . 01115 . 0) 1(5 . 0)2

36、(1) 3(1)4(1)5(5 . 0*UResearch Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)283.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計清晰化處理后得到的模糊控制器的精確輸出量清晰化處理后得到的模糊控制器的精確輸出量U*，經(jīng)過比例因子可以轉(zhuǎn)化，經(jīng)過比例因子可以轉(zhuǎn)化為實際作用于控制對象的控制量為實際作用于控制對象的控制量2*LHuuuUkuResearch Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)293.2 模糊控制器

37、的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計3.2.5 模糊查詢表模糊查詢表模糊控制器的工作過程模糊控制器的工作過程: 模糊控制器實時檢測系統(tǒng)的誤差和誤差變化率模糊控制器實時檢測系統(tǒng)的誤差和誤差變化率e*和和ec*； 通過量化因子通過量化因子ke和和kec將將e*和和ec*量化為控制器的精確量化為控制器的精確輸入輸入E*和和EC*； E*和和EC*通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入A*和和B*； 將將A*和和B*根據(jù)規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系進行模糊推理，根據(jù)規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系進行模糊推理，得到模糊控制輸出量得到模糊控制輸出量C*； 對對C*進行清晰化處理，得到控制器的精確輸出量進行清

38、晰化處理，得到控制器的精確輸出量U*； 通過比例因子通過比例因子ku將將U*轉(zhuǎn)化為實際作用于控制對象的轉(zhuǎn)化為實際作用于控制對象的控制量控制量u*。 將（將（3）（）（5）步離）步離線進行運算，對于每線進行運算，對于每一種可能出現(xiàn)的一種可能出現(xiàn)的E和和EC取值，計算出相應(yīng)取值，計算出相應(yīng)的輸出量的輸出量U，并以表，并以表格的形式儲存在計算格的形式儲存在計算機內(nèi)存中，這樣的表機內(nèi)存中，這樣的表格我們稱之為模糊查格我們稱之為模糊查詢表。詢表。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)303.2 模糊控制

39、器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計如果如果E、EC和和U的論域均為的論域均為-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6，則生成的模糊查詢，則生成的模糊查詢表具有如下形式表具有如下形式 UEC-6-5-4-3-2-10123456E-6-6-6-6-6-6-5-5-4-3-2000-5-6-6-6-6-5-5-5-4-3-2000-4-6-6-6-5-5-5-5-3-3-2000-3-5-5-5-5-4-4-4-3-2-1111-2-4-4-4-4-4-4-4-2-10222-1-4-4-4-3-3-3-3-1223330-4-4-4-3-3-101334441-3-3-3

40、-2-2133334442-2-2001244444443-1-101234445555400123455556665001234555666660012345566666Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)313.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計3.2.6 模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容（1）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；（2）確定輸入，輸出的論域和）確定輸入，輸出的論域和Ke、Kec、Ku的值；的值；（3）確定各變量的語

41、言取值及其隸屬函數(shù)；）確定各變量的語言取值及其隸屬函數(shù)；（4）總結(jié)專家控制規(guī)則及其蘊涵的模糊關(guān)系；）總結(jié)專家控制規(guī)則及其蘊涵的模糊關(guān)系；（5）選擇推理算法；）選擇推理算法； （6）確定清晰化的方法；）確定清晰化的方法；（7）總結(jié)模糊查詢表。）總結(jié)模糊查詢表。Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)323.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計3.2.7模糊控制器的軟件實現(xiàn)（模糊控制器的軟件實現(xiàn)（Matlab）1 模糊控制查詢表的實現(xiàn)模糊控制查詢表的實現(xiàn)n初始化初始化n總結(jié)模糊關(guān)系總結(jié)模糊

42、關(guān)系n總結(jié)模糊查詢表總結(jié)模糊查詢表Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)333.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計1）初始化）初始化假設(shè)假設(shè)E、EC和和U的論域：的論域：-6,-5,-1,0,1,5,6；E、EC和和U定義了定義了7個語言值個語言值NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB；則我們在則我們在Matlab中通過定義三個向量來表示這些語言值：中通過定義三個向量來表示這些語言值：Input1_Terms=1,2,3,4,5,6,7;Input2_Terms=1,2,3,4,5

43、,6,7;output_Terms=1,2,3,4,5,6,7;Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)343.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計-6-5-4-3-2-10123456NB10.500000000000NM00.510.5000000000NS0000.510.50000000Z000000.510.500000PS00000000.510.5000PM0000000000.510.50PB000000000000.51各語言值的隸屬函數(shù)采用三角函數(shù)，其分布可用下表表

44、示：各語言值的隸屬函數(shù)采用三角函數(shù)，其分布可用下表表示：Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)353.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計在在matlab中，可以用一個矩陣來表示該表。中，可以用一個矩陣來表示該表。Input1_Terms_Membership=1,0.5,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;0,0.5,1,0.5,0,0,0,0,0,0,0,0,0;0,0,0,0.5,1,0.5,0,0,0,0,0,0,0;0,0,0,0,0,0.5,1,0.5,0,0,0

45、,0,0;0,0,0,0,0,0,0,0.5,1,0.5,0,0,0;0,0,0,0,0,0,0,0,0,0.5,1,0.5,0;0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0.5,1;Input2_Terms_Membership=Input1_Terms_Membership;Output_Terms_Membership=Input1_Terms_Membership;Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)363.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計假設(shè)控制規(guī)則表總結(jié)如下假設(shè)控

46、制規(guī)則表總結(jié)如下 UECNBNMNSZPSPMPBENBNBNBNBNBNMZZNMNBNBNBNBNMZZNSNMNMNMNMZPSPSZNMNMNSZPSPMPMPSNSNSZPMPMPMPMPMZZPMPBPBPBPBPBZZPMPBPBPBPBResearch Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)373.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計將語言值按順序編號，將語言值按順序編號，NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別對應(yīng)分別對應(yīng)1、2、3、4、5、6、7號。號。則上表可用一個矩陣表示為：

47、則上表可用一個矩陣表示為： Rule=1,1,1,1,2,4,4; 1,1,1,1,2,4,4; 2,2,2,2,4,5,5; 2,2,3,4,5,6,6; 3,3,4,6,6,6,6; 4,4,6,7,7,7,7; 4,4,6,7,7,7,7;Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)383.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計2)總結(jié)模糊關(guān)系總結(jié)模糊關(guān)系 A=Input1_Terms_Membership(Input1_Terms_Index,:);B=Input2_Terms_Me

48、mbership(Input2_Terms_Index,:);C=Output_Terms_Membership(Output_Terms_Index,:); 某條規(guī)則蘊涵的模糊關(guān)系某條規(guī)則蘊涵的模糊關(guān)系注：注：Input1_Terms_Index 代表輸入代表輸入E的語言值的序號，的語言值的序號，Input2_Terms_Index 代表輸入代表輸入EC語言值的序號，語言值的序號，Output_Terms_Index 代表輸出代表輸出U語言值的序號語言值的序號 Output_Terms_Index=Rule(Input1_Terms_Index,Input2_Terms_Index );注：

49、注：A代表輸入代表輸入E的模糊值，的模糊值，B代表輸入代表輸入EC的模糊值，的模糊值，C代表輸出代表輸出U的模糊值的模糊值程程序序段段1Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)393.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計for i=1:13 for j=1:13 R1(i,j)=min(A(i),B(j); endend注：注：R1AB注：注：R2R1T注：注：R3R2CR2= ;for k=1:13 R2=R2;R1(k,:);endfor i=1:169 for j=1:13 R3

50、(i,j)=min(R2(i),C(j); endend 程程序序段段2Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)403.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計所有規(guī)則蘊涵的模糊關(guān)系：所有規(guī)則蘊涵的模糊關(guān)系：for i=1:169 for j=1:13 R(i,j)=0; end endfor Input1_Terms_Index=1:7 for Input2_Terms_Index=1:7程序段程序段1；程序段程序段2；R=max(R,R3); end end注：初始化注：初始化R注：注

51、：R為所有規(guī)則模糊關(guān)系的并集為所有規(guī)則模糊關(guān)系的并集Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)413.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計3)總結(jié)模糊查詢表總結(jié)模糊查詢表Input1_value_membership=Input1_Terms_Membership(:,Input1_value_index);注：注：Input1_value_index表示輸入表示輸入E的精確值的序號，的精確值的序號，Input1_value_membership為為E的精確值屬于其各個模糊值的隸屬度組成

52、的向量的精確值屬于其各個模糊值的隸屬度組成的向量Max_Input1_value,Max_Input1_index=max(Input1_value_membership);注：注：Max_Input1_index表示隸屬度最大的模糊值的序號，表示隸屬度最大的模糊值的序號，Max_Input1_value為為與之對應(yīng)的隸屬度與之對應(yīng)的隸屬度Ad=Input1_Terms_Membership(Max_Input1_index,:);注：注：Ad為與輸入為與輸入E的精確值相對應(yīng)的隸屬度最大的模糊值，也就是模糊化后的的精確值相對應(yīng)的隸屬度最大的模糊值，也就是模糊化后的E的模糊值。的模糊值。a)模糊

53、化模糊化Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)423.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計Input2_value_membership=Input2_Terms_Membership(:,Input2_value_index);Max_Input2_value,Max_Input2_index=max(Input2_value_membership);Bd=Input2_Terms_Membership(Max_Input2_index,:);同理可以得到輸入同理可以得到輸入EC模

54、糊化后的模糊值模糊化后的模糊值Bdb) 推理推理 for i=1:13 for j=1:13 Rd1(i,j)=min(Ad(i),Bd(j); end endRd1AdBdResearch Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)433.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計Rd2= ;for k=1:13 Rd2=Rd2,Rd1(k,:);endRd2Rd1Tfor j=1:13 Cd(j)=max(min(Rd2,R(:,j);endCdRd2oR, Cd為推理后得到的模為推理后得到的模糊輸出糊輸出

55、C) 去模糊化去模糊化 sum1=0; sum2=0; for i=1:13 sum1=sum1+Cd(i); sum2=sum2+Cd(i)*Output(i); end OUT=round(sum2/sum1);加權(quán)平均法加權(quán)平均法Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)443.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計對于每種可能的對于每種可能的E、EC的精確取值進行的精確取值進行a)b)c)的運算可以得到模糊查詢表：的運算可以得到模糊查詢表：for Input1_value_inde

56、x=1:13 for Input2_value_index=1:13 模糊化；模糊化； 推理；推理； 去模糊化；去模糊化； Fuzzy_Table(Input1_value_index,Input2_value_index)=OUT； end end整個程序清單整個程序清單Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)453.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計運行結(jié)果：運行結(jié)果： -6 -6 -6 -6 -6 -6 -5 -5 -3 -3 -2 -2 0 -6 -6 -6 -6 -6 -6

57、 -5 -5 -3 -3 -2 -2 0 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -3 -3 -2 -2 -1 -1 1 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -3 -3 -2 -2 -1 -1 1 -4 -4 -4 -4 -3 -3 -2 -2 0 0 0 0 2 -4 -4 -4 -4 -3 -3 -2 -2 0 0 0 0 2 -3 -3 -2 -2 0 0 0 0 0 0 2 2 3 -3 -3 -2 -2 0 0 0 0 0 0 2 2 3 -2 -2 0 0 0 0 2 2 3 3 4 4 4 -2 -2 0 0 0 0 2 2 3 3 4 4 4 -1 -1 1 1 2 2 3 3 5

58、 5 5 5 5 -1 -1 1 1 2 2 3 3 5 5 5 5 5 0 0 2 2 3 3 5 5 6 6 6 6 6Fuzzy_Table =Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)463.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計2 模糊控制在線運行代碼模糊控制在線運行代碼ek=refk-yk;計算第計算第k個采樣周期的誤差和誤差變化率個采樣周期的誤差和誤差變化率eck=(ek-ek_1)/t;E=round(ke*(ek-(eh+el)/2);將將E的論域轉(zhuǎn)換到模糊控制器的論域的

59、論域轉(zhuǎn)換到模糊控制器的論域if E6 E=6;elseif E6 EC=6;elseif EC-6 EC=-6;endU=Fuzzy_Table (E+7,EC+7);查模糊控制查詢表得到輸出值查模糊控制查詢表得到輸出值Uu=Ku*U+(uh+ul)/2;將輸出轉(zhuǎn)換到實際論域?qū)⑤敵鲛D(zhuǎn)換到實際論域Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU)473.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計3.2.8 模糊控制的優(yōu)缺點模糊控制的優(yōu)缺點 設(shè)計時不需要建立被控制對象的數(shù)學(xué)模型，只要求掌握人類的設(shè)計時不需

60、要建立被控制對象的數(shù)學(xué)模型，只要求掌握人類的控制經(jīng)驗?？刂平?jīng)驗。 系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制 確立模糊化和逆模糊化的方法時，缺乏系統(tǒng)的方法，主要靠經(jīng)確立模糊化和逆模糊化的方法時，缺乏系統(tǒng)的方法，主要靠經(jīng)驗和試湊。驗和試湊。 總結(jié)模糊控制規(guī)則有時比較困難?？偨Y(jié)模糊控制規(guī)則有時比較困難。 控制規(guī)則一旦確定，不能在線調(diào)整，不能很好地適應(yīng)情況的變控制規(guī)則一旦確定，不能在線調(diào)整，不能很好地適應(yīng)情況的變化?；?模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，因而穩(wěn)態(tài)精度不高。模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，因而穩(wěn)態(tài)精度不高。 n 模糊控制的優(yōu)點：