模糊控制原理課件

模糊控制原理課件第1頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一第三章模糊控制原理 模糊控制的基本原理3.1 模糊控制系統(tǒng)的分類3.2 模糊控制器設(shè)計3.3 模糊控制的應(yīng)用3.4第2頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一第三章模糊控制原理FuzzyControl第3頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理3.1.1模糊基本思想模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能控制方法。操作人員或?qū)＜业目刂平?jīng)驗是如何轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制器的？人類對熱水器水溫的調(diào)節(jié)控制思想：如果水溫偏高，就把燃氣閥關(guān)小；如果水溫偏低，就把燃氣閥開大。第4頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理

模仿人類的調(diào)節(jié)經(jīng)驗，可以構(gòu)造一個模糊控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對熱水器的控制。

用一個溫度傳感器來替代左手進行對水溫的測量，傳感器的測量值經(jīng)A/D變換后送往控制器。

電磁燃氣閥代替右手和機械燃氣閥作為執(zhí)行機構(gòu)，電磁燃氣閥的開度由控制器的輸出經(jīng)D/A變換后控制。

構(gòu)造控制器，使其能夠模擬人類的操作經(jīng)驗。描述了輸入（水溫與期望值的偏差e）和輸出（燃氣閥開度的增量u）之間的模糊關(guān)系R人類的控制規(guī)則如果水溫比期望值高，就把燃氣閥關(guān)?。蝗绻疁乇绕谕档?，就把燃氣閥開大。第5頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理輸入e輸出u模糊推理規(guī)則庫RD/A電磁閥熱水器溫度傳感器A/D期望值＋－eu模糊值模糊值精確值精確值模糊化反模糊化熱水器水溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第6頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊控制原理框圖第7頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理3.1.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊化知識庫模糊推理反模糊化模糊控制器的構(gòu)成框圖第8頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊化模糊化步驟確定符合模糊控制器要求的輸入量和輸出量將輸入的精確量轉(zhuǎn)化成為模糊量的過程稱為模糊化常用的輸入量是系統(tǒng)輸出的誤差（e）和誤差的改變量（ec），而輸出量就是控制量（u）。第9頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊化輸入量和輸出量論域的設(shè)計基本論域eecu的實際范圍稱為這些變量的基本論域e的基本論域：[eLeH]ec的基本論域：[ecLecH]u的基本論域：[uLuH]精確量第10頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊化輸入量和輸出量論域的設(shè)計在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把輸入、輸出量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域。例如，可以將E的論域定義為{-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m-1,m}；將EC的論域定義為{-n,-n+1,…,-1,0,1,…,n-1,n}；將U的論域定義為{-l,-l+1,…,-1,0,1,…,l-1,l}。為了提高實時性，模糊控制器常常以控制查詢表的形式出現(xiàn)。該表反映了通過模糊控制算法求出的模糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點上的對應(yīng)關(guān)系。為了能方便地產(chǎn)生控制查詢表，在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把輸入輸出的論域定義為有限整數(shù)的離散論域。?第11頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊化輸入量和輸出量論域的設(shè)計有關(guān)論域的選擇問題，一般誤差論域m≥6，誤差變化論域n≥6，控制量的論域l≥7。這是因為語言變量的詞集多半選為七個（或八個）這樣能滿足模糊集論域中所含元素個數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的二倍以上，確保模糊集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。道理上講，增加論域中的元素個數(shù)，即把等級細分，可以提高控制精度，但受到計算機字長的限制，另外要增加計算量。把等級分得過細，顯得必要性不大。第12頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理輸入量和輸出量論域的設(shè)計如何實現(xiàn)實際的連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)換？

通過引入量化因子ke、kec和比例因子ku來實現(xiàn)kekecd/dt模糊控制器ku期望值y＋－eecEECUu實際中誤差的連續(xù)取值范圍是e=[eL,eH]，則：

第13頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理輸入量和輸出量論域的設(shè)計同理，假如誤差變化率的連續(xù)取值范圍是ec=[ecL,ecH]，控制量的連續(xù)取值范圍是u=[uL,uH]，則量化因子kec和比例因子ku可分別確定如下：在確定了量化因子和比例因子之后，誤差e和誤差變化率ec可通過下式轉(zhuǎn)換為模糊控制器的輸入E和EC：

式中，<>代表取整運算（四舍五入）。

第14頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理輸入量和輸出量論域的設(shè)計模糊控制器的輸出U可以通過下式轉(zhuǎn)換為實際的輸出值u：Ke選的較大時，系統(tǒng)的超調(diào)變大，過渡過程變長。Ke增大，相當于縮小了誤差的基本論域，增大誤差變量的控制作用。Kec選的較大時，系統(tǒng)的超調(diào)變小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。Ku選的過小時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程變長，選擇過大會導致系統(tǒng)振蕩。Ku影響著控制器的輸出，能過調(diào)整Ku可以改變被控對象輸入的大小。第15頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理對輸入量進行模糊化處理，包括確定語言變量和隸屬函數(shù)確定語言變量的語言值通常在語言變量的論域上，將其劃分為有限的幾檔。例如，可將E、EC和U的劃分為{“正大（PB）”，“正中(PM)”，“正?。≒S）”，“零（ZO）”，“負?。∟S）”，“負中（NM）”，“負大（NB）”}七檔。檔級多，規(guī)則制定靈活，規(guī)則細致，但規(guī)則多、復雜，編制程序困難，占用的內(nèi)存較多；檔級少，規(guī)則少，規(guī)則實現(xiàn)方便，但過少的規(guī)則會使控制作用變粗而達不到預期的效果。因此在選擇模糊狀態(tài)時要兼顧簡單性和控制效果。第16頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理對輸入量進行模糊化處理，包括確定語言變量和隸屬函數(shù)確定隸屬函數(shù)（原則）模糊化處理方法模糊單點或單點模糊集合如果輸入值x0是準確的，那么通常將其模糊化為模糊單點，即離散化的輸入論域

將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，得到有限個點上的隸屬度，便構(gòu)成了一個相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。第17頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理例3.1.2.1論域X由閉區(qū)間[-6,6]離散化為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}第18頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊化過程小結(jié)將輸入輸出的精確值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊值，具體的步驟如下：

第一步將實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率量化為模糊控制器的輸入。

假設(shè)實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為e*和ec*，可以通過量化因子將其量化為模糊控制器的輸入E*和EC*。第19頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊化過程小結(jié)第二步

將模糊控制器的精確輸入E*和EC*轉(zhuǎn)化為模糊輸入A*和B*。將E*和EC*所對應(yīng)的隸屬度最大的模糊值當作當前模糊控制器的模糊輸入量A*和B*。

假設(shè)E*=－6，系統(tǒng)誤差采用三角形隸屬函數(shù)來進行模糊化。E*屬于NB的隸屬度最大（為1），則此時，相對應(yīng)的模糊控制器的模糊輸入量為：

第20頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊化過程小結(jié)對于某些輸入精確量，有時無法判斷其屬于哪個模糊值的隸屬度更大，例如當E*=-5時，其屬于NB和NM的隸屬度一樣大。此時有兩種方法進行處理：1）在隸屬度最大的模糊值之間任取一個；例如當E*=-5時，A*＝NB或NM。2）重新定義一個模糊值，該模糊值對于當前輸入精確量的隸屬度為1，對于其它精確量的隸屬度為0。（模糊單點）第21頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理知識庫數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫量化因子、比例因子語言變量的語言值各模糊變量的模糊取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)選擇和形狀等問題用模糊語言表示的一系列控制規(guī)則，反映了控制專家的經(jīng)驗和知識知識庫第22頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理規(guī)則庫規(guī)則庫的形式規(guī)則庫由若干條控制規(guī)則組成，這些控制規(guī)則根據(jù)人類控制專家的經(jīng)驗總結(jié)得出，按照IF…is…AND…is…THEN…is…的形式表達。

R1:IFEisA1ANDECisB1THENUisC1

R2:IFEisA2ANDECisB2THENUisC2………Rn:IFEisAnANDECisBnTHENUisCn其中，E、EC是輸入變量“誤差”，“誤差變化率”；U是輸出變量“控制量”。Ai

、Bi

、Ci是第i條規(guī)則中與E、EC、U對應(yīng)的語言值。

第23頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理規(guī)則庫規(guī)則庫的形式規(guī)則庫也可以用表格的形式進行描述。

在E、EC、U的論域上各定義了7個語言子集：{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB}對于E、EC可能的每種取值，進行專家分析和總結(jié)后，則總結(jié)出的控制規(guī)則為：

UECNBNMNSZPSPMPBENBNBNBNBNBNMNSZONMNBNBNBNMNMNSZONSNMNMNMNSZOZOPSZNBNMNSZOPSPSPMPSNSNSZOPSPMPMPMPMZOPSPMPMPBPBPBPBPSPMPMPBPBPBPB規(guī)則庫中的規(guī)則必須涵蓋所有可能的情況第24頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理建立模糊控制規(guī)則表的基本思想當誤差為負大時，若誤差變化為負，這時誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負大誤差并抑制誤差變大，所以控制量的取負大。當誤差為負而誤差變化為正時，系統(tǒng)本身已有減小誤差的趨勢，為盡快消除誤差且又不引起超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。當誤差為負中時，控制量應(yīng)使誤差盡快消除，取值與誤差為負大時相同。當誤差為負小時，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，若誤差變化為負，選取控制量為負中，以抑制誤差往負方向變化，若誤差變化為正時，系統(tǒng)本身已有趨勢消除負小的偏差，選取控制量為零或正小即可。當誤差為正時，控制思想與此基本相同，僅符號相反。第25頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理規(guī)則庫規(guī)則庫的生成模糊控制規(guī)則的提取方法在模糊控制器的設(shè)計中起著舉足輕重的作用，它的優(yōu)劣直接關(guān)系著模糊控制器性能的好壞，是模糊控制器設(shè)計中最重要的部分。模糊控制規(guī)則的生成方法歸納起來主要有以下幾種：

根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成控制規(guī)則。這種方法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型，經(jīng)過反復的實驗和修正形成最終的規(guī)則庫。

根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則。這種方法通過用模糊語言描述被控過程的輸入輸出關(guān)系來得到過程的模糊模型，進而根據(jù)這種關(guān)系來得到控制器的控制規(guī)則。

根據(jù)學習算法獲取控制規(guī)則。應(yīng)用自適應(yīng)學習算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進行分析和聚類，生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則。第26頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理規(guī)則庫規(guī)則庫的基本要求規(guī)則數(shù)量合理規(guī)則要具有一致性完備性要好控制規(guī)則的增加可以增加控制的精度，但是會影響系統(tǒng)的實時性；控制規(guī)則數(shù)量的減少會提高系統(tǒng)的運行速度，但是控制的精度又會下降。所以，需要在控制精度和實時性之間進行權(quán)衡控制規(guī)則的目標準則要相同。不同的規(guī)則之間不能出現(xiàn)相矛盾的控制結(jié)果。如果各規(guī)則的控制目標不同，會引起系統(tǒng)的混亂?？刂埔?guī)則應(yīng)能對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的任何一種狀態(tài)進行控制。否則，系統(tǒng)就會有失控的危險。第27頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊推理模糊推理的綜合法（組合推理）模糊推理是一種近似推理，是根據(jù)模糊控制規(guī)則庫和系統(tǒng)當前狀態(tài)應(yīng)用模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值的過程。

規(guī)則庫有N條規(guī)則，對所有規(guī)則的模糊蘊含關(guān)系作綜合處理，就得到整個規(guī)則庫的總的模糊關(guān)系R如果系統(tǒng)當前的狀態(tài)是，那么，模糊控制器的輸出是：第28頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一對模糊控制規(guī)則庫中的規(guī)則不做綜合，而是各自獨立地存放，獨立地對系統(tǒng)當前狀態(tài)作出響應(yīng)，最終的控制作用由各規(guī)則的分布響應(yīng)綜合而成。如果規(guī)則庫內(nèi)有N條規(guī)則，各自的模糊蘊含關(guān)系分另是R1，R2，R3，…，RN，而系統(tǒng)當前的狀態(tài)是A*1，A*2，…，A*N，那么，各條規(guī)則的輸出分別是3.1模糊控制的基本原理模糊推理模糊推理的并行法（獨立推理）控制器的最終輸出是第29頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理兩種方法的比較并行法需要占用較多的計算機內(nèi)存并行法能清楚地展示每條規(guī)則所起的作用并行法使規(guī)則的增減和修改更方便，因而具有更大的靈活性。第30頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理例3.1.2.2設(shè)模糊控制器的規(guī)則由兩條規(guī)則組成，分別是IF[e=E1and△e=C1],THEN[u=U1]IF[e=E2and△e=C2],THEN[u=U2]其中，如果系統(tǒng)的當前狀態(tài)是求控制器的輸出第31頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理解：綜合法同理可得第32頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理第33頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理并行法第34頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理反模糊化（Defuzzification）最大隸屬度法（平均）由模糊推理得到的模糊輸出值C*是輸出論域上的模糊子集，只有其轉(zhuǎn)化為精確控制量u，才能施加于對象。我們實行這種轉(zhuǎn)化的方法叫做反模糊化/清晰化/去模糊化/模糊判決/非模糊化/解模糊化/逆模糊化。把C*中隸屬度最大的元素U*作為精確輸出控制量；若模糊輸出量的元素隸屬度有幾個相同的最大值，則取相應(yīng)諸元素的平均值，并進行四舍五入取整，作為控制量。上式中，元素－4對應(yīng)的隸屬度最大，則根據(jù)最大隸屬度法得到的精確輸出控制量為－4。第35頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一反模糊化（Defuzzification）最大隸屬度法（平均）3.1模糊控制的基本原理上式中，元素－4、－3、－2對應(yīng)的隸屬度均為1，則精確輸出控制量為缺點：丟失的信息較多，在很大程度上忽略了隸屬函數(shù)的形狀所包含的信息，不精確，導致控制精度不高。優(yōu)點：簡單方便。第36頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理反模糊化（Defuzzification）加權(quán)平均法該方法對模糊輸出量中各元素求加權(quán)平均值，來得到精確輸出控制量。當ki為隸屬度時，就轉(zhuǎn)化為重心法第37頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一反模糊化（Defuzzification）重心法該方法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，即3.1模糊控制的基本原理對于具有m個輸出量化級數(shù)的離散域情況第38頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理反模糊化（Defuzzification）中心平均法由于由模糊推理得到的模糊輸出值C*往往是M個模糊集的并或者交，所以重心法一個很好的近似為這M個模糊集中心的加權(quán)平均，其權(quán)重等于相應(yīng)模糊集的高度。模糊集的中心：隸屬函數(shù)達到其最大值的所有點的均值模糊集的高度：任意點所達到的最大隸屬度值第39頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理反模糊化（Defuzzification）Matlab提供五種解模糊化方法：（1）centroid：重心法；（2）bisector：面積等分法；（3）mom：最大隸屬度平均法；（4）som：最大隸屬度取小法；（5）lom：最大隸屬度取大法；在Matlab中，通過defuzz()執(zhí)行反模糊化運算。第40頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理模糊控制器的工作過程小結(jié)

模糊控制器實時檢測系統(tǒng)的誤差和誤差變化率e*和ec*；通過量化因子ke和kec將e*和ec*量化為控制器的精確輸入E*和EC*；

E*和EC*通過模糊化過程轉(zhuǎn)化為模糊輸入A*和B*；將A*和B*根據(jù)規(guī)則庫蘊含的模糊關(guān)系進行模糊推理，得到模糊控制輸出量C*；對C*進行反模糊化處理，得到控制器的精確輸出量U*；通過比例因子ku將U*轉(zhuǎn)化為實際作用于控制對象的控制量u*。

將（3）～（5）步離線進行運算，對于每一種可能出現(xiàn)的E和EC取值，計算出相應(yīng)的輸出量U，并以表格的形式儲存在計算機內(nèi)存中，這樣的表格我們稱之為模糊控制表/模糊控制查詢表/模糊控制總表。第41頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理3.1.3模糊控制器的基本類型單變量模糊控制器一維模糊控制器在確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)控制器輸出的個數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。模糊控制器也可類似地劃分為單變量模糊控制器和多變量模糊控制器一維模糊控制器的輸入變量往往選擇為受控量和輸入給定的偏差量E。由于僅僅采用偏差值，很難反映過程的動態(tài)特性品質(zhì)，因此，所能獲得的系統(tǒng)動態(tài)性能是不能令人滿意的。這種一維模糊控制器往往被用于一階被控對象。第42頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理單變量模糊控制器二維模糊控制器二維模糊控制器的兩個輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC，由于它們能夠較嚴格地反映受控過程中輸出變量的動態(tài)特性，因此，在控制效果上要比一維控制器好得多，也是目前采用較廣泛的一類模糊控制器。第43頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理單變量模糊控制器三維模糊控制器三維模糊控制器的三個輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量E、偏差變化量EC和偏差變化的變化率ECC。由于這些模糊控制器結(jié)構(gòu)較復雜，推理運算時間長，因此除非對動態(tài)特性的要求特別高的場合，一般較少選用三維模糊控制器。第44頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.1模糊控制的基本原理多變量模糊控制器要直接設(shè)計一個多變量模糊控制器是相當困難的，可利用模糊控制器本身的解耦特點，通過模糊關(guān)系方程求解，在控制器結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)解耦，即將一個多輸入-多輸出（MIMO）的模糊控制器，分解成若干個多輸入-單輸出（MISO）的模糊控制器，這樣可采用單變量模糊控制器方法設(shè)計。第45頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊控制器的設(shè)計步驟確定輸入輸出變量確定輸入輸出變量的論域及語言變量的模糊集確定輸入輸出隸屬函數(shù)常見eecu例如：E、EC和u的模糊集均為：{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}E、EC和u的論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}模糊變量誤差E、誤差變化EC及控制量u的模糊集和論域確定后，需對模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，確定論域內(nèi)元素對模糊語言變量的隸屬度。第46頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊控制器的設(shè)計步驟建立模糊控制規(guī)則、選擇模糊推理模型模糊推理反模糊化第47頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊邏輯工具箱模糊推理系統(tǒng)編輯器隸屬函數(shù)編輯器輸出量曲面觀測窗模糊規(guī)則編輯器模糊規(guī)則觀測窗第48頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊推理系統(tǒng)編輯器在MATLAB主窗口中鍵入fuzzy第49頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊推理系統(tǒng)編輯器第50頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊推理系統(tǒng)編輯器第51頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

第52頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計隸屬函數(shù)編輯器第53頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

第54頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

第55頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

第56頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計隸屬函數(shù)編輯器第57頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊規(guī)則編輯器第58頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊規(guī)則編輯器第59頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊規(guī)則觀測窗第60頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計輸出量曲面觀測窗第61頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

在主菜單鍵入fuzzyfuzzy1進行修改和查看第62頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊控制器在MATLAB中的實現(xiàn)假定被控對象的傳遞函數(shù)為：為之設(shè)計模糊控制器第63頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計確定輸入輸出變量

確定輸入輸出變量的論域及語言變量的模糊集確定輸入輸出隸屬函數(shù)eecu三角形隸屬函數(shù)S狀隸屬函數(shù)Erange: [-11]→[-6,6]Ke=6ECrange:[-0.60.6]→[-6,6]Kec=10Urange: [-11]→[-6,6]Ku=1/6語言變量模糊集均為：{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}第64頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計第65頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計建立模糊控制規(guī)則、選擇模糊推理模型推理模型：Mamdani

ECENBNMNSZPSPMPBNBNBNBNBNBNMZZNMNBNBNBNBNMZZNSNMNMNMNMZPSPSZONMNMNSZ

PS

PMPMPSNSNSZPMPMPMPMPMZZPMPBPBPBPBPBZZPMPBPBPBPB第66頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計推理方法

min法反模糊化最大隸屬度平均法第67頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

第68頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

第69頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計

第70頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.3模糊控制器設(shè)計模糊控制的優(yōu)缺點模糊控制的優(yōu)點模糊控制的缺點設(shè)計時不需要建立被控制對象的數(shù)學模型，只要求掌握人類的控制經(jīng)驗。系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制確立模糊化和反模糊化的方法時，缺乏系統(tǒng)的方法，主要靠經(jīng)驗和試湊?？偨Y(jié)模糊控制規(guī)則有時比較困難?？刂埔?guī)則一旦確定，不能在線調(diào)整，不能很好地適應(yīng)情況的變化。模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，因而穩(wěn)態(tài)精度不高。第71頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制洗衣機1．洗衣條件（1）衣服的質(zhì)料（2）水：水可帶走一般的灰塵和水溶性污垢，所以，不用洗滌劑也可能洗去部分污垢。水的硬度也會影響洗滌效果，但影響最大的還是水的溫度，在一定的水溫范圍內(nèi)，溫度越高，洗滌效果越好。右圖為水溫與洗凈力之間的關(guān)系曲線。然而，溫度也不宜太高，否則，高溫會把附著在衣服上的蛋白質(zhì)凝固，反而影響洗滌效果。（3）洗滌劑：水溫與洗滌效果關(guān)系曲線第72頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制洗衣機2．模糊控制洗衣機結(jié)構(gòu)模糊控制洗衣機由缸體、電動機、攪拌輪、進水閥、排水閥和各種傳感器構(gòu)成。在模糊控制洗衣機中，要進行多個狀態(tài)參數(shù)的檢測，使用到多個傳感器并進行綜合判斷：（1）負載檢測：使用負載傳感器檢測電動機的負載來確定衣物的量；（2）衣物質(zhì)料檢測：負載傳感器結(jié)合水位傳感器來判斷質(zhì)料并細分；（3）水位檢測：使用水位傳感器檢測水位；（4）水溫檢測：使用熱電偶檢測水溫來作為洗衣自動控制判斷條件之一；（5）水的透光率檢測：使用光電傳感器檢測放入衣物后水的透光率以判斷衣物的臟污程度。第73頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制洗衣機3．模糊控制洗衣機的模糊控制器（1）基本結(jié)構(gòu)和控制過程：第74頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制洗衣機3．模糊控制洗衣機的模糊控制器（2）輸入輸出變量的模糊化為簡化規(guī)則描述，這里以水溫、負載、衣物類型作為輸入變量，輸入變量均劃分為3個模糊子集：水溫高、中、低；負載大、中、??；衣物類型棉、混合、化纖。隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)和梯形函數(shù)。輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù)曲線第75頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制洗衣機3．模糊控制洗衣機的模糊控制器（2）輸入輸出變量的模糊化將洗滌方式和洗滌時間作為輸出變量，均劃分為4個模糊子集：洗滌類型劃分為很強、強、中、弱；洗滌時間分為：很長、長、中、短。模糊子集也是采用三角形函數(shù)和梯形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)。輸出變量模糊子集的隸屬度函數(shù)曲線第76頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制洗衣機3．模糊控制洗衣機的模糊控制器（3）控制規(guī)則衣物類別棉混合化纖負載水溫輸出低中高低中高低中高大洗滌方式很強強強強強中中中中洗滌時間很長長長長長中長中中中洗滌方式中中中中中中中弱弱洗滌時間長中短長中中中中弱小洗滌方式弱弱弱弱弱弱弱弱弱洗滌時間中中短中短短中短弱第77頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制洗衣機3．模糊控制洗衣機的模糊控制器（4）反模糊化采取重心法對模糊推理產(chǎn)生的模糊值進行去模糊精確化處理，最后得到精確的洗衣控制參數(shù)。第78頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐微波爐采用模糊邏輯控制：可以根據(jù)食品的類型、數(shù)量、溫度，以及容器等諸多因素，確定工作時間，以保證烹調(diào)的效果符合要求。根據(jù)食品的類型、數(shù)量、溫度，以及容器等因素來設(shè)定微波爐的工作時間，往往需要有一定的經(jīng)驗。存在問題：一般微波爐的工作過程：①

由用戶確定利用微波爐進行烹調(diào)的食品的類型和數(shù)量；②

由用戶確定所需微波爐工作時間t以后，予以予置；③

啟動微波爐工作。如果：微波爐工作時間過短：烹調(diào)效果不好；微波爐工作時間過長：對水份少的食品可能會產(chǎn)生過熱碳化的現(xiàn)象。第79頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐控制電路和結(jié)構(gòu)框圖單片微機紅外檢測溫度檢測濕度檢測爐門開關(guān)按鍵輸入磁控管控制加熱絲控制爐腔照明顯示電路報警電路第80頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐控制電路和結(jié)構(gòu)框圖（1）檢測電路①

紅外檢測電路

A．作用：用于檢測被烹調(diào)食物的內(nèi)部溫度。

B．組成：由紅外敏感器件和放大電路組成。由紅外檢測電路所測出的食物的放射能量→單片微機。通過處理、計算→得到食物的內(nèi)部溫度T。②

溫度檢測電路

A．作用：用于檢測爐腔內(nèi)部的溫度，而不是食物的內(nèi)部溫度。

B．組成：溫度傳感器。安裝在爐腔內(nèi)。

C．電路工作時間：在加熱絲進行食物保溫或特殊加熱時，使用溫度檢測器，以使爐腔內(nèi)的溫度能保持在一定的水平。第81頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐控制電路和結(jié)構(gòu)框圖（1）檢測電路

（2）按鍵和爐門開關(guān)③

濕度檢測電路

A．作用：測定食物的含水量的多少。

B．組成：采用濕敏電容作為傳感器，安裝在微波爐的排氣孔附近。

在微波加熱過程中，含水量不同的食物的損耗系數(shù)不同。一般情況下，含水量越多的食物的損耗系數(shù)越大，所需微波加熱的時間越短，效率越高。按鍵：用于輸入有關(guān)食物特征信號和控制信號。爐門開關(guān)：用于檢測爐門的開啟或關(guān)閉狀態(tài)。第82頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐控制電路和結(jié)構(gòu)框圖（2）按鍵和爐門開關(guān)①

按鍵：設(shè)有九個按鍵：1—5，A，B，C，啟/停。

A．

按鍵1—5：用于輸入食品的類型（按介電性質(zhì)即損耗系數(shù)和比熱排列）。

按鍵編號12345

食品類型水蔬菜牛肉肥肉油類湯類精肉面油浸品魚蛋B．按鍵A、B、C

用于指示烹調(diào)方式：A—輸入快煮方式。

B—輸入普通煮方式。C—輸入慢煮方式。C．按鍵啟/停第83頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐控制電路和結(jié)構(gòu)框圖（2）按鍵和爐門開關(guān)

（3）輸出控制電路②

爐門開關(guān)：用于檢測爐門的開啟或關(guān)閉狀態(tài)。

A．爐門開啟時：停止磁控管工作。

B．爐門關(guān)閉時：在磁控管工作時接通爐腔內(nèi)的照明燈，便于觀察爐腔內(nèi)的情況。①

磁控管控制電路磁控管在固定的磁感應(yīng)強度和穩(wěn)定的陽極電壓下工作，其輸出功率恒定，效率也保持基本不變。磁控管控制電路：采用占空比調(diào)節(jié)磁控管輸出功率平均值的方法。第84頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐控制電路和結(jié)構(gòu)框圖（3）輸出控制電路

（4）顯示和報警電路②

加熱絲控制電路對加熱絲的控制，可以采用移相調(diào)壓電路，也可以采用占空比調(diào)節(jié)的方法。③

爐腔照明控制電路是一個十分簡單的開關(guān)電路。

①顯示電路

A.四個發(fā)光二極管（七段顯示）。兩位顯示“分”，兩位顯示“秒”。

B.指示燈一個：指示微波爐處于工作或停止狀態(tài)。第85頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐控制電路和結(jié)構(gòu)框圖（4）顯示和報警電路

（5）單片機②報警電路由陶瓷喇叭組成?？捎糜谠谖⒉t工作倒計時為零時，或微波爐空載時報警。根據(jù)輸入的檢測結(jié)果（溫度、濕度、紅外檢測的結(jié)果）→經(jīng)過模糊推理→分別控制磁控管、加熱器、報警電路等。第86頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則模糊量

在模糊控制微波爐中，需要考慮的因素有五個：食物類型，食物重量，食物溫升，工作功率和工作時間。模糊控制微波爐要求能自動推斷：（A）被烹調(diào)食物重量；（B）烹調(diào)工作時間。在模糊控制微波爐中，應(yīng)考慮六個物理量：工作時間t、食物重量m、食物比熱C、輸出功率P、加熱效率η和食物溫升ΔT。第87頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則

*加熱效率η：對固定的微波爐可看作常數(shù)；*食物（烹調(diào)）溫升ΔT：一般為100℃左右。*其余的物理量模糊化：①食物比熱C（J/kg*℃）：?。⊿）、中?。∕S）、中（M）、中大（MB）、大（B）。②食物重量m（kg）：很輕（VL）、輕（L）、中（M）、重（H）、很重（VH）。③輸出功率P（Kw）：小（S）、中?。∕S）、中（M）、中大（ML）、大（L）。

④工作時間t（min）：極短（VS）、短（S）、中短（MS）、中（M）、中長（ML）、長（L）、極長（VL）。第88頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則

食物重量m的推理模糊推理的輸入量：食物比熱C；食物被加熱后的溫升ΔT。模糊推理的輸出量：食物重量m。模糊推理食物比熱C食物被（短時）加熱后的溫升ΔT食物重量m第89頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則

食物重量m的推理輸出功率P和加熱效率η可認為是一個不變量。取工作時間t#=20秒，食物加熱t(yī)#（=20秒）后的溫升ΔT，其模糊量為：

很?。╒S）、?。⊿）、?。∕S）、中（M）、

中大（ML）、大（L）、很大（VL）共七個。

推理條件語句：

ifCandΔTthenm推理結(jié)果：得到食物重量的模糊量m*；再經(jīng)過反模糊化，得到食物重量的精確量m。第90頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則

烹調(diào)工作時間t的推理烹調(diào)工作時間是微波爐工作的關(guān)鍵參數(shù)，其正確與否將影響食物烹調(diào)的效果。應(yīng)防止食物因烹調(diào)不足而不熟，或因過度而焦化。烹調(diào)工作時間t：t∝mCΔT/Pη模糊推理的輸入量：食物比熱C；食物重量m；加熱輸出功率P。模糊推理的輸出量：烹調(diào)工作時間t?？烧J為：加熱效率η是一個不變量；一般烹調(diào)時ΔT=100℃，解凍時ΔT=25℃。第91頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則

烹調(diào)工作時間t的推理輸出功率P烹調(diào)工作時間t食物比熱C食物重量m模糊推理第92頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則

烹調(diào)工作時間t的推理推理條件語句：

ifCandmandPthent為減少規(guī)則數(shù)目，簡化設(shè)計，在烹調(diào)過程中可將：輸出功率P固定為某個數(shù)值。僅考慮食物比熱C和食物重量m兩個輸入變量，進行模糊邏輯推理。則：

ifCandmthent（P=Constant）例如：P=1000W等。推理的結(jié)果：得到烹調(diào)時間t*；再經(jīng)過反模糊化，得到烹調(diào)時間的精確量t`。烹調(diào)時間的精確量t`減去食物重量m推理時的工作時間t#（=20秒），才是尚需的烹調(diào)時間，即t=t`-t#=t`-20(秒)

第93頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制微波爐模糊量與推理規(guī)則

控制電路結(jié)構(gòu)原理（略）控制軟件：由主控程序和過零中斷程序組成。主控程序：進行模糊推理，微波加熱，加熱絲保溫的過程控制；過零中斷程序：周波記數(shù)；磁控管占空比控制；加熱絲占空比控制?？刂栖浖?4頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱家用電冰箱一般是雙門冰箱，分為冷凍室和冷藏室兩個部分。冷凍室用于冷凍食品和制冰。長時間存放，食品中的水份也會凝結(jié)成冰。冷凍室的溫度為-6—-18℃。冷藏室用于在較低的溫度中存放食品。要求有一定的保鮮而不凍傷食物的功能。冷藏室的溫度一般為0—10℃。對家用電冰箱的要求是：較高的溫度控制精度和最優(yōu)的節(jié)能效果。第95頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片微機冷藏室溫度檢測霜厚度檢測冷凍室溫度檢測溫度給定電源檢測壓縮機控制電熱絲控制風門控制溫度顯示第96頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）輸入部件、輸出部件和單片微機①輸入部件輸入電冰箱內(nèi)部狀態(tài)、電源狀態(tài)和用戶設(shè)定的溫度值等。輸入部件包括:

冷凍室溫度檢測電路;

冷藏室溫度檢測電路;

霜厚度檢測電路;

電源檢測電路;

溫度給定電路等。②

輸出部件用于對壓縮機、電熱絲和風門的控制，以及溫度顯示。包括:

壓縮機通斷控制電路;

電熱絲控制電路;

風門控制電路;

以及溫度顯示電路。③

單片微機第97頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）除霜及溫度控制①

除霜控制包括霜厚度檢測和對電熱絲的控制，其作用是用于冷凍室除霜。

除霜控制過程：當冷凍室的霜的厚度凝結(jié)到一定程度時，開始進行加熱除霜→加熱絲通電，進行全電壓加熱除霜→霜的厚度下降→降低加熱絲的控制電壓→霜的厚度繼續(xù)下降

……→直到除霜結(jié)束→斷開加熱絲電源。第98頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

②

溫度控制該系統(tǒng)是一個二輸入二輸出模糊控制系統(tǒng)：兩個輸入量：冷凍室溫度；冷藏室溫度。兩個輸出量：對壓縮機的控制量；對風門的控制量。模糊控制器加熱絲e0?e0ch

給定霜厚度第99頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制器壓縮機風門冷凍室溫度設(shè)定冷藏室溫度設(shè)定e1△e1e2△e2cpcf++––第100頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冷凍室溫度控制：通過對壓縮機的控制來實現(xiàn)。（模糊控制系統(tǒng)接收冷凍室的溫度偏差e1、溫度偏差變化率Δe1后，進行模糊推理。然后，根據(jù)模糊推理的結(jié)果，對壓縮機的工作進行控制Cp。）冷藏室溫度控制：通過對風門的控制來實現(xiàn)。既與壓縮機的工作狀態(tài)有關(guān)，也和冷凍室的溫度有關(guān)。（模糊控制系統(tǒng)接收冷藏室的溫度偏差e2、溫度偏差變化率Δe2，同時也要考慮冷凍室的溫度偏差e1，經(jīng)過模糊推理，決定對風門的控制Cf。）第101頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱模糊量和模糊控制規(guī)則（1）

除霜控制霜厚度檢測器將檢測得來的霜厚度與給定的霜厚度相比較：得到霜厚度偏差e0和霜厚度偏差變化率Δe0

→模糊控制器→控制信號Ch→控制加熱絲工作。①

霜厚度偏差e0的模糊量取四個模糊量：零（Z）?。⊿）中（M）大（L）。全是正模糊量。實際上一般霜厚度的給定值為零，采樣檢測出的厚度即為霜厚度偏差e0。②

霜厚度偏差變化率Δe0的模糊量三個模糊量：小（S）中（M）大（L）。也是正模糊量。第102頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4模糊控制的應(yīng)用模糊控制電冰箱模糊量和模糊控制規(guī)則（1）

除霜控制③

加熱絲控制模糊量隸屬函數(shù)采用單點形式：零（Z）低（L）中（M）高（H）④

除霜控制規(guī)則

ife0andΔe0thenChe0ChZSML

SZMHHΔe0MZLMHLZZMH

例：

ife0=MandΔe0=LthenCh=M第103頁，共108頁，2023年，2月20日，星期一3.4