水溫的模糊自適應(yīng)控制及其應(yīng)用研究

1、東南大學(xué)碩士學(xué)位論文水溫的模糊自適應(yīng)控制及其應(yīng)用研究研究生姓名李亞釗指導(dǎo)教師：韓正忠教授申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)名稱：運籌學(xué)與控制論東南大學(xué)數(shù)學(xué)系二零零五年一月摘要太陽能熱水器系統(tǒng)是一個時變的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，如何實現(xiàn)其智能控制，是太陽能熱水器控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一項重大課題。目前，太陽能熱水器系統(tǒng)的理論研究與實際應(yīng)用已取得了一定的進展，它們應(yīng)用了廣義預(yù)測控制、控制、經(jīng)典的模糊控制、不確定性多目標規(guī)劃等方法，這些方法具有一定的局限性，由于系統(tǒng)參數(shù)是事先確定下來的，系統(tǒng)運行中它們不具有自適應(yīng)性，當外界環(huán)境變化較大時，控制效果較差。本文通過研究模糊自適應(yīng)控制理論，設(shè)計了一個模糊自適應(yīng)控制器對太陽能熱水

2、器系統(tǒng)的電加熱進行控制，實現(xiàn)了太陽能熱水器水溫的自動調(diào)節(jié)，使熱水器能根據(jù)用戶的使用習慣自動調(diào)節(jié)水溫由于太陽能熱利用系統(tǒng)具有時變性、非線性性和模糊性，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述它，常規(guī)的控制方法得到的控制效果不太理想，因此為了獲取系統(tǒng)的非線性特性，本文提出利用輸入輸出數(shù)據(jù)對，采用帶有遺忘因子的遞推最小二乘法對系統(tǒng)進行辨識模糊控制不需要建立被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而用語言變量來描述系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射、自學(xué)習能力及并行處理信息等優(yōu)點，因此本方案把模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，將模糊控制中的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則轉(zhuǎn)換到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習功能進行訓(xùn)練，不斷修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)重，以便達到

3、調(diào)整隸屬函數(shù)的分布，實現(xiàn)對控制器的優(yōu)化本文對太陽能熱水器閉環(huán)系統(tǒng)進行了仿真試驗，并讓它同經(jīng)典的模糊控制進行了比較，比較結(jié)果表明，采用本文所提出的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)對太陽能熱水器的水溫進行控制時，具有推理速度快，跟蹤性能好，穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點關(guān)鍵詞：太陽能熱水器模糊控制自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真（），），；：，獨創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)的說明一、學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標明和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料與我一同工作的同志

4、對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名，套斟晚叢盟二、關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致除在保密期內(nèi)的保密論文外。允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容論文的公布（包括刊登）授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理一扭攤埤盛魄虹，第一章緒論§太陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀與意義能源問題、環(huán)保問題是當今世界各國面臨的重大問題之一能源危機日益加劇，環(huán)境污染已威脅自然界的生態(tài)平衡統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前世界上的能源

5、來自礦物燃料的燃燒，排放出大量有害的氣體顆粒，是人類最大的健康污染源，也是地球“溫室效應(yīng)”的禍首能源戰(zhàn)略中的可持續(xù)發(fā)展問題，能源發(fā)展過程中的環(huán)境保護問題已成為聯(lián)合國首腦會議的重要議題之一§太陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀世紀年代以來，聯(lián)合國召開了一系列各國領(lǐng)導(dǎo)人高峰會議，討論制定了世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃、國際太陽能公約，設(shè)立國際太陽能基金會等，推動了全球太陽能的利用和研究開發(fā)研究太陽能的熱利用已成為國際社會的一大主題和共同行動，成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容世界上許多國家非常重視太陽能熱利用系統(tǒng)的研究與開發(fā)：美國首先制定了政府級的陽光計劃與宏偉發(fā)展目標，累計投入億多元；本于年將“節(jié)能計劃”、“環(huán)境

6、計劃”合并成“新陽光計劃”；德國等歐共體國家與一些發(fā)展中國家也制定了相應(yīng)的太陽能熱利用發(fā)展計劃據(jù)報道，年國外熱水器總量為萬，其中本為萬，美國為萬，歐洲為萬，其它國家為萬世界環(huán)境發(fā)展大會之后，許多國家又開始重視太陽能熱水器在節(jié)約常規(guī)能源的減少排放方面的潛力，僅據(jù)美國加利福尼亞州首府的計劃，到年太陽能熱水器將到代該州套家用電熱水器；到年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番總之，世界各國早已將目光投向了太陽能這個綠色環(huán)保能源之上我國是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國家年銷售量為萬一，為世界上其它各國銷售量之和；年銷售量翻番，達萬據(jù)初步統(tǒng)計，年我國太陽能熱水器銷售量萬。目前，我國從事太陽能熱水器研

7、制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達到余家，年產(chǎn)值億元，主要是家用小型太陽能熱水器但從房屋的熱水器安裝率來說，以色列巳達，日本為，我國的臺灣省也已達到我國政府十分重視人口、能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展國務(wù)院通過的世紀議程文件中明確指出“把開發(fā)利用可再生能源（太陽能等）放在國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的優(yōu)先地位”，壅墮查蘭塑圭蘭堡壘塞篁三塞些堡“要加強太陽能直接和間接利用的研究”，同時，國家計委、國家科委也制定了“新能源和可再生能源（太陽能等）發(fā)展綱要”。§太陽能應(yīng)用的意義太陽能的廣泛和用可以部分解決化石能源帶來的問題（）能源短缺由于常規(guī)能源的有限性和分布的不均勻性，造成了世界大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足其

8、經(jīng)濟發(fā)展的需要。根據(jù)目前全球能源的消耗量和已探明的石油儲量預(yù)測，石油只能用到年左右，天然氣也只能延續(xù)到年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，如不盡早設(shè)法解決化石能源的替代能源，人類很快將面臨化石燃料枯竭的危險局面。（）環(huán)境污染當前，由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)散布到空中，使大氣環(huán)境遭到嚴重污染，直接影響人類的身體健康和生活質(zhì)量；局部地區(qū)形成酸雨，嚴重污染水土這些問題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，而太陽能是一種理想的潔凈能源。（）溫室效應(yīng)化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時由于排放大量的溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全球氣候變暖這一問題已提到全球議事日程；

9、其影響甚至已超過了對環(huán)境的污染，有關(guān)國際組織已召開多次會議，限制各國等溫室氣體的排放量太陽能資源開發(fā)利用特點決定其意義遠大（）儲量的“無限性”太陽能是取之不盡的能源，可利用量巨大太陽每秒鐘放射的能量大約是，其中到達地球的能量高達×”，相當于球表面的太陽能總量折合標準煤共約標準煤按此計算，一年內(nèi)到達地”千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍太陽的壽命至少尚有億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷的供給地球的時間可以說是無限的相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑（）存在的普遍性雖然由于緯度的不同、氣候條

10、件的差異造成了太陽能輻射的不均勻，但相對于其它能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好的前景壅墮盍望墮±望絲堡塞望二童塹堡（）利用的清潔性太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染，是人類理想的替代能源。§太陽能熱利用系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀太陽能雖然是取之不盡，不之不竭，無任何污染的巨大能源，但是，必須看到太陽能熱利用系統(tǒng)中存在著嚴重的需要解決的課題，這就是太陽能輻射的分散性、間斷性和不穩(wěn)定性正是由于能量輻射的不確定性和隨機性，導(dǎo)致了太陽能熱利用系統(tǒng)是一個大慣性、純滯后、參數(shù)時變

11、的非線性系統(tǒng)，這是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)。（）系統(tǒng)信息的模糊性。（）輸入信息的多樣性與非線性性。（）被控對象大慣性、純滯后以及模型的不確定性面對這樣一個時變的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，如何實現(xiàn)其智能控制，是太陽能熱利用控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一項重大課題，也是當今世界在太陽能熱利用研究中一個熱點和難點目前，太陽能熱利用系統(tǒng)的理論研究與實際應(yīng)用已取得了一定的進展，它們應(yīng)用了廣義預(yù)測控制、控制、經(jīng)典的模糊控制、不確定性多目標規(guī)劃等方法，這些方法具有一定的局限性，由于系統(tǒng)參數(shù)是事先確定下來的，系統(tǒng)運行中它們不具有自適應(yīng)性，當外界環(huán)境變化較大時，控制效果較差§太陽能熱水器系統(tǒng)簡介§太陽熱水器的基本原理

12、太陽熱水器就是利用溫室原理，把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種裝置所謂溫室原理就是指由于對流、輻射損失減少，使熱量聚積，溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象具體來說，太陽光透過玻璃進入密封的集熱器內(nèi)，大部分能量被集熱器內(nèi)的黑色吸收體吸收，然后將熱量傳給冷水，冷水加熱后重量變輕，自動流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自動流入吸熱體繼續(xù)獲得熱量，周而復(fù)始，水箱內(nèi)的全部冷水將被加熱太陽熱水器通常由集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)連接管道、支架及其輔助零部件（電加熱等）組成若是集熱器和蓄熱水箱結(jié)合為一體。一般稱為悶曬式熱水器；集熱器與蓄熱水箱分開則為循環(huán)式（包括自然循環(huán)和強迫循環(huán)）和直流熱水器玉

13、圖：單元供水太陽能熱水器結(jié)構(gòu)示意圖上圖為單元供水太陽能熱水器結(jié)構(gòu)示意圖，其中：丑乃碼碼，磚日副水箱的溫度傳感器主水箱的溫度傳感器集熱器中的溫度傳感器循環(huán)水管中的溫度傳感器輔助電加熱，島循環(huán)泵此款太陽能熱水器包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點是在晴好天氣利用太陽能為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當于電熱水器，在光照強度較弱或者用水量較大，水箱水溫在預(yù)定時刻達不到預(yù)定溫度時，啟動電加熱，以電能來彌補太陽能的不足，使水箱水溫在預(yù)定時刻達到預(yù)約溫度，以滿足用戶的需要實現(xiàn)了最大限度的利用太陽能，最大程度的節(jié)約電能的目的§太陽能熱水器控制系統(tǒng)常用控制算法及存在的問題目前比較常用的太陽能熱水器控制系統(tǒng)控制方法

14、主要有以下幾種：（）經(jīng)典控制方法（控制）奎童查堂堡圭堂堡壘窶；：；：耋！墜墅！一當前國內(nèi)外對太陽能熱水器系統(tǒng)多采用控制。所謂控制，就是利用比例、積分和微分三者配合對測量參數(shù)的偏差進行運算確定輸出量，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制的方法在模擬控制系統(tǒng)中，控制原理框圖如下圖所示，系統(tǒng)由控制器和被控對象組成圖：控制系統(tǒng)原理圖控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值（）與實際輸出值（）構(gòu)成控制偏差（）一（）將偏差的比例（尸）、積分（）和微分（）通過線性組合構(gòu)成控制量對被控對象進行控制，故稱控制器其控制規(guī)律為郵）崩礎(chǔ)附則“或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式（）（）器聊去酬式中，為比例系數(shù)；正為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)控制器各校正環(huán)

15、節(jié)的作用如下：（）比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號（），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度能反映偏差信號的變化趨勢，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間如果、三個參數(shù)達到最佳系數(shù)組合，那么的控制效果是比較理想的然而，控制存在的最大問題就是、蘭者系數(shù)的選取問題它們隨系統(tǒng)參數(shù)及工況的不同而不同因此，對不同的系統(tǒng)，三者應(yīng)有不同的最佳系數(shù)組合，而這些系數(shù)的選取東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論有較大的難度。于是許多學(xué)者提出了一些新的方法，如參數(shù)自整定方法、專家算法、模糊算法以及神經(jīng)算法。（）智能控制方法控制系統(tǒng)的核心是控制規(guī)則，在經(jīng)

16、典控制系統(tǒng)和現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，控制規(guī)則一般由傳遞函數(shù)或由狀態(tài)方程表示，但對于那些具有時變性、非線性且?guī)в心：缘南到y(tǒng)（如太陽能熱水系統(tǒng)），要建立其精確的數(shù)學(xué)模型是比較困難的，甚至是不可能的。但這些過程中卻有大量的以定性的形式得到的極重要的先驗信息。對于此類的控制問題，用常規(guī)的控制方法是很難實現(xiàn)的，但由人來進行控制卻往往容易做到這是因為操作人員的控制方法是建立在直觀和經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的。這種建立在人們經(jīng)驗基礎(chǔ)上的控制方法稱為智能控制方法。比較常用的智能方法有模糊控制方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。模糊控制方法模糊控制方法是把操作人員長期積累得到的控制知識，用包含有模糊集合的規(guī)則進行描述，并通過模糊推理來確定控

17、制量的一種方法這種方法能很好的處理太陽能熱水器系統(tǒng)中存在的大量不確定信息，控制效果也好于常規(guī)控制方法。其不足之處有：）模糊控制規(guī)則是人們對某生產(chǎn)過程進行控制的經(jīng)驗總結(jié)，是人們對生產(chǎn)過程中模糊信息的歸納。但是，有時人們對某過程的認識比較貧乏，或者總結(jié)不出完整的經(jīng)驗，這樣得到的控制規(guī)則就很粗糙，很不完善，勢必會影響到控制的效果）即使控制規(guī)則很完善。但由于生產(chǎn)過程不斷變化，如果還按原來的控制規(guī)則進行控制，其效果可能與實際要求不符人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個具有自學(xué)習能力的系統(tǒng)，它可以發(fā)展知識，所以它的推理能力可以超過設(shè)計者原有的知識水平。另外，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行處理信息的能力，推理速度快，所

18、以特別適用于實時控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的問題在于：）如果不對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進行改造，它很難表達和處理生產(chǎn)過程中存在的大量不確定性信息）它沒有能力解釋自已的推理過程當用戶用它進行推理時，看到的只有輸入，輸出，中間的推理過程是不透明的以上三種方法各具特點，也各有缺點，本設(shè)計力圖揚長避短，結(jié)合模糊控制理論與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)造一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器，對太陽能熱水器系統(tǒng)這種大時滯、參數(shù)時變的被控對象實現(xiàn)更為有效的控制第二章模糊自適應(yīng)控制理論§模糊控制的模糊數(shù)學(xué)原理§模糊集合及其運算年美國控制論專家教授將普通集合論里的特征函數(shù)的取值范圍由，）推廣到閉區(qū)間，得到了模糊集定義設(shè)在論域

19、上的給定了一個映射：÷，】“一（）則稱為上的模糊集（），以）稱為的隸屬函數(shù)。上的模糊集合可以表示為一組元素與其隸屬度值的有序數(shù)組的集合，即“，（）町當連續(xù)時，一般可以表示為掣當離散時，一般可以表示為：掣公理（，），（，）（）（有界性）公理（，）（，）（交換性）公理如果且，則（，）（，）（非減性）公理（扣），【，（，）（結(jié)合性）定義稱任意一個滿足以上四個公理的函數(shù)：，】×，÷【，叫做一范數(shù)（模糊并）公理（，），（，）（，）（有界性）公理（，）（，）（交換性）公理如果口且，則（）（，）（非減性）公理【（，】【，（，）】（結(jié)合性）定義稱任意一個滿足以上四個公理的函數(shù)：，

20、×【，】【，】做一范數(shù)（模糊交）東市大學(xué)碩士學(xué)位論文笫二章模糊自適應(yīng)控制理論§模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)是一種基于知識或基于規(guī)則的系統(tǒng)，它的核心是“一一”規(guī)則所構(gòu)成的知識庫。它可以看成是從輸入論域到輸出論域的一個非線性映射。在實際的工程應(yīng)用中，必須在模糊系統(tǒng)的輸入端加上一個模糊器，將真值變量轉(zhuǎn)化為模糊集合，同時在輸出端加上個解模糊器，將模糊集合轉(zhuǎn)化為真值變量傳遞給執(zhí)行機構(gòu)。具有模糊器和解模糊器的模糊系統(tǒng)如圖（）所示。圖：具有模糊器和解模糊器的模糊系統(tǒng)框圖（）模糊器模糊器（）可定義為由一實值點常用的模糊器有如下三種：單值模糊器高斯模糊器“到上的模糊集爿的映射（。）：【，。礦附（

21、一（可）一咖。（一（下）其中參數(shù)；是正數(shù)，一范數(shù)通常選用代數(shù)積算子或最?。ǎ┧阕尤切文：鞲匠福俺各啵黑懵?。，。戤一：魄（；，；其中參數(shù)是正數(shù)，一范數(shù)通常選用代數(shù)積算子或最?。ǎ┧阕樱ǎ┠：评頇C模糊推理機利用模糊規(guī)則確定了從輸入空間上的模糊集到輸出空間上的模糊集之間的映射壅室奎蘭堡主堂堡篁塞墅三簍堡塑窒重堡堡型堡堡考慮具有個輸入，單個輸出的模糊系統(tǒng)，模糊控制規(guī)則的第條規(guī)則具有如下形式：彤：（）式中；表示第個前提參數(shù)所屬的某個模糊子集，。表示結(jié)論參數(shù)所屬的某個模糊子集，吖常用的模糊推理機：乘積推理機俐）翟理眇，（。）旦一削懈（）】最小推理機咖）謹擺池（。），一陋），脅（。）脅（）推理機肛

22、（）。汕卜（。），一曾（睜）十附（）附（）。卜（乩一曲（嘲）十附（）推理機附（）備：醬阻“鞏“洶（訓(xùn)，帥（訓(xùn)帕山），一曾（洳）推理機咐（滬。！。卜（鞏“（一曲（叫（砒咐（圳咐（）“卜（。），“（一雷（酬），咐（例（）解模糊器（）解模糊器定義為由上的模糊集（模糊推理機的輸出）向清晰點的一種映射常用的解模糊器主要有以下幾種：重心解模糊器（）礦脅萬咕一一脅一面中心平均解模糊器（）礦爭塹篁查耋塑圭耋墼塞最大值解模糊器（）塹三窒堡塑！重窒堡墅塞篁（）中的任意一點其中（）（）。（）是上所有弘（口）取得其最大值的點的集合。§模糊控制系統(tǒng)的特性（）模糊控制系統(tǒng)的非線性性定理假設(shè)規(guī)則償糾中的模糊集是口

23、標準模糊集，其中心為礦，則帶有模糊規(guī)則庫、乘積推理機、和單值模糊器及中心平均解模糊器的模糊系統(tǒng)形式為：“，（。）號廣一（腫（）礦（腫（而）（）式中，即是模糊系統(tǒng)的輸入，（）是模糊系統(tǒng)的輸出從定理（）可以看到，一方面，模糊系統(tǒng)是基于規(guī)則庫的系統(tǒng)，它是由一系列語言規(guī)則構(gòu)造而成的；另一方面模糊系統(tǒng)又是非線性映射，在許多情況下，它可以用形式如上式那樣的準確而嚴密的公式來表達（）萬能逼近特性定理假定輸入論域是兄”上的一個緊集，則對于任意定義在上的實連續(xù)函數(shù)（）和任意的，一定存在如式償剴的模糊系統(tǒng)，（。）使下式成立：，（）一目（）（）即帶有乘積推理機、單值模糊器、中心平均解模糊器的模糊系統(tǒng)是萬能逼近器證明

24、：見參考文獻（）§模糊自適應(yīng)控制考慮具有個輸入，單個輸出的模糊系統(tǒng)，模糊控制規(guī)則的第條規(guī)則具有如下形式：￥爭（）式中，），”是中心為口的模糊集壅查奎堂堡圭耋堡堡塞塹三童堡塑！重鏖堡型堡堡弛）盟五叫薈舌櫨）廬，妒。）（）乜“。，（）字）（訓(xùn)。，擴可鼉。小）。（）“班東搿燃，（。卅吐（口），”帆（口）（，口帆“，），（）塞墮查堂至圭堂堡篁塞篁三塞堡塑！重鏖堡墅堡篁圖：模糊自適應(yīng)控制在圖（）中，。表示放大系數(shù)，表示給定的期望值（）與被控對象的輸入（）自誤差，辨識器對未知的被控對象進行系統(tǒng)辨識。定義性能指標函數(shù)如下矗擴）一”擴中（，是遺忘因子則（）可以改寫為（）令增（，；，），島（），（。）

25、，（），（，）其占。一；叫；島一；瑁（）由式（兒）可知占一艫。，（）一”礦占一。：艫州，（）一”目暑。島一?？谝弧，幰粛u一口一瑤暑島一口一瑤是。島一?？谝涣俊，幰?，示為（）因為山一是口的二次函數(shù)，由函數(shù)的極值理論可知，使得占一取得極小值的口可以表口（）（哇。島）（唾。）（哇。島）哇，瑁一暈。一，。蟹。瑤（）因為。占一（，（。一），所以?？梢詫懗扇缦滦问剑ㄞ犯?。）（茗釜瑤。）（：薔島。）一一（翁瑁。）與式（）相似，使得厶取得極小值的目可以表示為一，（；，一，）（鷥縣一）一×鋤川固）峨：卜一（。）礦（。）一瑁一（。）部（）（以）一一一一口（一一口）一一（）利用矩陣逆定理：定義（一）（踞一

26、尊一），令（一），（），（。）則（）可以化簡為日掃）；（）一掃一）掃）（）一）（）一（）扣一）×卜川一瑤。（）列口掃一）一一）（端）（名）（一）（）十。（。）日掃一）；掃一）（端）一（礦（。）（一）（。）（瑤）掃一）（）粥日一）（一）（瑤）（￥）（一）（端）×一礦（）口（一）定義（）（）一）（瑞）【擴（瑞）掃一）（瑤）】一則（）可以寫為（）口如）口一）（鮚一礦（端）一）（）東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章模糊自適應(yīng)控制理論由（）的定義可知，（；量。曰，一，）（磚。）；一）一霹：。一馬一（端）礦（刮由式（）可得（叫坼）一）（。）尸（）（。）。（）（）（）現(xiàn)將遺忘因子遞推最小二乘法總

27、結(jié)如下：口（）日一）（籪一（。）目掃一）。）一）（）【（）一）（）十一（）（）一。）（）擴（。）如一§仿真實驗（）尸。一）考慮以下的離散時間非線睦系統(tǒng)（）（）（一）（）（丌）（）（）其中系統(tǒng)的初始狀態(tài)“（），（）給定信號（）（），在仿真中取系統(tǒng)的響應(yīng)輸出結(jié)果如圖所示圖：學(xué)習過程終止于時的系統(tǒng)輸出（虛線）和辨識模型輸出（點線）奎墮查差！圭蘭篁墮塞§篁三翼利用補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模糊控制器堡塑！重堡堡型堡婆模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩種類型，一種是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入模糊系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習和自適應(yīng)能力來解決模糊系統(tǒng)設(shè)計中的主觀問題，優(yōu)化模糊系統(tǒng)。另一類是將模糊邏輯引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)的

28、調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習過程，改善網(wǎng)絡(luò)的性能。目前模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型大多為多層前向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時各種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要在于隸屬函數(shù)，模糊加權(quán)算子，模糊激勵函數(shù)，輸入輸出形式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，參數(shù)的設(shè)定以及調(diào)整方法不同等本文采用的是一種具有快速學(xué)習算法的補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型目前有很多種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時越來越多的新技術(shù)，如遺傳算法、混沌理論等被用來改進模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，但是要優(yōu)化模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍然要解決很多難點，一是如何優(yōu)化隸屬函數(shù)，二是如何優(yōu)化模糊邏輯推理有及選擇最優(yōu)的模糊算子，三是如何選擇最優(yōu)的解模糊方案等對于問題一和問題三，大多是利用調(diào)整模糊隸屬函數(shù)和解模糊函數(shù)的參數(shù)來解決的，但對于問題

29、二，推理的時候只能使用固定的模糊運算操作算子，如模糊推理操作算子通常用，這對于完整的模糊推理系統(tǒng)來說并不是最優(yōu)的從某種意義上來說，傳統(tǒng)的模糊神經(jīng)系統(tǒng)只能在模糊推理算子永遠不變的情況下優(yōu)化隸屬函數(shù)，但模糊算子采用及是否最理想，采用乘積或者代數(shù)和是否會更好還不能確定，因此傳統(tǒng)的模糊神經(jīng)系統(tǒng)是局部優(yōu)化技術(shù)而不是全局優(yōu)化技術(shù)總之，一個高效的模糊神經(jīng)系統(tǒng)不僅能自適應(yīng)的修正隸屬函數(shù)參數(shù)，同時也能動態(tài)的調(diào)整模糊推理算子本文采用的補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用消極算子、積極算子、補償神經(jīng)元以及其它的神經(jīng)元，不僅能自適應(yīng)地調(diào)整模糊隸屬函數(shù)參數(shù)，同時也能動態(tài)地調(diào)整補償模糊算子，所以它使用的是全局優(yōu)化技術(shù)而不是局部優(yōu)化技術(shù)。

30、§補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖（）圖中第一層為輸入層。該層的各個節(jié)點直接與輸入向量的各分量筑連接，它將輸入值扛。，。傳送到下一層。該層的節(jié)點數(shù)為第二層每個節(jié)點代表一個語盲變量值，它的作用是計算備輸入分量各語言變量值集合的隸屬函數(shù)，其中以（）（）江，帆，”是輸入量的維數(shù)，“是或的模糊子集的個數(shù)該層的節(jié)點數(shù)為”塞墮查堂！圭蘭堡篁圣墅三塞堡塑！重鏖堡墅堡墮第五層第四層第三層第二層第一層圖：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)第三層的每個節(jié)點代表一條模糊規(guī)則，它的作用是用來匹配規(guī)則的前件，計算出每條規(guī)則的適用度即：字盧（）其中，），。，。），一，），該層的節(jié)點數(shù)為第四層為模糊補償運算層，與

31、輸出模糊集相對應(yīng)，在計算輸入合成度時提供補償運算節(jié)點數(shù)與第三層相同第五層確是輸出層，實現(xiàn)清晰化計算。在補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，存在著以下幾類模糊神經(jīng)元：（）模糊化神經(jīng)元模糊化神經(jīng)元執(zhí)行的是模糊化運算，它將一個確定的。映射到模糊子集，用。（。）表示（）模糊推理神經(jīng)元該神經(jīng)元通過函數(shù)（，。），將，）映射到輸出，作用是實現(xiàn)模糊系統(tǒng)中的模糊推理蔓室奎堂堡圭堂堡篁圣（）解模糊神經(jīng)元塹三塞堡塑墾重鏖堡型塑堡該神經(jīng)元的作用是產(chǎn)生基于輸入，）和權(quán)值”÷“，；，）的確定值其中釁是輸出隸屬函數(shù)的參數(shù)。通常的解模糊函數(shù)采用式（）（，。）蘭一”孫珥”甄（）具有可調(diào)參數(shù)塒和”，”）的輸出隸屬函數(shù)如式（）（）（一”

32、；）列（）其中和？分別是輸出隸屬函數(shù)的中心和寬度（）補償模糊神經(jīng)元根據(jù)補償運算的實質(zhì)，提出了一種基于消極運算和積極運算的補償運算。消極運算消極模糊神經(jīng)元能夠?qū)⑤斎腙┯成涞阶顗牡妮敵?，為最壞的情形制定一個保守的決策如（鞏¨一，。）（，。）積極運算積極模糊神經(jīng)元能夠?qū)⑤斎脘z（，）映射到最好的輸出，為最好的情形制定一個樂觀的決策。如（，。）（，；，。）（）補償運算補償運算綜合考慮了消極運算和積極運算兩種情況，它能夠?qū)⒆顗妮斎牒妥詈幂斎?。映射到補償輸出，并為介于最壞輸入和最好輸入的情況制定一個相對折衷的決策，如（，）。一，其中，為補償度§補償模糊推理個輸入單輸出的補償模糊系統(tǒng)的

33、模糊規(guī)則表示如下：（）設(shè)是論域上的模糊集，是上的模糊集，鼢和是語言變量模糊子集的隸屬函數(shù)為一一睜）脅一一（學(xué)）（）（）其中。和口是輸入隸屬函數(shù)的中心和寬度；與是輸出隸屬函數(shù)的中心和寬度定義輸入（釓，。），論域為×××，對于論域中一個輸入模糊子集，根據(jù)第個模糊規(guī)則，由最大一代數(shù)積合成運算，上的模糊集合可用下式來表示：脅（）刪（、。挑一。×磚。薩（哪）。（。）模糊蘊涵采用積運算÷即“（，），（）（）（）（）（），（），（）（）口（掣）消極運算¨？（。）積極運算：”一一（）情出螄、（）補償運算為：。肛；××：喲擴，?！埃?/p>

34、）其中【，】為補償因子，因此肛。，。（），（）重肛。，）采用單值模糊化，月，（），日（）則（）十罷（）惜（）盧。（戤）定義解模糊函數(shù)為：，（衛(wèi)）（）該系統(tǒng)是由單值模糊器、高斯模糊器、乘積推理機、消極一積極補償運算以及改進的重心解模糊器構(gòu)成的補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以證明。該系統(tǒng)也是一個萬能的逼近器（）壟里奎蘭堡主蘭堡壘窒§補償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習算法塹三蘭堡塑！重堡堡型堡篁?qū)S輸入數(shù)據(jù)擴（妒（，；，媚）和一維輸出數(shù)據(jù)，（，）設(shè)計如下的訓(xùn)練算法去調(diào)整優(yōu)化模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出隸屬函數(shù)的中心和寬度。模糊子集的隸屬函數(shù)采用如下形式肛腫（）唧一掣）擴（）脅妒舊小學(xué)）由（），（）和（）可得（），（擴）

35、號一、其中（）。弘：（。）吾定義性能指標函數(shù)釅；，（）下面用梯度下降法來確定參數(shù)。具體的講，就是用下面的算法來確定，驢，磚，麗。兩麗可（一曠）擴（）叭）以）銳女叫一（）一啪（）鐾掣（）式中口，（）為步長，當。時，（口）收斂。而奎童奎堂塑圭堂堡篁塞墅三童堡塑旦重窒堡型堡堡手生卅弦如移如（如），百一嘴?。憾献。贺芭F擴鞏）出滬椰）鬻：蹦滬椰）生掣堅坐驢礦九醉（一（警），一（磚一。）（）孤幣一研砑一桫一（留一鏟（）薔舢醉（一（掣）由（）可得籌管由（），（）可得研礦麗礙（）（）（）（）（）（）（：鯊二坐：二鯊蕓型塑二二±乏，（？）臚“。斟：（口）一（）。、。十、（）（，）（。一。）。（”

36、）（；）驢由（），（）司得研。萬弘研擴：鯊二坐：二坐！蘭鯊璺盟（？）硪）札巾）飄釁（）一目。（）示衛(wèi)。，、，一一，。一（。÷）驢擴定義孑，顯然有【】由（），（）可得百。萬麗百，驢（）（）（）（掣礦如）啪礎(chǔ)）吖亂刮滬以，鐠幫。現(xiàn)（。）、。，（）（。）（）（）協(xié)，塹墮奎耋塑圭蘭堡堡圣簍三童堡塑！重皇絲型堡篁啪竺孰）麗啪葛幫釩皿卿（）在以上公式中，（）一般取為常數(shù)，但要提高算法的收斂速度，學(xué)習步長應(yīng)隨著梯度絕對值的大小而調(diào)整。具體地說應(yīng)滿足如下規(guī)律：當梯度的絕對值大時，學(xué)習步長應(yīng)該取得大；當梯度的絕對值小時，學(xué)習步長應(yīng)該取得小這樣就使得算法在誤差曲面陡的地方獲得較大的學(xué)習步長，加快迭代的速

37、度；在誤差曲面較平坦的地方獲得較小的學(xué)習步長，避免算法出現(xiàn)“振蕩”的現(xiàn)象。函數(shù)一在區(qū)間【，】是單調(diào)增函數(shù)，滿足學(xué)習步長的選取規(guī)律，故可以按以下方法來修正相應(yīng)的動態(tài)學(xué)習步長（）舶，啪，仉，）（）÷一（一囂），一（一群），一（囂）（）一（一囂），一（籌），一（一船上式中，（）為對應(yīng)每次迭代時調(diào)整各權(quán)值的學(xué)習步長所構(gòu)成的向量?，F(xiàn)將算法總結(jié)如下；結(jié)構(gòu)的確定和初始參數(shù)的設(shè)置選擇形如（）的模糊系統(tǒng)并確定越大，算法所需要的參數(shù)越多，運算也就越復(fù)雜，同時給出的逼近精度也越高設(shè)定初始參數(shù)（），（），（），口（），（），彳（）給出輸入數(shù)據(jù)對并計算模糊系統(tǒng)的輸出對于給定的輸入一輸出數(shù)據(jù)對（擴，礦），在學(xué)習

38、的第（，）階段，把作為圖（）中的輸入層，然后計算出網(wǎng)絡(luò)第一層一第五層的輸出調(diào)整參數(shù)利用學(xué)習算法（），（），（），（），（），（）計算出要調(diào)整的參數(shù)（十），驢向），（），磚（），（叮十），吼）令返回重新計算，直到誤差，一忙是一個很小的數(shù)），或者等于一個預(yù)先指定的數(shù)令，返回重新計算即用下一個數(shù)據(jù)對來調(diào)整參數(shù)第三章太陽能熱水器水溫的模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計與優(yōu)化太陽能熱水器系統(tǒng)是一個復(fù)雜控制系統(tǒng)，常規(guī)的控制方法（如控制）得到的控制效果不太理想本章以第二章為理論依據(jù)，設(shè)計具有自適應(yīng)性的模糊控制器，并對控制器進行優(yōu)化，實現(xiàn)對太陽能熱水器的水溫的智能控制。模糊控制器的設(shè)計§模糊控制器的設(shè)計包括以下

39、幾項內(nèi)容：確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量（即控制量）：確定模糊集的隸屬函數(shù)和模糊控制器控制規(guī)則：確立模糊化和非模糊化（又稱清晰化）的方法：選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)（如量化因子、比例因子）。§模糊控制器的輸人變量和輸出變量模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。究競選擇哪些變量作為模糊控制器的信息量，還必須深入研究在手動控制過程中，人是如何獲取輸入、輸出信息的，因為模糊控制器的控制規(guī)則歸根到底還是要模擬人腦的思維決策方式在手動控制過程中，人所能獲取的信息量基本上為三個；誤差；誤差的變化；誤差變化的變化，即誤差變化的速率由于模

40、糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動控制規(guī)則提出的，所以模糊控制器的輸入變量也可以有三個，即誤差、誤差的變化及誤差變化的變化，輸出變量一般選擇控制量的變化。通常將模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)一維模糊控制器輸入變量只選誤差一個，用于一階被控對象，它的動態(tài)控制性能不佳二維模糊控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實現(xiàn)相當困難這或許是目前人們廣泛設(shè)計與應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在叁宴查堂堡圭耋堡堡塞堡三塞奎墮冀墊些矍奎塑塑堡塑！重壅篁型堂墼堡塹皇些些在有些情況下，模糊控制器的輸出變量可按兩種方式給出。例如，若誤差“大”時，則以絕對的控制量輸出；而當誤差為“中”或“小”時，則以控制量的增量（即控制量的變化）為輸出。盡管這種模糊控制器的結(jié)構(gòu)及控制算法都比較復(fù)雜，但是可以獲得較好的上升特性，改善了控制器的動態(tài)品質(zhì)。本文仔構(gòu)造一個二維的模糊控制器，以溫度誤差和溫度誤差的變化量作為輸入量，以提前打開電加熱的時間為控制量。§模糊控制規(guī)則的設(shè)計控制規(guī)則的設(shè)