智能控制 第3版 PPT課件 第4章

第四章基于模糊推理的智能控制主要內容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設計過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設計4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型主要內容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設計過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設計4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型模糊控制系統(tǒng)組成4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念被控對象：對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制執(zhí)行機構：除了電氣以外,如各類交、直流電動機，伺服電動機，步進電動機等，還有氣動的和液壓的，如各類氣動調節(jié)閥和液壓馬達、液壓閥等控制器：采用基于模糊知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的特點所在輸入/輸出（I/O）接口：適用于模糊邏輯處理的“模糊化”與“解模糊化”（或稱“非模糊化”)環(huán)節(jié)測量裝置：往往將測量裝置的觀測值反饋到系統(tǒng)輸入端，并與給定輸入量相比較，構成具有反饋通道的閉環(huán)結構形式模糊控制系統(tǒng)的原理4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念圖4-1模糊控制原理框圖控制步驟：根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量；將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；根?jù)輸入變量（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（模糊量）；由上述得到的控制量（模糊量）計算精確的控制量。模糊控制系統(tǒng)的分類4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念1．線性模糊控制系統(tǒng)與非線性模糊控制系統(tǒng)

線性度定義

模糊控制系統(tǒng)的分類4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念2．恒值模糊控制系統(tǒng)與隨動模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)與確定性控制系統(tǒng)一樣，根據(jù)系統(tǒng)輸出量（被控制量）為恒定值或者是以一定精度跟蹤輸入量函數(shù)的不同要求，可以分為恒值模糊控制系統(tǒng)與隨動模糊控制系統(tǒng)兩類。恒值模糊控制系統(tǒng)：若系統(tǒng)的給定值不變，要求其被控制輸出量保持恒定，而影響被控制量變化的只是進入系統(tǒng)的有界擾動作用，控制的目的是要求系統(tǒng)自動地克服這些擾動影響，如液位模糊控制系統(tǒng)等。隨動模糊控制系統(tǒng)：若系統(tǒng)的給定值是時間函數(shù)，要求其被控制輸出量按一定精度要求，快速地跟蹤給定值函數(shù)。盡管系統(tǒng)也存在外界擾動，但其對系統(tǒng)的影響不是控制的主要目標，如機器人關節(jié)的模糊控制位置隨動系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的分類4.1模糊控制系統(tǒng)的基本概念3．有差模糊控制系統(tǒng)與無差模糊控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)靜態(tài)精度的重要標志之一是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，即當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，其輸出與給定輸入所對應的期望輸出之間的差值。顯然，這種誤差越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。按靜態(tài)誤差是否存在，也可以分為有差模糊控制系統(tǒng)和無差模糊控制系統(tǒng)。：有差模糊控制系統(tǒng)：通常的模糊控制器在設計中只考慮系統(tǒng)輸出誤差的大小及其變化率，相當于一般的PD調節(jié)器作用，再加上模糊控制器本身的多級繼電特性，因此，一般的模糊控制系統(tǒng)均存在有靜態(tài)誤差無差模糊控制系統(tǒng)：根據(jù)在通常的自動控制系統(tǒng)中采用帶有積分環(huán)節(jié)的PID調節(jié)器原理，如果在模糊控制器中也引入積分作用，則可以將常規(guī)模糊控制器所存在的余差抑制到最小限度，達到模糊控制系統(tǒng)的無差要求。當然，這里的無差也是一個模糊概念，只能是某種限度上的無靜差主要內容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設計過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設計4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型模糊控制系統(tǒng)的結構4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理模糊控制系統(tǒng)又稱為模糊邏輯控制器（FuzzyLogicController,FLC），一般模糊控制系統(tǒng)的框圖如圖4-2所示，從功能上劃分，它主要由四個部分組成：模糊化、知識庫、模糊推理和清晰化。圖4-2模糊控制器的結構圖4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

模糊控制系統(tǒng)的結構分類4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

1.模糊化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

2.模糊控制的知識庫知識庫主要包含有數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫：數(shù)據(jù)庫：存放所有輸入、輸出變量論域，以及模糊子集的定義。用于向推理機、在模糊化接口和清晰化接口提供必要的數(shù)據(jù)。規(guī)則庫：存放模糊控制規(guī)則。建立方法有：a.總結操作人員、領域專家、控制工程師的經驗和知識b.基于過程的模糊模型c.基于學習和優(yōu)化的方法4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

3.模糊推理機模糊推理：采用某種推理方法，由采樣時刻的輸入和模糊控制規(guī)則導出模糊控制器的控制量輸出常用的推理算法：采樣時刻的輸入模糊控制規(guī)則控制器輸出某種推理方法Mamdani模糊推理算法Larsen模糊推理算法Takagi-Sugeno模糊推理算法Tsukamoto模糊推理算法簡單模糊推理算法4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

3.模糊推理機

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

優(yōu)點：簡單易行，也十分直觀缺點：不夠全面（僅考慮主要信息，放棄次要信息）全面考慮模糊量各部分信息作用4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理及類型

4.清晰化

圖4-8元素隸屬度累加曲線

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

4.2模糊控制系統(tǒng)的基本原理

4.清晰化

主要內容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設計過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設計4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.1Mamdani型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.1Mamdani型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.2T-S型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.3.2T-S型模糊控制系統(tǒng)的工作原理

主要內容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設計過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設計4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.4模糊控制系統(tǒng)的設計過程4.4.1輸入量的模糊化

圖4-3模糊控制系統(tǒng)4.4模糊控制系統(tǒng)的設計過程4.4.1輸入量的模糊化

正大(PL)：取在+6附近負零(NZ)：在比零稍小一點正中(PM)：取在+4附近負小(NS)：取在-2附近正小(PS)：取在+2附近負中(NM)：取在-4附近正零(PZ)：在比零稍大一點負大(NL)：取在-6附近圖4-4控制系統(tǒng)語言變量的隸屬度函數(shù)

4.4模糊控制系統(tǒng)的設計過程4.4.2模糊規(guī)則與模糊推理

4.4模糊控制系統(tǒng)的設計過程4.4.2模糊規(guī)則與模糊推理

4.4模糊控制系統(tǒng)的設計過程4.4.3模糊判決

主要內容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設計過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設計4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.1模糊模型①基于模糊關系方程的模糊模型

②一階T-S模糊模型

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.1模糊模型

③擬非線性模糊模型

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.2模糊關系模型的辨識

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.2模糊關系模型的辨識

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.2模糊關系模型的辨識

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.2模糊關系模型的辨識

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識①

T-S模糊模型結構

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識②

T-S模糊模型辨識的基本方法

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識②

T-S模糊模型辨識的基本方法前提部分和結論部分的聯(lián)合辨識：先給出初始的前提結構和參數(shù)然后辨識結論參數(shù)再計算性能指標，若不滿足要求，則再次修改模糊集合的劃分存在的問題：前提部分的劃分和參數(shù)與結論參數(shù)直接耦合前提條件中模糊集合劃分的改變直接影響到結論參數(shù)的辨識建立的模型對特定的數(shù)據(jù)有較高的精度工況的改變又會影響到模糊集合的劃分4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識③T-S模糊模型辨識的改進方法前提部分和結論部分的分開辨識：根據(jù)系統(tǒng)的特征或某種指標，對輸入變量先進行模糊聚類，確定前提部分輸入變量的隸屬度函數(shù)分布，在這種劃分下，再辨識結論部分的參數(shù)前提部分的模糊離散化模糊聚類算法結論參數(shù)的辨識4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識④基于T-S模糊模型的控制PDC(paralleldistributedcompensation)：對每一規(guī)則對應的線性子系統(tǒng)采用狀態(tài)反饋控制律，然后通過模糊加權得到全局系統(tǒng)的控制器，并對全局系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，得到系統(tǒng)全局穩(wěn)定的充分性條件。圖4-9T-S模糊控制系統(tǒng)的設計4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.3基于Takagi-Sugeno模糊模型的辨識④基于T-S模糊模型的控制

4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.4模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

①相平面分析4.5模糊控制系統(tǒng)的分析和設計4.5.4模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析②

Lyapunov判據(jù)分析法

該標量函數(shù)是Lyapunov函數(shù)，用來確定模糊控制系統(tǒng)靜止狀態(tài)的穩(wěn)定特性主要內容模糊控制系統(tǒng)的基本概念4.14.24.4模糊控制的基本原理模糊控制器的設計過程4.5模糊控制系統(tǒng)的分析與設計4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.3模糊控制系統(tǒng)的兩種基本類型4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.6.1蒸汽發(fā)動機的模糊控制系統(tǒng)英國學者Mamdani和Assilian研究了小型實驗室用汽輪機的模糊控制被控對象：蒸汽發(fā)動機和鍋爐蒸汽發(fā)動機：通過調整發(fā)動機氣缸的風門，控制速度鍋爐：以熱量作為輸入量，控制汽壓圖4-20蒸汽機和鍋爐的模糊控制系統(tǒng)兩輸入兩輸出控制系統(tǒng)操縱變量：鍋爐的供給熱量與蒸汽機油門的開度采用人工控制上述過程比較困難（存在非線性、噪聲以及兩個控制回路件的強耦合）4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.6.1蒸汽發(fā)動機的模糊控制系統(tǒng)①模糊控制器的結構采用如下六個模糊變量：輸入模糊變量：（1）：PE(pressureerror)——壓力誤差（2）：SE(speederror)——速度誤差（3）：CPE(changeinpressureerror)——壓力誤差的變化（4）：CSE(changeinspeederror)——速度誤差的變化輸出模糊變量：（5）：HC(heatchange)——熱量變化（6）：TC（throttlechange）——油門變化4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.6.1蒸汽發(fā)動機的模糊控制系統(tǒng)②模糊變量的論域及其隸屬度函數(shù)

輸入模糊變量4.6模糊控制系統(tǒng)的應用4.6.1蒸汽發(fā)動機的模糊控制系統(tǒng)②模糊變量的論域及其隸屬度函數(shù)

輸出模糊變量4.6模糊控制系統(tǒng)的應