智能控制模糊控制系統(tǒng)實(shí)用教案

1、會計(jì)學(xué)1智能控制模糊智能控制模糊(m hu)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)第一頁，共54頁。23.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.0 3.1.0 模糊模糊(m hu)(m hu)控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成概述概述模糊化模糊推理(tul)（推理(tul)決策邏輯）精確化知識庫輸入輸出第1頁/共54頁第二頁，共54頁。33.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化精確量轉(zhuǎn)化為模糊量。將輸入變量的值轉(zhuǎn)化成通常用語言值表示的某一限定碼的序數(shù)。（輸入變量所對應(yīng)的模糊子集(z j)的隸屬程度）第2頁/共54頁第三頁，共54頁。43.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.1

2、3.1.1 模糊化模糊化（1）確定輸入(shr)、輸出變量輸入(shr)：e ; de輸出：u（2）量化因子和比例因子基本論域：e -emin, emaxde -demin, demax將連續(xù)量離散化：取X=-n, -n+1, , 0, 1, n-1, n n: 檔數(shù)第3頁/共54頁第四頁，共54頁。53.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（2）量化因子和比例(bl)因子定義量化因子：maxenkeke確定后，任何e值都可以轉(zhuǎn)化為X上的某一元素。)2(2minmax0minmaxeexeenxx0：為實(shí)際的輸入量emax , emin：為輸入量的

3、變化范圍x：為轉(zhuǎn)換后的離散量第4頁/共54頁第五頁，共54頁。63.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（2）量化因子(ynz)和比例因子(ynz)定義量化因子(ynz)：maxdenkde定義比例因子：nukumax第5頁/共54頁第六頁，共54頁。73.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（3）語言(yyn)值的選取正大“PB”正中“PM”正小“PS”零 “ZE”負(fù)小“NS”負(fù)中“NM”負(fù)大“NB”“PZ”“NZ”一般取78個語言值第6頁/共54頁第七頁，共54頁。83.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1

4、.1 3.1.1 模糊化模糊化（4）語言值的模糊子集(z j)三角函數(shù)，正態(tài)分布函數(shù)等abd1x(x)02424PBPMPSZENSNMNB66第7頁/共54頁第八頁，共54頁。93.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（5）語言變量(binling)賦值表（離散）語言變量：E DE U語言值：PB PM PS ZE NS NM NB -61.00.00.00.00.00.00.0 -40.01.00.00.00.00.00.0 -50.70.70.00.00.00.00.0 -30.00.70.70.00.00.00.0 -20.00.01.00

5、.00.00.00.0 -10.00.00.70.70.00.00.0 00.00.00.01.00.00.00.0 10.00.00.00.70.70.00.0 20.00.00.00.0 1.00.00.0 30.00.00.00.00.70.70.0 40.00.00.00.00.01.00.0 50.00.00.00.00.00.70.7 60.00.00.00.00.00.01 NB NM NS ZE PS PM PBE語言值模糊子集: (三角分布，正態(tài)分布等)第8頁/共54頁第九頁，共54頁。103.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化

6、例：設(shè)誤差的基本論域?yàn)椋?2.0,2.0， 當(dāng)k時刻測得誤差為：e(k) = 1.2, 由量化公式得k時刻的誤差的量化值為：查偏差的隸屬度值表，得語言變量值為PM(正中)，對應(yīng)的模糊子集為：將此模糊子集作為k時刻的偏差變量的值送入推理機(jī)進(jìn)行(jnxng)推理判斷。2 6(1.20)42.0( 2.0)EINT :( )1EPMu e第9頁/共54頁第十頁，共54頁。113.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.2 3.1.2 知識庫知識庫知識庫包含(bohn)了數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫存放所有輸出輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值。若論域?yàn)檫B續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。規(guī)則庫規(guī)則庫用來存放全

7、部模糊控制規(guī)則，在推理時為推理機(jī)提供控制規(guī)則。模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作經(jīng)驗(yàn)來建立的，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如if、then、else、also、and、or等。第10頁/共54頁第十一頁，共54頁。123.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.2 3.1.2 知識庫知識庫專家經(jīng)驗(yàn)法：通過(tnggu)對專家控制經(jīng)驗(yàn)的咨詢形成控制規(guī)則庫。采用“if-then”規(guī)則語言來表達(dá)經(jīng)驗(yàn)。觀察法：觀察操作人員的實(shí)際控制過程。采用“if-then”規(guī)則語言來進(jìn)行控制。第11頁/共54頁第十二頁，共54頁。133.1 模糊(m hu

8、)控制系統(tǒng)的組成3.1.2 3.1.2 知識庫知識庫基于模糊模型：用語言描述建立對象的模糊模型，以便(ybin)得 到模糊控制規(guī)則。nnn 13YPSUNSYZE規(guī)律 ：如果且那么NSUPSYZEYn1 -n那么且如果由規(guī)律3可得出一條控制規(guī)則：自組織法：模糊控制規(guī)則能隨著環(huán)境或?qū)ο蟮淖兓M(jìn)行修改。第12頁/共54頁第十三頁，共54頁。143.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.2 3.1.2 知識庫知識庫單輸入輸出的一維FCIf x=A then y=BIf x=A then y=B else y=C簡單，但控制效果不佳，適用(shyng)于隨動、定值控制系統(tǒng)等。niiiBAbaR1)

9、,(模糊關(guān)系：)()(),(1iiniiiCABAbaR（瑪達(dá)尼推理）（扎德推理）模糊關(guān)系：第13頁/共54頁第十四頁，共54頁。153.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.2 3.1.2 知識庫知識庫控制器減速器電動機(jī)電位器浮子(f zi)用水開關(guān)Q2Q1RifSMK1輸入：水位R；輸出：控制器K1手動調(diào)節(jié)的規(guī)則第14頁/共54頁第十五頁，共54頁。163.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.2 3.1.2 知識庫知識庫多次記錄，根據(jù)手動控制(kngzh)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出模糊控制(kngzh)規(guī)則：（1）為E為正大，則U為負(fù)大。若e=測量給定（2）為E為正小，則U為負(fù)小。（

10、3）為E為零，則U為零。（4）為E為負(fù)小，則U為正小。（5）為E為負(fù)大，則U為正大。If E = PB then U= NBIf E = PS then U = NSIf E =ZE then U= ZEIf E= NS then U = PSIf E= NB then U = PB第15頁/共54頁第十六頁，共54頁。173.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.2 3.1.2 知識庫知識庫雙輸入(shr)單輸出的二維FCIf x1=A and(0R) x2= B then y=CniiTiiUDEEudeeR12)(),(模糊關(guān)系：FCABC(U)dee考慮了誤差和誤差變化

11、，在隨動和定值控制系統(tǒng)的控制性能方面明顯優(yōu)于一維控制器。第16頁/共54頁第十七頁，共54頁。183.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.3 3.1.3 推理決策推理決策(juc)(juc)過程過程即上一章中介紹的模糊邏輯推理。常用的是最大最?。ì斶_(dá)尼）推理。模糊控制的核心。利用知識庫的信息，模擬人類的推理決策過程。第17頁/共54頁第十八頁，共54頁。193.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.4 3.1.4 精確化過程精確化過程(guchng)(guchng)把由模糊推理所得到的模糊輸出量，轉(zhuǎn)變?yōu)榫_控制量。進(jìn)而去驅(qū)動或控制具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 最大隸屬度法 加權(quán)平均法

12、（重心法） 中位數(shù)法第18頁/共54頁第十九頁，共54頁。203.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.4 3.1.4 精確化過程精確化過程(guchng)(guchng)在輸出的模糊集合中取隸屬度最大的元素作為結(jié)果，如果同時出現(xiàn)幾個元素具有最大隸屬度，則取它們的平均值作為結(jié)果。10.70.70.30.30.30.20.70.70.77654321010.2000.20.30.3234567U 例：精確量：6 . 25) 10167(1u優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡單。缺點(diǎn)：概括的信息量少，適用于控制要求不高的場合。第19頁/共54頁第二十頁，共54頁。213.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組

13、成3.1.4 3.1.4 精確化過程精確化過程(guchng)(guchng)（1）普通(ptng)加權(quán)(重心法)連續(xù)：uUuUduuduuuu)()(111離散：miiUmiiUiuuuu11111)()(第20頁/共54頁第二十一頁，共54頁。223.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.4 3.1.4 精確化過程精確化過程(guchng)(guchng)同樣(tngyng)考慮上例：10.7( 7)0.7( 6)0.3 ( 5)0.3 70.70.70.30.37.61.365.6u 第21頁/共54頁第二十二頁，共54頁。233.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1

14、.4 3.1.4 精確化過程精確化過程(guchng)(guchng)（2）算術(shù)(sunsh)加權(quán)miimiiikkxu111第22頁/共54頁第二十三頁，共54頁。243.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.4 3.1.4 精確化過程精確化過程(guchng)(guchng)取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積平分為(fn wi)兩等份的數(shù)作為結(jié)果。bxUxaUdxxdxx00)()( 面積均分：第23頁/共54頁第二十四頁，共54頁。253.1 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的組成3.1.4 3.1.4 精確化過程精確化過程(guchng)(guchng)解模糊后，還要經(jīng)過尺度變換，求出實(shí)

15、際輸出。maxminmaxmin1()22uyyuuyk uu1 ：為精確量（量化的范圍內(nèi)）； ymax，ymin：為控制量的變化范圍；420mA 或 15V。y：為實(shí)際輸出的控制量；ku：比例因子。第24頁/共54頁第二十五頁，共54頁。主要(zhyo)內(nèi)容263. 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)3.1 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的組成3.1.1 模糊化過程3.1.2 知識庫3.1.3 推理決策過程3.1.4 精確化過程3.2 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計(jì)3.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)舉例第25頁/共54頁第二十六頁，共54頁。273.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)

16、計(jì)（1）模糊化輸入(shr)值 (ei，dei) 經(jīng)模糊化 E，DE （2）推理決策（依賴知識庫） 模糊邏輯推理，合成運(yùn)算得Ui （3）精確化 精確化得ui 尺度變換得yi 第26頁/共54頁第二十七頁，共54頁。283.2 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計(jì) 模糊控制器的結(jié)構(gòu)(jigu)確定； 模糊控制規(guī)則的確定； 模糊化和清晰化方法的確定； 模糊控制器的參數(shù)確定； 編寫模糊控制算法程序。第27頁/共54頁第二十八頁，共54頁。293.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照(nzho)輸入輸出量個數(shù)分類單變量（輸出量）模糊控制器：一維，二維，三維多變量模糊控制器：MIMO單一型：模糊

17、控制器復(fù)合型：模糊控制器和其它傳統(tǒng)控制方式結(jié)合在一起控制按照控制機(jī)理（本質(zhì)）分類按照控制功能分類固定型變結(jié)構(gòu)型自組織型自適應(yīng)型模糊PID控制器第28頁/共54頁第二十九頁，共54頁。303.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一維模糊控制器輸入語言變量為被控量和結(jié)定值的偏差，動態(tài)控制性能(xngnng)不佳，控制效果不能令人滿意。這種控制方案一般用于一階被控對象。第29頁/共54頁第三十頁，共54頁。313.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)二維模糊控制器輸入語言變量為被控量與給定值的偏差和偏差變化率，能夠較全面嚴(yán)格地反映被控過程的動態(tài)待性，因此控制效果比一維模糊控制器好。它是目前(mqin)被

18、廣泛采用的一種模糊控制器。第30頁/共54頁第三十一頁，共54頁。323.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三維模糊控制器輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量、偏差變化率和偏差變化率的變化率。由于(yuy)這類模糊控制器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，推理運(yùn)算時間長，一般較少使用。第31頁/共54頁第三十二頁，共54頁。333.2 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計(jì)復(fù)合(fh)模糊控制器模糊控制器+PI控制器（傳統(tǒng)）第32頁/共54頁第三十三頁，共54頁。343.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自組織(zzh)模糊控制器第33頁/共54頁第三十四頁，共54頁。353.2 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計(jì)

19、語言值選?。篘B，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL。分檔越多，對事物描述越細(xì)、越準(zhǔn)確，制定控制規(guī)則(guz)更靈活，控制效果越好。但太多可能使控制變得復(fù)雜，編程困難，占用存儲量大；分檔太少，規(guī)則(guz)變少，效果較差。論域分級選?。?6+6，-3+3等。增加論域中元素的個數(shù)，可提高控制精度，但增大了計(jì)算量，且模糊控制效果的改善不顯著。一般選擇模糊論域中所含元素個數(shù)為模糊語言變量總數(shù)的2倍以上，確保各模糊集能較好覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。第34頁/共54頁第三十五頁，共54頁。363.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)量化因子ke及kec的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大。具體體現(xiàn)為

20、：ke較大時，響應(yīng)(xingyng)加快，振蕩加劇，系統(tǒng)的超調(diào)較大，過渡過程較長。因?yàn)閺睦碚撋现v， ke增大，相當(dāng)于縮小了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，因此導(dǎo)致上升時間變短，但由于出現(xiàn)超調(diào)，使得系統(tǒng)的過渡過程變長。kec較大時，快速性好，超調(diào)量減小。kec選擇越大系統(tǒng)超調(diào)越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)(xingyng)速度變慢。 kec對超調(diào)的遏制作用十分明顯。第35頁/共54頁第三十六頁，共54頁。373.2 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計(jì)隸屬函數(shù)的形狀研究表明，隸屬函數(shù)的形狀在達(dá)到控制要求方面差別不大，幅寬大小對性能影響較大。一般可選用三角形、梯形隸屬函數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)表達(dá)和運(yùn)算

21、(yn sun)較簡單，所占內(nèi)存空間小，在輸入值變化時，比正態(tài)分布或鐘形分布具有更大的靈敏性，當(dāng)存在偏差時，能很快反應(yīng)產(chǎn)生一個相應(yīng)的調(diào)整量輸出。第36頁/共54頁第三十七頁，共54頁。383.2 模糊控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計(jì) 圖形表示法 表格(biog)表示法 公式表示法表示方法第37頁/共54頁第三十八頁，共54頁。393.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制規(guī)則的確定模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，控制規(guī)則是人們對受控過程認(rèn)識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，控制器的性能很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確定及其可調(diào)整性。選擇控制規(guī)則應(yīng)注意的問題：規(guī)則的條數(shù)及質(zhì)量。由于被控過程

22、的非線性、高階次、時變性以及隨機(jī)干擾等因素的影響，造成模糊控制規(guī)則或者粗糙或者不夠完善，都會不同程度地影響控制效果。于是就出現(xiàn)了自適應(yīng)模糊控制器，它的思想是在線(zi xin)或離線調(diào)節(jié)模糊控制規(guī)則的結(jié)構(gòu)或參數(shù)，使之趨于最優(yōu)狀態(tài)，達(dá)到控制規(guī)則在控制過程中自動調(diào)整和完善。第38頁/共54頁第三十九頁，共54頁。403.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 查表法 公式法（解析式法） 推理(tul)算法 各種算法的運(yùn)算速度和運(yùn)算精度有所不同算法結(jié)構(gòu)的確定第39頁/共54頁第四十頁，共54頁。413.2 模糊(m hu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第40頁/共54頁第四十一頁，共54頁。主要(zhyo)內(nèi)容423.

23、 模糊控制系統(tǒng)3.1 模糊控制系統(tǒng)的組成3.1.1 模糊化過程(guchng)3.1.2 知識庫3.1.3 推理決策過程(guchng)3.1.4 精確化過程(guchng)3.2 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)舉例第41頁/共54頁第四十二頁，共54頁。433.3 模糊(m hu)控制器的設(shè)計(jì)舉例1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(shj)第42頁/共54頁第四十三頁，共54頁。443.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)(shj)舉例2、模糊化輸入量語言(yyn)值：誤差e：負(fù)偏差（NZ），正偏差（PZ）誤差變化de：負(fù)偏差變化（NZ），正偏差變化（PZ）輸出控制量語言值：正增量（PS），零（ZE），負(fù)增量（N

24、S）第43頁/共54頁第四十四頁，共54頁。453.3 模糊(m hu)控制器的設(shè)計(jì)舉例3、控制(kngzh)規(guī)則規(guī)則1：如果e是NZ，且de是NZ，則Du為ZE； 規(guī)則2：如果e是NZ，且de是PZ，則Du為NS； 規(guī)則3：如果e是PZ，且de是NZ，則Du為PS； 規(guī)則4：如果e是PZ，且de是PZ，則Du為ZE；第44頁/共54頁第四十五頁，共54頁。463.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)(shj)舉例4、模糊推理設(shè)e=3， de=1(3)0.2(3)0.8(1)0.33(1)0.67NZPZNZPZ;/67. 0/)1 ()3(;/33. 0/)1 ()3(;/2 . 0/)1 ()3(;/2

25、. 0/)1 ()3(4321ZEZEuDPSPSuDNSNSuDZEZEuDPZPZNZPZPZNZNZNZ則由四條規(guī)則(guz)可得（取?。?輸出控制增量為四條推理結(jié)果的合成（取大）：PSZENSuDuDuDuDuD/33. 0/67. 0/2 . 04321即，控制量為負(fù)增量的隸屬度為0.2,為零增量的隸屬度為0.67,為正增量的隸屬度值為0.33.第45頁/共54頁第四十六頁，共54頁。473.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)(shj)舉例5、精確化計(jì)算(j sun)采用重心法miiUmiiUixxxu11111)()(通過比例因子計(jì)算具體輸出值第46頁/共54頁第四十七頁，共54頁。模糊控制的Matlab仿真(fn zhn)48第47頁/共54頁