智能控制理論及應(yīng)用 課件 第4章 4.1-4.5.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)過程

智能控制4.1模糊控制系統(tǒng)概述/011.模糊控制的提出與發(fā)展1965年，美國加利福尼亞大學(xué)控制論專家L.A.Zadeh教授發(fā)表的《FuzzySet》,它開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)的歷史。1974年，英國學(xué)者E.H.Mamdani在實(shí)驗(yàn)室成功地將模糊控制應(yīng)用于蒸汽機(jī)的控制，宣告了模糊控制的誕生。1982年，丹麥的L.P.Holmblad和Ostergard在水泥窯爐采用模糊控制并取得了成功，這是第一個(gè)商業(yè)化的用于實(shí)際工業(yè)過程的模糊控制器。在1979年，日立的SeijiYasunobu開始嘗試開發(fā)用于仙臺(tái)地鐵列車運(yùn)行的模糊控制系統(tǒng)。1987年，該系統(tǒng)在仙臺(tái)地鐵中正式運(yùn)行。此后20年來，模糊控制不斷發(fā)展并在許多領(lǐng)域中得到成功應(yīng)用。第4章4.1模糊控制系統(tǒng)概述2.模糊控制系統(tǒng)的組成

控制結(jié)構(gòu)：閉環(huán)控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)手段：基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的數(shù)字控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)方法：其本質(zhì)是讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行人的控制經(jīng)驗(yàn)

理論基礎(chǔ)：模糊集合及模糊數(shù)學(xué)

實(shí)現(xiàn)平臺(tái)：嵌入式系統(tǒng)、PLC、DCS等多種控制產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)現(xiàn)第4章4.1模糊控制系統(tǒng)概述4.2模糊控制器的設(shè)計(jì)方法/02確定模糊控制器的輸入、輸出變量；確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊論域；確定輸入、輸出變量劃分的模糊集合的個(gè)數(shù)；對(duì)輸入、輸出變量進(jìn)行模糊集合的具體劃分；1、確定輸入和輸出變量的模糊集合劃分第4章4.2.1模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟2.設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；3.確定模糊化方法；4.進(jìn)行模糊關(guān)系提取及模糊推理；5.確定去模糊化方法；6.確定量化因子和比例因子。第4章4.2.1模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)/03第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制目標(biāo)：即水箱的實(shí)際液位h跟蹤設(shè)定值H

針對(duì)該系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)單輸入單輸出模糊控制器1.確定輸入、輸出變量的模糊集合劃分

輸入：e=h(t)

-H

輸出：du第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)誤差進(jìn)水閥門的開度變化量(2)確定輸入、輸出變量的模糊論域輸入輸出變量的模糊論域范圍均為:[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意：為方便設(shè)計(jì)，這里的模糊論域通常采用比較普遍的對(duì)稱型的離散論域，經(jīng)常選用的范圍包括[-3,3]、[-5,5]、[-7,7]內(nèi)的整數(shù)。可以不用考慮實(shí)際輸入輸出變量的范圍，因?yàn)楹竺嬖趯?shí)際應(yīng)用時(shí)，可以結(jié)合變量的實(shí)際論域，使用量化因子和比例因子進(jìn)行輸入、輸出論域的轉(zhuǎn)換。(3)確定輸入、輸出變量的模糊集合的個(gè)數(shù)第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)將輸入、輸出變量均劃分為5個(gè)模糊集合

對(duì)應(yīng)為“負(fù)大”“負(fù)小”“零”“正小”“正大”。

（4）模糊集合的具體劃分第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊集合的表示2

設(shè)計(jì)模糊控制器的規(guī)則第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則即根據(jù)人的操作經(jīng)驗(yàn)?zāi)毘龅囊?guī)則。通常，可以通過總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)工程師或操作人員的經(jīng)驗(yàn)獲得。這里，規(guī)則的獲取方法為沉浸法“human-in-the-loop”，即假想自己是控制系統(tǒng)中的“控制器”，要根據(jù)輸入變量e的不同狀態(tài)，做出相應(yīng)的決策。2

設(shè)計(jì)模糊控制器的規(guī)則eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNBe=h(t)-He>0,h>20cm,du<0e<0,h<20cm,du>0e=0,h=20cm,du=0第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3

確定模糊化方法第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）精確值對(duì)應(yīng)的隸屬度最大的模糊集合只有一個(gè)

對(duì)于模糊論域上的任一精確量，如果只存在一個(gè)模糊集合，使得該精確量對(duì)應(yīng)的隸屬度最大，那么就將該模糊集合作為該精確量的模糊化結(jié)果。3

確定模糊化方法第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）精確值對(duì)應(yīng)的隸屬度最大的模糊集合不止一個(gè)當(dāng)元素在幾個(gè)模糊集合上的最大隸屬度相同時(shí)，即其對(duì)應(yīng)的隸屬度最大的模糊集合不止一個(gè)時(shí)，可以重新定義一個(gè)模糊集合，該模糊集合在該元素上的隸屬度為1，在論域中其他元素上的隸屬度為0。eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB4.模糊關(guān)系提取及模糊推理第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB4.模糊關(guān)系提取及模糊推理第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)例4.3（教材61頁）模糊推理第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.確定去模糊化方法（1）最大隸屬度法取隸屬度最大的元素作為去模糊化結(jié)果如果最大隸屬度對(duì)應(yīng)的元素多于一個(gè)MOM（MiddleofMaximum）SOM（SmallestofMaximum）LOM（LargestofMaximum）（2）重心法（加權(quán)平均法）取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心作為去模糊化結(jié)果第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.確定去模糊化方法第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.確定量化因子和比例因子Kin

量化因子：將輸入信號(hào)的實(shí)際論域轉(zhuǎn)換到模糊論域內(nèi)Ku

比例因子：將輸出的模糊論域轉(zhuǎn)換到實(shí)際論域內(nèi)第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.確定量化因子和比例因子如果e的實(shí)際論域是[eL,eH]，eL為下限,eH為上限，那么

同樣，如果

u

的論域=[uL,uH],那么,模糊控制器ku設(shè)定值T－eEUukeE的模糊論域:{-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m-1,m}；U的模糊論域:{-l,-l+1,…,-1,0,1,…,l-1,l}。第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.確定量化因子和比例因子第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.確定量化因子和比例因子注意：（a）前面給出的公式和案例中變量的實(shí)際論域和模糊論域均為對(duì)稱形式，如果論域不對(duì)稱，則需要進(jìn)行相應(yīng)的平移操作。（b）量化因子、比例因子的作用僅僅為論域變換，它們處理前、后的值均為精確量。4.4模糊控制查詢表/041.何為模糊控制查詢表第4章4.4模糊控制查詢表如果一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的輸入和輸出的模糊論域固定、模糊規(guī)則固定、模糊化及去模糊化方法固定，則對(duì)于任意一個(gè)輸入到模糊控制器的精確值，其輸出值也是唯一的。如果我們將該過程提前離線計(jì)算好，就可以得到一個(gè)模糊控制查詢表，該表描述了模糊控制器的輸入和輸出之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。模糊控制查詢表等價(jià)于模糊控制器。1.何為模糊控制查詢表第4章4.4模糊控制查詢表在實(shí)際過程中，我們可以用離線計(jì)算好的模糊控制查詢表代替模糊控制器，從而可以大大減少計(jì)算量，滿足實(shí)時(shí)控制的需要?；谀：刂撇樵儽淼哪：刂葡到y(tǒng)如下圖所示。2、模糊控制查詢表的獲取(p73)32第4章4.4模糊控制查詢表33第4章4.4模糊控制查詢表2、模糊控制查詢表的獲取(p73)以4.2節(jié)的水箱液位模糊控制系統(tǒng)為例，進(jìn)行模糊控制查詢表的獲取。對(duì)于輸入e的模糊論域[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]中的元素-4（1）模糊化后對(duì)應(yīng)：（2）基于已知的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理34第4章4.4模糊控制查詢表2、模糊控制查詢表的獲取(p73)（3）去模糊化采用重心法對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行去模糊化，可得35第4章4.4模糊控制查詢表2、模糊控制查詢表的獲取(p73)將輸入變量e的模糊論域[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]中的其他元素，按照上述三個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算，可得到表4-4所示的模糊控制查詢表。2、模糊控制查詢表的獲取(p73)e-4-3-2-101234du2.932.601.6710-1-1.67-2.60-2.93包括兩個(gè)步驟:（1）離線計(jì)算:模糊控制查詢表.（2）在線實(shí)現(xiàn):得到當(dāng)前e(t)，將量化因子縮放后，搜索模糊控制查詢表，然后輸出相應(yīng)的控制值。第4章4.4模糊控制查詢表3、基于模糊控制查詢表的控制流程第4章4.4模糊控制查詢表4.5模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真案例4.5.1兩入單出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.5.2倒立擺模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)/05（1）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊集合劃分1）確定模糊控制器的輸入、輸出變量輸入：輸出：第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊集合劃分第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊論域e、ec、du的模糊論域均為3）確定輸入、輸出變量劃分的模糊集合的個(gè)數(shù)將兩個(gè)輸入及一個(gè)輸出變量均劃分為5個(gè)模糊集合（1）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊集合劃分4）對(duì)輸入、輸出變量進(jìn)行模糊集合的具體劃分第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則e是NBec是NBdu是PBe是NBec是PBdu是?第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

dueNBNSZOPSPBecNBPBPBPBZO/PSNBNSPBPBPSNS/ZONBZOPBPSZONSNBPSPBPS/ZONSNBNBP