模糊控制系統(tǒng)課件

回顧：1、FC系統(tǒng)由哪幾部分組成？2、FC系統(tǒng)的工作過程（工作原理）？3、模糊化方法有哪些？常用的是哪種？4、解模糊化方法有哪些？常用的是哪種？第4章模糊控制器設(shè)計回顧：第4章模糊控制器設(shè)計1模糊控制器的設(shè)計主要考慮以下幾項主要內(nèi)容：①確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)；②設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；③確立模糊化和解模糊的方法；④選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域，并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子等)；⑤編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。模糊控制器的設(shè)計主要考慮以下幾項主要內(nèi)容：24.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)及主要類型4.1.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)（1）模糊化接口（Fuzzification）

所謂模糊化，就是通過傳感器把被控對象的相關(guān)物理量→電量，若傳感器的輸出量是連續(xù)的模擬量數(shù)字量作為計算機的輸入測量值→標準化處理（即把其變化范圍映射到相應(yīng)內(nèi)部論域中，然后將內(nèi)部論域中該輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)語言變量的概念，并構(gòu)成模糊集合）。4.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)及主要類型3這樣就把輸入的精確量變換成用模糊集合隸屬函數(shù)表示的某一模糊變量的值。完成這部分功能的模塊就稱作模糊化接口。

模糊化接口的主要功能：將輸入變量的精確值→其對應(yīng)論域上自然語言描述的模糊集合，以便進行模糊推理和決策。具體包括：①測量輸入變量。傳感器的輸出。②論域變換，即實際論域→內(nèi)部論域。實際論域也就是精確量的基本論域，它可以通過實驗或理論指導(dǎo)來確定，它在控制過程中往往是不變化的。這樣就把輸入的精確量變換成用模糊集4例：以兩輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)為例，設(shè)誤差的基本論域為，誤差變化的基本論域為，控制量的變化范圍為。類似地，設(shè)誤差的模糊論域為誤差變化的論域為控制量的論域為一般來說，論域的量化等級越細，控制精度也越高。但過細的量化等級將使算法復(fù)雜化，而且也沒有必要。確定了變量的基本論域和模糊集論域后，比例因子也就確定了。例：以兩輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)為例，設(shè)誤差的基本論域為5量化因子：，，比例因子：注：誤差和誤差變化這兩個變量的連續(xù)值與其論域中的離散值并不是一一對應(yīng)的。量化因子：，6模糊控制系統(tǒng)課件7（2）模糊推理機（Inferenceengine）模糊推理機由知識庫（數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫）與模糊推理決策邏輯構(gòu)成。這是基本部分。①知識庫（Knowledgebase）=數(shù)據(jù)庫（Datebase）+語言控制規(guī)則庫（Rulebase）模糊控制器的核心。②模糊推理機主要功能：模仿人的思維特征，根據(jù)模糊控制規(guī)則，運用模糊數(shù)學(xué)理論對模糊控制規(guī)則進行計算推理。（2）模糊推理機（Inferenceengine）8（3）解模糊接口（Defuzzification）原因：模糊推理得出的模糊輸出量不能直接去控制執(zhí)行機構(gòu)，必須確定一個最具有代表性的值作為真正的輸出控制量，即解模糊判決。主要功能：①比例映射：內(nèi)部論域→實際論域。②解模糊：模糊控制量→精確的控制作用，模糊化的反過程。（3）解模糊接口（Defuzzification）9模糊控制系統(tǒng)課件10模糊控制系統(tǒng)課件114.1.2常用的幾種模糊控制器⑴簡單模糊控制器及其特性（二維模糊控制器）方法：①根據(jù)被控對象，確定ｅ、△e、u的隸屬函數(shù)及模糊控制規(guī)則表→查詢表（例：表3.5P47）②實際應(yīng)用時，輸入變量→內(nèi)部論域，查表，得出u→執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點：①二維模糊控制器，比一維模糊控制器控制效果好。②設(shè)計簡單，性能好，適應(yīng)能力強。缺點：不同被控對象，控制規(guī)則不變，控制效果不好。圖4.3簡單模糊控制器的結(jié)構(gòu)4.1.2常用的幾種模糊控制器圖4.3簡單模糊控12⑵模糊自調(diào)整控制器----二維模糊控制器中加入修正因子（規(guī)則自調(diào)整模糊控制器）低階控制系統(tǒng)：>0.5高階控制系統(tǒng)：<0.5當誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，加快響應(yīng)速度，這時對誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當誤差較小時，此時系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小系統(tǒng)超調(diào)，這就要求在控制規(guī)則中誤差變化起的作用大些，即對誤差變化率的加權(quán)大些。因此，在不同的誤差范圍時，可通過調(diào)整來實現(xiàn)控制規(guī)則的自調(diào)整。⑵模糊自調(diào)整控制器----二維模糊控制器中加入修正因子13⑶變結(jié)構(gòu)模糊控制器----多個模糊控制器的組合不同狀態(tài)，不同要求下，多個軟件（具有不同參數(shù)、規(guī)則），根據(jù)情況選擇不同的控制器。如：溫度、壓力、流量，同時控制。⑶變結(jié)構(gòu)模糊控制器----多個模糊控制器的組合14模糊控制系統(tǒng)課件15⑸模糊自組織控制器經(jīng)驗不足者、沒有完整的模糊規(guī)則、時變系統(tǒng)且規(guī)則需要變化→實時自動修改、完善和調(diào)整規(guī)則⑹模糊自適應(yīng)控制器----在線辨識⑺模糊控制規(guī)則的自調(diào)整

基本思想----系統(tǒng)的控制誤差是評價控制器性能最為直接有效的指標。根據(jù)系統(tǒng)誤差估計控制量的校正值，再由這個控制量的校正值來修改模糊控制規(guī)則。

規(guī)則自調(diào)整模糊控制器=常規(guī)模糊控制器+規(guī)則自調(diào)整功能。模糊規(guī)則的修改過程可以看作是模糊控制器的學(xué)習過程，模糊規(guī)則的自調(diào)整是以語義形式實現(xiàn)的，在一定程度上體現(xiàn)了人的認識過程。⑸模糊自組織控制器164.1.3模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的實現(xiàn)方法：①由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控制器；②用通用單片機組成硬件系統(tǒng)：PLC、IPC、DSP等在模糊控制中，模糊控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，模糊控制器的設(shè)計實質(zhì)上是設(shè)計模糊控制算法。根據(jù)模糊控制原理，按以下步驟來設(shè)計模糊控制器：1)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)2)輸入、輸出變量的模糊化3)模糊推理決策算法的設(shè)計4)對輸出模糊量進行解模糊判決4.1.3模糊控制器的設(shè)計17思考題：1、模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)？各部分的主要功能？2、實際論域（基本論域）、模糊論域（內(nèi)部論域）的概念？3、常用的模糊控制器有哪些？4、二維FC的工作原理？優(yōu)缺點？5、FC設(shè)計的兩種實現(xiàn)方式及其特點？6、設(shè)計模糊控制器的步驟？思考題：184.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計實質(zhì)：模糊控制器輸入語言變量及輸出語言變量的選取和模糊控制器的不同組合與擴展問題。模糊控制系統(tǒng)可分為單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)。本書討論單變量模糊控制系統(tǒng)，輸入就是系統(tǒng)的給定值，輸出就是系統(tǒng)的輸出值。模糊控制的維數(shù)：模糊控制器輸入變量的個數(shù)。⑴一維模糊控制器Ifethenu常用于一階被控對象。系統(tǒng)的動態(tài)控制性能不佳。⑵二維模糊控制器Ifeand△ethenu以誤差e和誤差變化△e為輸入變量，以控制量u的變化為輸出變量，這種結(jié)構(gòu)反映模糊控制器具有PD控制規(guī)律，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可減少系統(tǒng)地超調(diào)量，削弱系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象。這種模糊控制器較常用，另外，也可取系統(tǒng)地誤差e和誤差的和∑ｅ作為輸入變量，這種結(jié)構(gòu)反映的是PI控制規(guī)律。這樣就確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)。4.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計19⑶多維模糊控制器Ifeand△eand△2ethenu三維模糊控制器，由于模糊控制器輸入的維數(shù)增多，控制規(guī)則的選取也越來越困難，相應(yīng)的控制算法越來越復(fù)雜。處理速度下降，造成滯后，大滯后環(huán)節(jié)，這也是三維或多維模糊控制器的應(yīng)用“瓶頸”。小結(jié)：考慮系統(tǒng)的精度、速度，二維FC用的比較多。⑶多維模糊控制器Ifeand△eand△220圖4.5常見模糊控制器的結(jié)構(gòu)類型(a)一維模糊控制器；(b)二維模糊控制器；(c)三維模糊控制器圖4.5常見模糊控制器的結(jié)構(gòu)類型214.2.2一般設(shè)計方法（1）模糊控制器的設(shè)計原則1）模糊語言變量的語言值分檔和模糊論域分級的選取2）量化因子和模糊語言變量值分檔范圍的確定3）模糊論域上模糊集合隸屬函數(shù)的確定及其表示方法4）模糊控制規(guī)則及算法結(jié)構(gòu)的確定5）實時精確量的量化及模糊化（2）模糊控制器的設(shè)計途徑1）以專家的知識和經(jīng)驗作為依據(jù)的設(shè)計方法2）通過建立熟練操作者控制模型的設(shè)計方法3）建立被控對象模糊模型的設(shè)計方法4.2.2一般設(shè)計方法22回顧：1、FC系統(tǒng)由哪幾部分組成？2、FC系統(tǒng)的工作過程（工作原理）？3、模糊化方法有哪些？常用的是哪種？4、解模糊化方法有哪些？常用的是哪種？第4章模糊控制器設(shè)計回顧：第4章模糊控制器設(shè)計23模糊控制器的設(shè)計主要考慮以下幾項主要內(nèi)容：①確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)；②設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；③確立模糊化和解模糊的方法；④選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域，并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子等)；⑤編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。模糊控制器的設(shè)計主要考慮以下幾項主要內(nèi)容：244.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)及主要類型4.1.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)（1）模糊化接口（Fuzzification）

所謂模糊化，就是通過傳感器把被控對象的相關(guān)物理量→電量，若傳感器的輸出量是連續(xù)的模擬量數(shù)字量作為計算機的輸入測量值→標準化處理（即把其變化范圍映射到相應(yīng)內(nèi)部論域中，然后將內(nèi)部論域中該輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)語言變量的概念，并構(gòu)成模糊集合）。4.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)及主要類型25這樣就把輸入的精確量變換成用模糊集合隸屬函數(shù)表示的某一模糊變量的值。完成這部分功能的模塊就稱作模糊化接口。

模糊化接口的主要功能：將輸入變量的精確值→其對應(yīng)論域上自然語言描述的模糊集合，以便進行模糊推理和決策。具體包括：①測量輸入變量。傳感器的輸出。②論域變換，即實際論域→內(nèi)部論域。實際論域也就是精確量的基本論域，它可以通過實驗或理論指導(dǎo)來確定，它在控制過程中往往是不變化的。這樣就把輸入的精確量變換成用模糊集26例：以兩輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)為例，設(shè)誤差的基本論域為，誤差變化的基本論域為，控制量的變化范圍為。類似地，設(shè)誤差的模糊論域為誤差變化的論域為控制量的論域為一般來說，論域的量化等級越細，控制精度也越高。但過細的量化等級將使算法復(fù)雜化，而且也沒有必要。確定了變量的基本論域和模糊集論域后，比例因子也就確定了。例：以兩輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)為例，設(shè)誤差的基本論域為27量化因子：，，比例因子：注：誤差和誤差變化這兩個變量的連續(xù)值與其論域中的離散值并不是一一對應(yīng)的。量化因子：，28模糊控制系統(tǒng)課件29（2）模糊推理機（Inferenceengine）模糊推理機由知識庫（數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫）與模糊推理決策邏輯構(gòu)成。這是基本部分。①知識庫（Knowledgebase）=數(shù)據(jù)庫（Datebase）+語言控制規(guī)則庫（Rulebase）模糊控制器的核心。②模糊推理機主要功能：模仿人的思維特征，根據(jù)模糊控制規(guī)則，運用模糊數(shù)學(xué)理論對模糊控制規(guī)則進行計算推理。（2）模糊推理機（Inferenceengine）30（3）解模糊接口（Defuzzification）原因：模糊推理得出的模糊輸出量不能直接去控制執(zhí)行機構(gòu)，必須確定一個最具有代表性的值作為真正的輸出控制量，即解模糊判決。主要功能：①比例映射：內(nèi)部論域→實際論域。②解模糊：模糊控制量→精確的控制作用，模糊化的反過程。（3）解模糊接口（Defuzzification）31模糊控制系統(tǒng)課件32模糊控制系統(tǒng)課件334.1.2常用的幾種模糊控制器⑴簡單模糊控制器及其特性（二維模糊控制器）方法：①根據(jù)被控對象，確定ｅ、△e、u的隸屬函數(shù)及模糊控制規(guī)則表→查詢表（例：表3.5P47）②實際應(yīng)用時，輸入變量→內(nèi)部論域，查表，得出u→執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點：①二維模糊控制器，比一維模糊控制器控制效果好。②設(shè)計簡單，性能好，適應(yīng)能力強。缺點：不同被控對象，控制規(guī)則不變，控制效果不好。圖4.3簡單模糊控制器的結(jié)構(gòu)4.1.2常用的幾種模糊控制器圖4.3簡單模糊控34⑵模糊自調(diào)整控制器----二維模糊控制器中加入修正因子（規(guī)則自調(diào)整模糊控制器）低階控制系統(tǒng)：>0.5高階控制系統(tǒng)：<0.5當誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，加快響應(yīng)速度，這時對誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當誤差較小時，此時系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小系統(tǒng)超調(diào)，這就要求在控制規(guī)則中誤差變化起的作用大些，即對誤差變化率的加權(quán)大些。因此，在不同的誤差范圍時，可通過調(diào)整來實現(xiàn)控制規(guī)則的自調(diào)整。⑵模糊自調(diào)整控制器----二維模糊控制器中加入修正因子35⑶變結(jié)構(gòu)模糊控制器----多個模糊控制器的組合不同狀態(tài)，不同要求下，多個軟件（具有不同參數(shù)、規(guī)則），根據(jù)情況選擇不同的控制器。如：溫度、壓力、流量，同時控制。⑶變結(jié)構(gòu)模糊控制器----多個模糊控制器的組合36模糊控制系統(tǒng)課件37⑸模糊自組織控制器經(jīng)驗不足者、沒有完整的模糊規(guī)則、時變系統(tǒng)且規(guī)則需要變化→實時自動修改、完善和調(diào)整規(guī)則⑹模糊自適應(yīng)控制器----在線辨識⑺模糊控制規(guī)則的自調(diào)整

基本思想----系統(tǒng)的控制誤差是評價控制器性能最為直接有效的指標。根據(jù)系統(tǒng)誤差估計控制量的校正值，再由這個控制量的校正值來修改模糊控制規(guī)則。

規(guī)則自調(diào)整模糊控制器=常規(guī)模糊控制器+規(guī)則自調(diào)整功能。模糊規(guī)則的修改過程可以看作是模糊控制器的學(xué)習過程，模糊規(guī)則的自調(diào)整是以語義形式實現(xiàn)的，在一定程度上體現(xiàn)了人的認識過程。⑸模糊自組織控制器384.1.3模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的實現(xiàn)方法：①由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控制器；②用通用單片機組成硬件系統(tǒng)：PLC、IPC、DSP等在模糊控制中，模糊控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，模糊控制器的設(shè)計實質(zhì)上是設(shè)計模糊控制算法。根據(jù)模糊控制原理，按以下步驟來設(shè)計模糊控制器：1)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)2)輸入、輸出變量的模糊化3)模糊推理決策算法的設(shè)計4)對輸出模糊量進行解模糊判決4.1.3模糊控制器的設(shè)計39思考題：1、模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)？各部分的主要功能？2、實際論域（基本論域）、模糊論域（內(nèi)部論域）的概念？3、常用的模糊控制器有哪些？4、二維FC的工作原理？優(yōu)缺點？5、FC設(shè)計的兩種實現(xiàn)方式及其特點？6、設(shè)計模糊控制器的步驟？思考題：404.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計實質(zhì)：模糊控制器輸入語言變量及輸出語言變量的選取和模糊控制器的不同組合與擴展問題。模糊控制系統(tǒng)可分為單變量控制系統(tǒng)、多變量控制系統(tǒng)。本書討論單變量模糊控制系統(tǒng)，輸入就是系統(tǒng)的給定值，輸出就是系統(tǒng)的輸出值。模糊控制的維數(shù)：模糊控制器輸入變量的個數(shù)。⑴一維模糊控制器Ifeth