第七章 模糊控制(pt1)

智能控制12012-3-19第七章模糊控制7.1模糊控制系统原理7.1.1传统控制系统的特点7.1.2模糊控制系统的工作原理7.1.3模糊控制的系统结构7.1.4模糊控制器的结构和组成7.2模糊控制器设计7.2.1模糊控制器设计要求7.2.2清晰量的模糊化7.2.3模糊量的清晰化7.2.4模糊控制规则及控制算法智能控制22012-3-197.1.1传统控制系统的特点¾传统的反馈控制系统由三部分组成：•被控对象；•产生作用于被控对象输入的控制器；•测量被控对象输出的敏感元件。系统框图如图7-1所示。智能控制32012-3-19控制器被控对象敏感元件rudynv图图77--11传统反馈系统传统反馈系统智能控制42012-3-19¾比例-积分-微分（PID）控制器是常用的一种控制器，在工业过程中其常用的形式是¾这种控制用来解决线性定常系统的控制问题是十分有效的，¾现代控制理论在空间飞行方面也得到了成功的应用。SKSKKdip++智能控制52012-3-19¾大滞后、非线性的复杂工业对象，¾难以获得精确数学模型¾模型非常粗糙的工业系统等，¾都仍然以人工操作和人工控制为主，¾在实际生产过程中，人们发现，有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或被控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制工作。¾模糊控制就是这种模仿人的思维方式和人的控制经验来实现控制的一种控制方法。智能控制62012-3-19模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。出量加到执行器上。7.1.27.1.2、模糊控制原理、模糊控制原理智能控制72012-3-19图图77--22模糊控制原理框图模糊控制原理框图智能控制82012-3-19模糊控制器（模糊控制器（FuzzyControllerFuzzyController——FCFC）也）也称为模糊逻辑控制器（称为模糊逻辑控制器（FuzzyLogicFuzzyLogicControllerController——FLCFLC））,,由于所采用的模糊控制规由于所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器（称为模糊语言控制器（FuzzyLanguageFuzzyLanguageControllerController——FLCFLC）。）。智能控制92012-3-197.1.3模糊控制器的结构1.模糊控制器的结构①单变量模糊控制器‡单变量模糊控制系统：是指在模糊控化子系统中，具有一个输入变量和一个输出变量的系统.‡一个单变量模糊控制系统所采用的模糊控制器称为单变量模糊控制器智能控制102012-3-19‡模糊控制器的维数：通常指单变量模糊控制器的输入量个数。‡一维模糊控制器如图7-3(a)所示，它的输入变量是系统的偏差量E，输出变量是系统的控制量的变化值U。由于仅采用偏差控制，所以系统的动态控制性能不佳，一般用于一阶被控对象。图7-3智能控制112012-3-19图7-3智能控制122012-3-19d/dt模糊控制器模糊控制器d/dtd/dtEEEEUE.E..E.U(b)二维模糊控制器(c)三维模糊控制器7-17单变量模糊控制器智能控制132012-3-197.1.47.1.4模糊控制器的构成模糊控制器的构成模糊控制器的组成框图如图模糊控制器的组成框图如图77--44所示。所示。图图77--44模糊控制器的组成框图模糊控制器的组成框图智能控制142012-3-19¾1.模糊化接口（Fuzzyinterface）¾模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。把物理量的清晰值转换成模糊语言变量的过程叫做清晰量的模糊化。¾对于一个模糊输入变量e，其模糊子集通常可以作如下方式划分：¾（1）={负大，负小，零，正小，正大}={NB,NS,ZO,PS,PB}¾（2）={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}¾（3）={大，负中，负小，零负，零正，正小，正中，正大}={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}智能控制152012-3-19用三角型隶属度函数表示如图7-5所示。图7-5模糊子集和模糊化等级智能控制162012-3-19¾2.知识库（KnowledgeBase—KB）¾知识库由数据库和规则库两部分构成。¾（1）数据库（DataBase—DB）数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值（即经过论域等级离散化以后对应值的集合），若论域为连续域则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。智能控制172012-3-19¾（2）规则库（RuleBase—RB）模糊控制器的规则司基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成，如if-then、else、also、end、or等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词为if-then、also，对于多变量模糊控制系统，还有and等。例如，某模糊控制系统输入变量为（误差）和（误差变化），它们对应的语言变量为E和EC，可给出一组模糊规则：智能控制182012-3-19¾R1:IFEisNBandECisNBthenUisPB¾R2:IFEisNBandECisNSthenUisPM¾通常把if…部分称为“前提部，而then…部分称为“结论部”，其基本结构可归纳为IfAandBthenC,其中A为论域U上的一个模糊子集，B是论域V上的一个模糊子集。根据人工控制经验，可离线组织其控制决策表R,R是笛卡儿乘积集上的一个模糊子集，则某一时刻其控制量由下式给出：智能控制192012-3-19¾式中×模糊直积运算；¾°模糊合成运算。¾规则库是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规则。规则条数和模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数越多，但并不代表规则库的准确度越高，规则库的“准确性”还与专家知识的准确度有关。()RBAC×=××智能控制202012-3-19¾3．推理与解模糊接口（InferenceandDefuzzy-interface）¾推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。¾在第六章中，已经介绍过模糊推理的各种方法。¾推理包含有正向推理和逆向推理两类。¾正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。×智能控制212012-3-19¾推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换功能作用的部分称为解模糊接口。智能控制222012-3-19IV.清晰化接口‡清晰化又称去模糊和反模糊。‡模糊推理所得的结果是一个模糊集或者是它的隶属函数，不能直接用于作为控制量，因而还必须作一次转换，将模糊量转换为清晰的数字量。‡清晰化有各种方法，其中最简单的一种是最大隶属度法。在控制技术中最常用的方法还有重心法，面积重心法，左取大法，右取大法，最大平均值法等。智能控制232012-3-19¾综上所述，模糊控制器实际上就是依靠微机（或单片机）来构成的。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。智能控制242012-3-197.1.5、模糊控制系统的工作原理以水位的模糊控制为例，如图以水位的模糊控制为例，如图77--66所示。设有一个水所示。设有一个水箱，通过调节阀可向内注水和向外抽水。设计一个模糊箱，通过调节阀可向内注水和向外抽水。设计一个模糊控制器，通过调节阀门将水位稳定在固定点附近。控制器，通过调节阀门将水位稳定在固定点附近。h图7-6水箱液位控制智能控制252012-3-19模糊控制规则¾¾按照日常的操作经验，可以得到基本的控制规则：按照日常的操作经验，可以得到基本的控制规则：¾¾““若水位高于若水位高于OO点，则向外排水，差值越大，排水点，则向外排水，差值越大，排水越快越快””；；¾¾““若水位低于若水位低于OO点，则向内注水，差值越大，注水点，则向内注水，差值越大，注水越快越快””。。¾¾根据上述经验，按下列步骤设计模糊控制器：根据上述经验，按下列步骤设计模糊控制器：智能控制262012-3-1911确定观测量和控制量确定观测量和控制量定义理想液位定义理想液位OO点的水位为点的水位为hh00，实际测得的，实际测得的水位高度为水位高度为hh，选择液位差，选择液位差将当前水位对于将当前水位对于OO点的偏差点的偏差ee作为观测量，作为观测量，hhhe−=Δ=022输入量和输出量的模糊化输入量和输出量的模糊化将偏差将偏差ee分为五级：负大（分为五级：负大（NBNB），负小（），负小（NSNS），零（），零（OO），正小（），正小（PSPS），正大（），正大（PBPB）。）。智能控制272012-3-19根据偏差根据偏差ee的变化范围分为七个等级：的变化范围分为七个等级：--33，，--22，，--11，，00，，+1+1，，+2+2，，+3+3。得到水位变化模糊表。得到水位变化模糊表77--11。。变化等级隶属度-3-2-10123PB000000.51PS000010.50O000.510.500NS00.510000模糊集NB10.500000表表77--11水位变化划分表水位变化划分表智能控制282012-3-19控制量控制量uu为调节阀门开度的变化。将其分为为调节阀门开度的变化。将其分为五级：负大（五级：负大（NBNB），负小（），负小（NSNS），零（），零（OO）），正小（，正小（PSPS），正大（），正大（PBPB）。并根据）。并根据uu的变的变化范围分为九个等级：化范围分为九个等级：--44，，--33，，--22，，--11，，00，，+1+1，，+2+2，，+3+3，，+4+4。得到控制量模糊划分表。得到控制量模糊划分表77--22。。智能控制292012-3-19变化等级隶属度-4-3-2-101234PB00000000.51PS000000.510.50O0000.510.5000NS00.510.500000模糊集NB10.50000000表表77--22控制量变化划分表控制量变化划分表智能控制302012-3-1933模糊规则的描述模糊规则的描述根据日常的经验，设计以下模糊规则：根据日常的经验，设计以下模糊规则：（（11））““若若ee负大，则负大，则uu正大正大””（（22））““若若ee负小，则负小，则uu正小正小””（（33））““若若ee为为00，则，则uu为为00””（（44））““若若ee正小，则正小，则uu负小负小””（（55））““若若ee正大，则正大，则uu负大负大””智能控制312012-3-19上述规则采用上述规则采用““IFATHENBIFATHENB””形式来描述：形式来描述：（（11））ife=