第五模糊控制演示文稿

第五模糊控制演示文稿當前1頁，總共22頁。（優(yōu)選）第五模糊控制當前2頁，總共22頁。二、模糊控制系統(tǒng)的工作過程給定值與被控制量之間的偏差為模糊控制器的輸入量。這是一個精確量，為了增強系統(tǒng)控制能力，方便調(diào)節(jié)控制性能，同時也為模糊化處理做準備，對精確量進行量化，然后經(jīng)過模糊化處理轉(zhuǎn)化為模糊量，用相應的模糊子集表示。再由和模糊控制規(guī)則（即模糊關系），根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量，即。由于實際被控對象的控制量是精確量，因此需要將模糊控制量進行反模糊化處理變成精確量，再經(jīng)過輸出量化處理得到實際輸出值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送到執(zhí)行機構對被控對象進行控制。這樣周而復始的循環(huán)下去，就實現(xiàn)了被控過程的模糊控制。當前3頁，總共22頁。模糊控制器的控制規(guī)律是由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)的，具體步驟如下：（1）根據(jù)本次采樣值得到模糊控制器的輸入量，并進行輸入量化處理；（2）量化后的變量進行模糊化處理，得到模糊量；（3）根據(jù)輸入的模糊量及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量（輸出的模糊量）；（4）對得到的模糊輸出量進行反模糊化處理，得到控制量的精確量，并進行輸出量化處理，得到實際控制量。當前4頁，總共22頁。三、模糊控制器的結構模糊控制器的輸入變量一般選為偏差及其變化率，輸出變量通常為作用于被控對象的控制量。輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，根據(jù)輸入變量的個數(shù)不同，模糊控制器一般有三種結構，如圖5-2所示。（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5-2基本模糊控制器的幾種結構當前5頁，總共22頁。第二節(jié)模糊控制器的設計一、模糊控制的基礎知識1．模糊集合與隸屬函數(shù)模糊控制器是一種模擬人的思維推理過程的控制器，采用語言變量來描述輸入輸出數(shù)據(jù)。語言變量是自然語言中的詞或句，它的取值不是通常的數(shù)，而是用如長、短、大、小、年輕、年老等模糊語言表示的模糊集合。例如，將“青年”看作是一個集合，則它就是一個模糊集合。若認為小于40歲的人可稱為“青年”，那么35歲的人應毫無疑問地屬于“青年”，如果對此加以量化，則可設其屬于“青年”的程度為1，39歲的人屬于“青年”的程度為0.7，40歲的人屬于的程度為0.5，41歲的人屬于的程度為0.3等等。這種屬于的程度值可在0～1之間連續(xù)變化，稱為隸屬度函數(shù)（也叫隸屬函數(shù)）。當前6頁，總共22頁。用大寫字母表示模糊集合，用表示隸屬函數(shù)，中的元素用表示，則表示元素屬于模糊集合的程度。定義：所謂給定論域上的一個模糊集合是指都存在一個數(shù)與對應，這個數(shù)叫做對的隸屬度，即存在映射隸屬度表示了隸屬于模糊集合的程度，當為有限集合時，可以采用下面的表達方法表示模糊集合。式中，并不表示分數(shù)，而是表示論域中的元素與其隸屬度之間的對應關系；“＋”也不表示“求和”，而是表示模糊集合在論域上的整體。當前7頁，總共22頁。2．幾種典型的隸屬函數(shù)（1）高斯型隸屬函數(shù)圖5-3高斯型隸屬函數(shù)當前8頁，總共22頁。（2）S形隸屬函數(shù)圖5-4S形隸屬函數(shù)當前9頁，總共22頁。（3）梯形隸屬函數(shù)圖5-5梯形隸屬函數(shù)當前10頁，總共22頁。（4）三角形隸屬函數(shù)圖5-6三角形隸屬函數(shù)當前11頁，總共22頁。（5）Z形隸屬函數(shù)圖5-7Z形隸屬函數(shù)當前12頁，總共22頁。3．隸屬函數(shù)的確定方法（1）模糊統(tǒng)計法隸屬函數(shù)可以通過模糊統(tǒng)計試驗方法來確定。即根據(jù)所提出的模糊概念進行調(diào)查統(tǒng)計，提出與之對應的模糊集合，通過統(tǒng)計實驗，確定不同元素屬于的程度，如式（5-7）所示。（2）例證法例證法的主要思想是從已知有限個的值來估計論域上的模糊集合的隸屬函數(shù)。（3）專家經(jīng)驗法專家經(jīng)驗法就是根據(jù)專家的實際經(jīng)驗，再加上必要的數(shù)學處理而得到隸屬函數(shù)的方法。當前13頁，總共22頁。二、論域的確定及輸入輸出量化所謂論域就是被考慮客體所有元素的集合。在模糊控制系統(tǒng)中，把模糊控制器的輸入變量偏差及其變化率的實際范圍稱為這些變量的基本論域?；菊撚騼?nèi)的量為精確量，需要對它們進行量化處理。在實際控制系統(tǒng)中，需要通過所謂量化因子進行量化處理，實現(xiàn)論域變換。量化因子的定義為：對于系統(tǒng)輸出量，基于量化因子的概念，定義為其比例因子：當前14頁，總共22頁。模糊控制器的量化因子和比例因子對系統(tǒng)的控制品質(zhì)有很大的影響。從理論上講，增大，相當于縮小了偏差的基本論域，增大了偏差變量的控制作用。因此，量化因子選得越大，系統(tǒng)超調(diào)越大，過渡過程時間越長，但穩(wěn)態(tài)控制精度高；變小，可減小超調(diào)，但會增大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。量化因子對系統(tǒng)超調(diào)的抑制作用十分明顯，選擇較大時，超調(diào)量減小，但會減慢系統(tǒng)響應速度。輸出比例因子的大小也影響模糊控制的特性。選擇過小會使系統(tǒng)動態(tài)響應過程變長，而選擇過大會導致系統(tǒng)振蕩。當前15頁，總共22頁。三、模糊化處理模糊控制器的輸入數(shù)據(jù)都是精確量，而模糊控制器是采用人的思維，也就是語言規(guī)則進行推理，因此需要將輸入數(shù)據(jù)(如溫度910℃)變換成語言值(如溫度“低”、“中”、“高”)，這個過程稱之為模糊化的過程。對輸入數(shù)據(jù)進行模糊化處理是模糊控制器設計必不可少的一步。1．確定輸入輸出變量的模糊集合模糊控制器中常用正大、正中、正小、零、負小、負中、負大等模糊語言描述輸入的偏差。因此，若將“偏差”看成是一個模糊語言變量，則它的取值不是具體的偏差大小，而是諸如“正大”、“正小”、“負中”、“零”等用模糊語言表示的模糊集合。一個模糊集合通常有三種等級劃分方法：（1）{負大，負小，零，正小，正大}五個等級；（2）{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}七個等級；（3）{負大，負中，負小，零負，零正，正小，正中，正大}八個等級。當前16頁，總共22頁。2．確定隸屬函數(shù)輸入變量偏差、偏差變化率和輸出控制量的模糊集合以及論域確定后，需要確定模糊語言變量的隸屬函數(shù)。一般是根據(jù)專家經(jīng)驗或統(tǒng)計分析結果進行確定。3．模糊化處理所謂模糊化，就是根據(jù)模糊集合的隸屬函數(shù)，對輸入的數(shù)值找出相應的隸屬度的過程。在確定模糊變量隸屬函數(shù)以后，就可以根據(jù)所選擇的隸屬函數(shù)確定論域內(nèi)元素對模糊語言變量的隸屬度值，即所謂對模糊變量賦值。當前17頁，總共22頁。四、模糊控制規(guī)則的建立與模糊推理1．模糊控制規(guī)則的建立模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制規(guī)則是至關重要的問題。模糊控制規(guī)則的生成大致有四種方法：（1）根據(jù)專家經(jīng)驗或過程知識生成控制規(guī)則；（2）根據(jù)過程模糊模型生成控制規(guī)則；（3）根據(jù)對手工控制操作的系統(tǒng)觀察和測量生成控制規(guī)則；（4）根據(jù)學習算法生成控制規(guī)則。實際工程中，通常采用第一種方法來確定控制規(guī)則，并在試驗過程中不斷進行修改和完善。規(guī)則的形式常采用類似于計算機程序設計語言的條件語句：當前18頁，總共22頁。2．模糊蘊含關系運算在應用模糊集合論進行模糊推理時，用模糊蘊含關系表示模糊規(guī)則或模糊條件句，這樣就將推理判斷過程轉(zhuǎn)化為模糊蘊含關系的運算，即對隸屬度的合成及運算過程。模糊控制中的控制規(guī)則實質(zhì)上就是模糊蘊含關系。（1）模糊蘊含最小運算（2）模糊蘊含積運算利用MATLAB軟件中的模糊控制工具箱可以方便的完成上述運算。當前19頁，總共22頁。3．模糊推理模糊推理就是利用某種模糊推理算法和模糊規(guī)則進行推理，得出最終的控制量。模糊推理算法與模糊規(guī)則直接相關。它的復雜性依賴于模糊規(guī)則語句中模糊集合隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡單的又能反映模糊推理結果的隸屬函數(shù)可以大大簡化模糊推理的計算過程。（1）廣義前向推理（GMP）：對于GMP推理，（2）廣義反向推理（GMT）：對于GMT推理，當前20頁，總共22頁。五、反模糊化處理通過模糊推理得到的結果仍然是一個模糊量，但實際應用中，控制或驅(qū)動執(zhí)行機構需要的是精確量。因此要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，這一過程稱為反模糊化。從工程應用的角度看，需要使用代表性好、算法簡單的反模糊化方法。1．最大隸屬度法這種方法最簡單，在輸出模糊集合中取隸屬度最大的作為精確值輸出。2．最大平均法當輸出模糊集合不是單峰的，其隸屬函數(shù)有多個極值時，可以把值最大的所有輸出取平均作為精確值輸出。3．面積均分法（中位數(shù)法）4．重心法所謂重心法就是取輸出模糊集合隸屬函數(shù)曲線與橫坐標軸圍成面積的重心相應的輸出作為輸出的精確值。當前21頁，總共22頁。第三節(jié)模糊控制器的實現(xiàn)一、查表法所謂查表法就是將輸入量的隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則及輸出量的隸屬度函數(shù)都用表格來表