智能控制08-模糊控制设计总结优缺点及改进

模糊控制的优缺点①设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌握人类的控制经验。②系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制优点：模糊控制的优缺点①模糊化和反模糊化过程缺乏系统的方法，主要靠经验和试凑。②总结模糊控制规则有时比较困难。③控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化。④模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。缺点：模糊控制的改进方法Why?模糊控制的特点可以实现人的控制策略易于实现在平衡点附近会产生振荡，稳态精度较差提高控制精度必须以多分档为代价，因此使得规则数和计算量大大增加PID控制的特点：运用普遍参数对控制性能具有较大影响模糊PID3.3.2模糊控制与PID控制的结合------双模控制识别判断模糊控制器PI控制器对象复合控制器双模控制器由模糊控制器和PI控制器并联组成。控制开关在系统误差较大时接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通PI控制器来消除稳态误差。控制开关的控制规则可以描述为：AePIAeFCu||,||,基于切换方式实现的模糊PID控制器Fuzzy控制器PID控制器对象|e|=E|e|Er-ye基于切换方式实现的模糊PID控制器Example:4()301GssSimulink仿真实现Switch介绍控制效果模糊PIDPIDKp=2,Ki=1,Kd=0基于参数自整定的模糊PID控制器PID控制器对象r-yeFuzzy控制器dkpdkidkdde/dt确定输入、输出变量输入变量：e、de输出变量：,,piddkdkdkPID控制器对象r-yedkpdkidkddeeFuzzy控制器';';';pppiiidddkkdkkkdkkkdk参数整定讨论：PID对控制系统的影响比例系数（现在）：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分系数（过去）：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的稳态误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若Ki过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数（未来）：改善系统的动态特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势。并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。模糊规则表dKp,dKi,dKdNBNMNSZOPSPMPBNBPB,NB,PSPB,NB,NSPM,NM,NBPM,NM,NBPS,NS,NBZO,ZO,NMZO,ZO,PSNMPB,NB,PSPB,NB,NSPM,NM,NBPS,NS,NMPS,NS,NMZO,ZO,NSNS,ZO,ZONSPM,NB,ZOPM,NM,NSPM,NS,NMPS,NS,NMZO,ZO,NSNS,PS,NSNS,PS,ZOZOPM,NM,ZOPM,NM,NSPS,NS,NSZO,ZO,NSNS,PS,NSNM,PM,NSNM,PM,ZOPSPS,NM,ZOPS,NS,ZOZO,ZO,ZONS,PS,ZONS,PS,ZONM,PM,ZONM,PB,ZOPMPS,ZO,PBZO,ZO,NSNS,PS,PSNM,PS,PSNM,PM,PSNM,PB,PSNB,PB,PBPBZO,ZO,PBZO,ZO,PMNM,PS,PMNM,PM,PMNM,PM,PSNB,PB,PSNB,PB,PBeec参考论文模糊自整定PID控制器的设计及其应用，吴振顺，姚建均，岳东海，哈尔滨工业大学学报，2004年11月。3.3模糊控制的改进方法串联控制模糊控制器PI控制器对象复合控制器＋＋当|E|≥1时,系统的误差e和模糊控制器的输出u的和作为PI控制器的输入,克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用;当|E|1时,模糊控制器输出断开,仅有e加到PI控制器的输入,消除稳态误差。3.3模糊控制的改进方法并联控制模糊控制器PI控制器对象复合控制器＋＋当|E|≥1时，模糊控制器开关闭合，PI控制器的输出和模糊控制器的输出的和作为被控对象的输入,克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用；当|E|1时,模糊控制器输出断开，仅有PI控制器控制对象,消除稳态误差。3.3.3自校正模糊控制普通模糊控制器的参数和控制规则在系统运行时无法在线调整，自适应能力差自校正模糊控制器通常分为两种：参数自校正模糊控制器规则自校正模糊控制器自校正模糊控制器在线修正模糊控制器的参数或控制规则，增强模糊控制器的自适应能力参数自校正模糊控制器1）量化因子Ｋe、Ｋec和比例因子Ｋu对控制性能的影响如果E、EC、U的论域和控制规则是确定的，那么模糊查询表是确定的，也就是说，E、EC和U的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为：U(k)=f[E(k),EC(k)])()(keKkEe)()(kecKkECec)()(kUKkuu)](),([)(kecKkeKfKkueceu2）Ke、Kec、Ku的调整方法系统状态性能要求参数调整的要求原因e和ec较大尽快消除误差，加快响应速度降低Ke和Kec；加大Ku降低Ke和Kec可以降低对e和ec输入量的分辨率,使得e、ec的减少不致于使控制器的减少太多。加大比例因子Ku,可以获得较大的控制量,使响应加快。e和ec较小系统已经接近稳态,此时要求提高系统精度,减少超调量加大Ke和Kec；降低Ku增大Ke和Kec可以提高对输入变化的分辨率，使得控制器可以对微小的误差做出反应，提高稳态的精度减少Ku，以减小超调量3.3参数自校正模糊控制器根据上述参数自调整的原则和思想，可以设计一个模糊参数调整器，在线地根据偏差e和偏差变化ec来调整Ke、Kec、Ku的取值。在不影响控制效果的前提下，可以取Ke、Kec增加的倍数与输出的比例因子Ku减小的倍数相同。①确定模糊控制器的输入变量和输出变量；该模糊参数调整器的输入与模糊控制器的输入相同，为偏差E和偏差变化EC；输出为Ke、Kec的增加倍数N（即Ku的减小倍数）。模糊参数调整器的设计参数自校正模糊控制器-6-4-20246NBNMNSZOPSPMPBx10E、EC的隶属函数分布②确定输入，输出的论域、语言取值及其隶属函数；输入E、EC的论域都定义为:E、EC∈{-6,-5,…,-1,0,1,…,5,6}语言值定义为：{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}参数自校正模糊控制器N的论域定义为：{1/8,1/4,1/2,1,2,4,8}；语言值定义为：{ＣＨ(高缩)、ＣＭ(中缩)、ＣＬ(低缩)、ＯＫ(不变)、ＡＬ(低放)、ＡＭ(中放)、ＡＨ(高放)}；1/81/41/21248CHCMCLOKALAMABN10N的隶属函数分布参数自校正模糊控制器③总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系N的调整规则表④根据规则表蕴涵的模糊关系，经过模糊推理和清晰化操作，可以总结出相应的模糊参数调整查询表。{CH(高缩)、CM(中缩)、CL(低缩)、OK(不变)、AL(低放)、AM(中放)、AH(高放)}参数自校正模糊控制器dtdeeceKecKEEC模糊控制器UuK对象模糊参数调整器NNKeNKecNKu/设定值＋－参数自校正模糊控制系统原理图参数自校正模糊控制器实现步骤（1）以原始的Ke和Kec对e和ec进行量化得到E、EC；（2）由E、EC查模糊参数调整查询表得出调整倍数N;（3）令Ke’=Ke×N，Kec’=Kec×N，Ku’=Ku/N；（4）用调整后的Ke’、Kec’对e和ec重新量化；（5）用重新量化的E、EC查模糊控制表,得出控制量U。（6）用比例因子Ku’乘以U获得控制量u。规则自校正模糊控制器控制规则和查询表都是在人工经验的基础上设计出来的，因而难免带有主观因素，使控制规则往往在某种程度上显得精度不高或不完善;当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的影响时，需要对控制规则和查询表及时进行修正。1）为什么要进行规则校正?规则自校正模糊控制器对于一个二维模糊控制器，当输入变量偏差E、偏差变化EC和输出控制量U的论域等级划分相同时，则其控制查询表可以近似归纳为：()/2,()/2,EUEUUEECUEEC和的极性相同时-和的极性相反时在上式的基础上引入一个调整因子，则可得到一种带有调整因子的控制规则：的极性相反时和－的极性相同时和UEECEUUEECEU,])1([,)1(α为调整因子或加权因子，它反映了误差E和误差变化EC对控制输出量U的加权程度，通过调整α值，可以达到改变控制规则的目的。2）如何进行规则的校正？规则自校正模糊控制器α的调整对控制性能的影响当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，加快响应速度，这时对误差的加权应该大些；当误差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起的作用大些，即对误差变化的加权大些。因此，在不同的误差范围时，可以通过调整加权因子，来实现控制规则的自调整。规则自校正模糊控制器α的调整方法1.分段法将误差的取值范围划分为几段，每一段对应一个调整因子α。α的取值随误差的增大而增大。112121211||,||,||,||,nnnnnAEAEAAEAAE1021nEECU误差判断ECEU)1(α的调整方法－函数法(2)2()exp(),(0)Gekek偏差大时，α较大，系统能尽快消除偏差;偏差小时，α较小，系统能尽快趋于稳态。即根据模糊目标的隶属函数来调节大小。1()Ge令：3.3.4变结构模糊控制控制系统在实际运行中，往往会运行于不同的工作状态。在不同的工作状态，控制的规则、输入输出的论域都不同。可以将工作过程划分为几个状态，对不同的状态分别设计不同的模糊控制器。系统在运行时，可以根据系统偏差、偏差变化率等状态特征，识别出系统所处的状态，切换到所需的模糊控制器。dtd/特征识别模糊控制器1模糊控制器2模糊控制器n……对象变结构模糊控制器思考题1.用自己的语言和理解描述：什么是模糊控制？2.模糊控制器的适用场合？3.设速度论域为[0,300m/s],请将速度变量用慢，中，快三个模糊集合表示（用图示法表示出来）