智能控制模糊控制設(shè)計(jì)實(shí)例

1、模糊控制器的設(shè)計(jì)吳離蒙 劉曉萱 宋雨荷模糊控制器組成input模糊化模糊推理清晰化FuzzificationFuzzy-inference控制對(duì)象outputDefuzzification模糊控制器知識(shí)庫(kù)Knowledge basePlantFig The structure of Fuzzy Control system模糊控制器設(shè)計(jì)實(shí)例 倒錐形容器的液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)倒錐形容器的液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)：受控對(duì)象：倒錐形容器的液位高度h檢測(cè)裝置：測(cè)量容器底部壓力來(lái)間接測(cè)量液位執(zhí)行機(jī)構(gòu)：系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電磁閥V1,通過(guò)控制V1的開(kāi)啟度來(lái)控制液位。假設(shè)V1的開(kāi)啟度與液位呈線性關(guān)系。模

2、糊控制器：受控對(duì)象是倒錐形容器，其液位高度h和進(jìn)水量Q間的關(guān)系不是線性關(guān)系，且有實(shí)質(zhì)性，因此是較為復(fù)雜的控制對(duì)象。此類(lèi)控制對(duì)象采用模糊控制器是可取的方案。1.首先確定模糊控制器結(jié)構(gòu)首先確定模糊控制器結(jié)構(gòu)。 為得到良好的控制性能，觀測(cè)液位誤差e和誤差變化ec，而控制量只有一個(gè)電磁閥V1的開(kāi)啟電壓u。因此，模糊控制器采用兩輸入單輸出的二維結(jié)構(gòu)。2.確定語(yǔ)言變量。確定語(yǔ)言變量。需要確定的語(yǔ)言變量有3個(gè)：誤差e 誤差變化ec輸出控制電壓u設(shè)液位給定高度hd，實(shí)際高度h，則液位誤差e=hd-h，取其語(yǔ)言變量為E，論域X=-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，論域上模糊子集是Ai(i=1,2,7)，相應(yīng)

3、語(yǔ)言值為正大（PB），正中（PM），正?。≒S），零（Z），負(fù)小（NS），負(fù)中（NM），負(fù)大（NB）。分別表示當(dāng)前水位h相對(duì)設(shè)定值hd為：“極低”、“很低”、“偏低”、“正好”、“偏高”、“很高”、“極高”。 2.1 誤差e 2.2誤差變化ec系統(tǒng)液位誤差前后兩次采樣值變化量是ec=e2-e1=(hd-h1)-(hd-h2)=h2-h1，取其語(yǔ)言變量為EC，論域Y=-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，論域上的模糊子集是Bj（j=1,2,3,5），相應(yīng)語(yǔ)言值為正大（PB），正?。≒S），零（Z），負(fù)小（NS），負(fù)大（NB）。分別表示當(dāng)前水位變化h2-h1為：“快速上升”、“上升”、“不變”、

4、“下降”、“快速下降”。 2.3輸出控制電壓u系統(tǒng)輸出控制量u，取其語(yǔ)言變量為U，論域Z=-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，論域上模糊子集是Ck(k=1,2,3,7)，相應(yīng)語(yǔ)言值為正大（PB），正中（PM），正?。≒S），零（Z），負(fù)小（NS），負(fù)中（NM），負(fù)大（NB）。分別表示控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作為：“發(fā)水位高限報(bào)警，關(guān)閉閥門(mén)V1”、“閥門(mén)V1開(kāi)度減小量大”、“閥門(mén)V1開(kāi)度減小量小”、“閥門(mén)V1開(kāi)度不變”、“閥門(mén)V1開(kāi)度增加量小”、“閥門(mén)V1開(kāi)度增加量大”、“發(fā)水位低限報(bào)警，并閥門(mén)V1開(kāi)度為最大”。 3 確定語(yǔ)言值隸屬度函數(shù)。確定語(yǔ)言值隸屬度函數(shù)。對(duì)上面各語(yǔ)言之給定其模糊化的隸屬度函數(shù)，

5、這里選擇三角形函數(shù)。 4 建立模糊控制規(guī)則建立模糊控制規(guī)則If E=PB and EC=NB or NS or Z then U=NBIf E=PB and EC=PB or PS then U=NMIf E=PM and EC=NB or NS then U=NBIf E=PM and EC=PB then U=NSIf E=PM and EC=PS or Z then U=NMIf E=PS and EC=NB then U=NMIf E=PS and EC=NS or Z then U=NSIf E=PS and EC=PB or PS then U=ZIf E=Z and EC=NB

6、or NS then U=NSIf E=Z and EC=PB or PS then U=PSIf E=Z and EC=Z then U=ZIf E=NS and EC=NB or NS then U=ZIf E=NS and EC=Z or PS then U=PSIf E=NS and EC=PB then U=PMIf E=NM and EC=NB then U=PSIf E=NM and EC=Z or NS then U=PMIf E=NB and EC=NS or NB then U=PMIf E=NM and EC=PB or PS then U=PBIf E=NB and E

7、C=Z or PS or PB then U=PB E AiU CkEC BjA1PBA2PMA3PSA4ZA5NSA6NMA7NBB1 PBNMC6R2NS C5 R4ZC4R6PSC3R10PM C2 R14PB C1R18PB C1R19B2 PSNMC6R5PSC3R13B3 ZNBC7R1NS C5 R7ZC4 R11PM C2 R16B4 NSNBC7R3NS C5 R9ZC4R12PM C2 R17B5 NBNMC6 R6PSC3 R15 5 5 確定模糊關(guān)系確定模糊關(guān)系計(jì)算模糊關(guān)系R，為計(jì)算方便起見(jiàn)，先將由圖給出的模糊隸屬度函數(shù)以矢量形式表示，列成表。 A（x） 等級(jí)E-3-2

8、-10+1+2+3PB A100000.300.651PM A20000.30.6510.6PS A3000.30.6510.650.3Z A400.30.6510.650.30NS A50.30.6510.650.300NM A60.610.650.3000NB A710.650.30000模糊集合A的隸屬度函數(shù) B（x） 等級(jí)EC-3-2-10+1+2+3PB B10000.250.50.751PS B2000.30.6510.70.4Z B300.30.6510.650.30NS B40.40.710.650.300NB B510.750.50.25000模糊集合B的隸屬度函數(shù) C（x）

9、 等級(jí)U-3-2-10+1+2+3PB C100000.300.651PM C20000.350.6510.7PS C3000.350.6510.70.4Z C400.30.6510.650.30NS C50.40.710.650.3500NM C60.710.650.35000NB C710.650.30000模糊集合C的隸屬度函數(shù)R1:If E=PB and EC=NB or NS or Z then U=NB可理解為 ： :If E=PB then U=NB； :If EC=NB or NS or Z then U=NB。1AR1BR117000()10 .6 50 .3000000 .

10、30 .6 5100000000000000000000000000000 .30 .30 .300000 .6 50 .6 50 .3000010 .6 50 .30000ARAC在求RB1之前先求出“并集”jjB53534531 0.75 1 1 0.65 0.3 0jjBBBB，517310 .7 51()110 .6 50 .300000 .6 50 .3010 .6 50 .300000 .7 50 .6 50 .3000010 .6 50 .3000010 .6 50 .300000 .6 50 .6 50 .300000 .30 .6 50 .300000000000BjjRBC

11、同樣可求得RAi和RBi（i=2,3,19），并按191911AA iBB iiiRRRR和求 得A 0 0.3 0.35 0.6 0.65 1 10.3 0.3 0.65 0.65 1 1 10.4 0.65 0.65 1 1 1 0.7R0.65 0.7 1 1 1 0.7 0.650.7 1 1 1 0.65 0.65 0.41 1 1 0.65 0.65 0.35 0.31 1 0.65 0.65 0.35 0.3 0B 1 1 1 1 1 1 10.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.71 0.7 1 1 0.65 1 R 0.7 1 1 1 1 1 1 10

12、.7 1 0.65 1 1 0.7 10.7 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.7 1 1 1 1 1 16 6.模糊推理和解模糊在求得所設(shè)計(jì)模糊控制器的模糊關(guān)系R以后，可以由合成推理方法求解輸出控制量模糊值矢量。設(shè)系統(tǒng)當(dāng)前偏差是e*和偏差變化是ec*，則對(duì)于第i條規(guī)則的輸出控制量為*ABUeRecRi1,2,.,19iii因此控制器總的輸出量是191911UUUiiii也可以寫(xiě)成1919*AB111919*AB11UUeRecReRecRiiiiiiiii即得到B*A*RecReU1）當(dāng)e*=NS（負(fù)?。聪到y(tǒng)水位實(shí)際高度h比給定值hd略微高一點(diǎn)，而ec*=P

13、S（正小），即系統(tǒng)水位稍有增高趨勢(shì)，則這時(shí)的控制量應(yīng)該是*ABUeRecR0 0.3 0.35 0.6 0.65 1 10.3 0.3 0.65 0.65 1 1 10.4 0.65 0.65 1 1 1 0.70.3 0.65 1 0.65 0.3 0 00.65 0.7 1 1 1 0.7 0.650.7 1 1 1 0.65 0.65 0.4 1 1 1 0.65 0.65 0.35 0.3 1 1 0.65 0.6 0.35 0.3 00 0 1 1 1 1 1 1 10.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.7 1 0.7 1 1 0.65 1 0.70.3 0

14、.65 1 0.7 0.4 1 1 1 1 1 1 10.7 1 0.65 1 1 0.7 10.7 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.7 1 1 1 1 1 10.65 0.65 0.65 1 1 1 0.70.7 1 0.7 1 1 0.7 10.65 0.65 0.65 1 1 0.7 0.7對(duì)于上面得到的控制器輸出模糊矢量30.720.71101165. 0265. 0365. 0U由于具有兩個(gè)相鄰的隸屬度最大值，因此采用最大隸屬度法解模糊時(shí)，取它們的平均值為)( 5 . 0210u*等級(jí)從隸屬函數(shù)圖c可知：此時(shí)模糊控制器的輸出u*值對(duì)應(yīng)于子集C4或C3（

15、即Z或PS），使閥門(mén)V1開(kāi)度暫時(shí)不變或作少量的減小。2）當(dāng)e*=NS（負(fù)小），即系統(tǒng)水位實(shí)際高度h比給定值hd略微高一點(diǎn)，而ec*=PB（正大），即系統(tǒng)水位仍有很快增高趨勢(shì)，則這時(shí)的控制量應(yīng)該是*ABUeRecR0 0.3 0.35 0.6 0.65 1 10.3 0.3 0.65 0.65 1 1 10.4 0.65 0.65 1 1 1 0.70.3 0.65 1 0.65 0.3 0 00.65 0.7 1 1 1 0.7 0.650.7 1 1 1 0.65 0.65 0.4 1 1 1 0.65 0.65 0.35 0.3 1 1 0.65 0.6 0.35 0.3 00 0 1 1

16、 1 1 1 1 10.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.7 1 0.7 1 1 0.65 1 0.70 0.25 0.5 0.75 1 1 1 1 1 1 1 10.7 1 0.65 1 1 0.7 10.7 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.7 1 1 1 1 1 10.65 0.65 0.65 1 1 1 0.70.7 1 1 1 1 1 10.65 0.65 0.65 1 1 1 0.7對(duì)于上面得到的控制器輸出模糊矢量30.7211101165. 0265. 0365. 0U由于具有多個(gè)相鄰的隸屬度最大值，因此采用最大隸屬度法解模

17、糊時(shí)，取它們的平均值為)( 13210u*等級(jí)從圖c可知：此時(shí)模糊控制器的輸出u*值對(duì)應(yīng)于子集C3（即PS），使閥門(mén)V1開(kāi)度作少量的減小。3)又當(dāng)e*=PM(正中)，即系統(tǒng)水位實(shí)際高度h比給定值hd低得較多時(shí)，而ec*=NB(負(fù)大)，即系統(tǒng)水位仍在很快下降，則此時(shí)的控制量應(yīng)該是*0 0.3 0.35 0.6 0.65 1 10.3 0.3 0.65 0.65 1 1 10.4 0.65 0.65 1 1 1 0.70 0 0 0.3 0.65 1 0.60.65 0.7 1 ABUeRecR1 1 0.7 0.650.7 1 1 1 0.65 0.65 0.4 1 1 1 0.65 0.65

18、0.35 0.3 1 1 0.65 0.6 0.35 0.3 01 0.75 0.5 1 1 1 1 1 1 10.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.7 1 0.7 1 1 0.65 1 0.7 0.25 0 0 0 1 1 1 1 1 1 10.7 1 0.65 1 1 0.7 10.7 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.7 1 1 1 1 1 11 1 1 0.65 0.65 0.65 0.41 1 1 1 1 1 11 1 1 0.65 0.65 0.65 0.4對(duì)于上面得到的控制器輸出模糊矢量為34 . 0265. 0165. 0

19、065. 0112131U同樣，由于具有多個(gè)相鄰的最大隸屬度值，因此采用最大隸屬度法解模糊時(shí)，取它們的平均值為：)(23) 1()2(3*等級(jí)u由圖c可知：此時(shí)輸出u*值對(duì)應(yīng)于子集C6(即NM)，應(yīng)該使閥門(mén)V1開(kāi)度量有較大增加，使進(jìn)水量加大，從而使液位較快速升級(jí)。根據(jù)語(yǔ)言變量E和EC論域的量化等級(jí)，按照上面合成推理和解模糊方法，可以得到一個(gè)容量為77（49點(diǎn)）的模糊控制查詢表（采用最大隸屬度法解模糊）。 U EEC-3-2-10+1+2+3-3+2.5+2+10-1-2-2.5-2+2.5/+2+2+10/-0.5-1/-0.5-2-2.5/-3-1+2+2?-0.50/-0.5?-30+2.5+2+10-1-2-2.51+3?+0.5+0.5?-2-22+3/+2.5+2+0.5/+1+0.5/0-1-2/-1.5-23+2.5+2+10-1-1.5-2輸入EC為等級(jí)-2時(shí)，輸出U的解模糊值可