1、智能控制技术课件模糊控制系统主要内容机械结构力学及控制国家重点实验室23. 模糊控制系统3.1 模糊控制系统的组成3.1.1 模糊化过程3.1.2 知识库3.1.3 推理决策过程3.1.4 精确化过程3.2 模糊控制系统的设计3.3 模糊控制器的设计举例3.4 上机练习机械结构力学及控制国家重点实验室33.1 模糊控制系统的组成3.1.0 3.1.0 模糊控制系统的组成概述模糊控制系统的组成概述模糊化模糊推理（推理决策逻辑）精确化知识库输入输出机械结构力学及控制国家重点实验室43.1 模糊控制系统的组成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化精确量转化为模糊量。(1)确定输入量(2)对输入量进行尺
2、度变换，使其在各自的论域范围(3)对输入量进行模糊处理，用相应的模糊集合表示机械结构力学及控制国家重点实验室53.1 模糊控制系统的组成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（1）确定输入、输出变量输入：e ; de输出：u（2）量化因子和比例因子基本论域：e -emin, emaxde -demin, demax将连续量离散化：取X=-n, -n+1, , 0, 1, n-1, n n: 档数机械结构力学及控制国家重点实验室63.1 模糊控制系统的组成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（2）量化因子和比例因子定义量化因子：maxenkeke确定后，任何e值都可以转化为X上的某一元素。)2(2
3、minmax0minmaxeexeenxx0：为实际的输入量emax , emin：为输入量的变化范围x：为转换后的离散量机械结构力学及控制国家重点实验室73.1 模糊控制系统的组成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（2）量化因子和比例因子定义量化因子：maxdenkde注：注： e e 和和dede的连续值与其论域中的离散的连续值与其论域中的离散值并不是一一对应。值并不是一一对应。定义比例因子：nukumax机械结构力学及控制国家重点实验室83.1 模糊控制系统的组成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（3）语言值的选取正大“PB”正中“PM”正小“PS”零 “ZE”负小“NS”负中“NM
4、”负大“NB”“PZ”“NZ”一般取78个语言值机械结构力学及控制国家重点实验室93.1 模糊控制系统的组成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（4）语言值的模糊子集三角函数，正态分布函数等abd1x(x)02424PBPMPSZENSNMNB66机械结构力学及控制国家重点实验室103.1 模糊控制系统的组成3.1.1 3.1.1 模糊化模糊化（5）语言变量赋值表（离散）语言变量：E DE U语言值：PB PM PS ZE NS NM NB -61.00.30.00.00.00.00.0 -40.31.00.30.00.00.00.0 -50.70.70.00.00.00.00.0 -30.0
5、0.70.70.00.00.00.0 -20.00.31.00.30.00.00.0 -10.00.00.70.70.00.00.0 00.00.00.31.00.30.00.0 10.00.00.00.70.70.00.0 20.00.00.00.31.00.30.0 30.00.00.00.00.70.70.0 40.00.00.00.00.31.00.3 50.00.00.00.00.00.70.7 60.00.00.00.00.00.31 NB NM NS ZE PS PM PBE语言值模糊子集: (三角分布，正态分布等)机械结构力学及控制国家重点实验室113.1 模糊控制系统的组成3
6、.1.1 3.1.1 模糊化模糊化例：设偏差的基本论域为：-2.0,2.0， 当k时刻测得偏差为：e(k) = 1.2, 由量化公式得k时刻的偏差变化率的量化值为：查偏差的隶属度值表，得语言变量值为PM(正中)，对应的模糊子集为：将此模糊子集作为k时刻的偏差变量的值送入推理机进行推理判断。2 6(1.20)42.0( 2.0)DEINT 0.30.710.70.323456DEPM机械结构力学及控制国家重点实验室123.1 模糊控制系统的组成3.1.2 3.1.2 知识库知识库知识库包含了数据库数据库和规则库规则库数据库数据库存放所有输出输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值。若论域为连续域，则
7、为隶属度函数。规则库规则库用来存放全部模糊控制规则，在推理时为推理机提供控制规则。模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作经验来建立的，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。通常由一系列的关系词连接而成，如if、then、else、also、and、or等。机械结构力学及控制国家重点实验室133.1 模糊控制系统的组成3.1.2 3.1.2 知识库知识库专家经验法：通过对专家控制经验的咨询形成控制规则库。采用“if-then”规则语言来表达经验。观察法：观察操作人员的实际控制过程。采用“if-then”规则语言来进行控制。机械结构力学及控制国家重点实验室143.1 模糊控制系统的组成3.1.2
8、 3.1.2 知识库知识库基于模糊模型：用语言描述建立对象的模糊模型，以便得 到模糊控制规则。nnn 13YPSUNSYZE规律 ：如果且那么NSUPSYZEYn1 -n那么且如果由规律3可得出一条控制规则：自组织法：模糊控制规则能随着环境或对象的变化进行修改。机械结构力学及控制国家重点实验室153.1 模糊控制系统的组成3.1.2 3.1.2 知识库知识库单输入输出的一维FCIf x=A then y=BIf x=A then y=B else y=C简单，但控制效果不佳，适用于随动、定值控制系统等。niiiBAbaR1),(模糊关系：)()(),(1iiniiiCABAbaR（玛达尼推理）
9、（扎德推理）模糊关系：机械结构力学及控制国家重点实验室163.1 模糊控制系统的组成3.1.2 3.1.2 知识库知识库控制器减速器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1RifSMK1输入：水位R；输出：控制器K1手动调节的规则机械结构力学及控制国家重点实验室173.1 模糊控制系统的组成3.1.2 3.1.2 知识库知识库多次记录，根据手动控制经验总结出模糊控制规则：（1）为E为正大，则U为负大。若e=测量给定（2）为E为正小，则U为负小。（3）为E为零，则U为零。（4）为E为负小，则U为正小。（5）为E为负大，则U为正大。If E = PB then U= NBIf E = PS then U
10、= NSIf E =ZE then U= ZEIf E= NS then U = PSIf E= NB then U = PB机械结构力学及控制国家重点实验室183.1 模糊控制系统的组成3.1.2 3.1.2 知识库知识库双输入单输出的二维FCIf x1=A and(0R) x2= B then y=CniiTiiUDEEudeeR12)(),(模糊关系：（玛达尼推理）FCABC(U)dee考虑了误差和误差变化，在随动和定值控制系统的控制性能方面明显优于一维控制器。机械结构力学及控制国家重点实验室193.1 模糊控制系统的组成3.1.3 3.1.3 推理决策过程推理决策过程即上一章中介绍的模
11、糊逻辑推理。常用的是最大最小（玛达尼）推理。模糊控制的核心。利用知识库的信息，模拟人类的推理决策过程。机械结构力学及控制国家重点实验室203.1 模糊控制系统的组成3.1.4 3.1.4 精确化过程精确化过程把由模糊推理所得到的模糊输出量，转变为精确控制量。进而去驱动或控制具体的执行机构。最大隶属度法加权平均法（重心法）中位数法机械结构力学及控制国家重点实验室213.1 模糊控制系统的组成3.1.4 3.1.4 精确化过程精确化过程在输出的模糊集合中取隶属度最大的元素作为结果，如果同时出现几个元素具有最大隶属度，则取它们的平均值作为结果。10.70.70.30.30.30.20.70.70.7
12、7654321010.2000.20.30.3234567U 例：精确量：6 . 25) 10167(1u优点：计算简单。缺点：概括的信息量少，适用于控制要求不高的场合。机械结构力学及控制国家重点实验室223.1 模糊控制系统的组成3.1.4 3.1.4 精确化过程精确化过程取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心作为结果。（1）普通加权连续：uUuUduuduuuu)()(111离散：miiUmiiUiuuuu11111)()(机械结构力学及控制国家重点实验室233.1 模糊控制系统的组成3.1.4 3.1.4 精确化过程精确化过程同样考虑上例：10.7( 7)0.7( 6)0.3 ( 5
13、)0.3 70.70.70.30.37.61.365.6u 机械结构力学及控制国家重点实验室243.1 模糊控制系统的组成3.1.4 3.1.4 精确化过程精确化过程取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心作为结果。（2）算术加权miimiiikkxu111机械结构力学及控制国家重点实验室253.1 模糊控制系统的组成3.1.4 3.1.4 精确化过程精确化过程取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积平分为两等份的数作为结果。bxUxaUdxxdxx00)()( 面积均分：机械结构力学及控制国家重点实验室263.1 模糊控制系统的组成3.1.4 3.1.4 精确化过程精确化过程解模糊后，还要经过
14、尺度变换，求出实际输出。maxminmaxmin1()22uyyuuyk uu1 ：为精确量； ymax，ymin：为控制量的变化范围；420mA 或 15V。y：为实际输出的控制量；ku：比例因子。主要内容机械结构力学及控制国家重点实验室273. 模糊控制系统3.1 模糊控制系统的组成3.1.1 模糊化过程3.1.2 知识库3.1.3 推理决策过程3.1.4 精确化过程3.2 模糊控制系统的设计3.3 模糊控制器的设计举例3.4 上机练习机械结构力学及控制国家重点实验室283.2 模糊控制系统的设计（1）模糊化输入值 (ei，dei) 经模糊化 E，DE （2）推理决策（依赖知识库） 模糊逻
15、辑推理，合成运算得Ui （3）精确化 精确化得ui 尺度变换得yi 机械结构力学及控制国家重点实验室293.2 模糊控制系统的设计模糊控制器的结构确定；模糊控制规则的确定；模糊化和清晰化方法的确定；模糊控制器的参数确定；编写模糊控制算法程序。机械结构力学及控制国家重点实验室303.2 模糊控制系统的设计按照输入输出量个数分类单变量（输出量）模糊控制器：一维，二维，三维多变量模糊控制器：MIMO单一型：模糊控制器复合型：模糊控制器和其它传统控制方式结合在一起控制按照控制机理（本质）分类按照控制功能分类固定型变结构型自组织型自适应型模糊PID控制器机械结构力学及控制国家重点实验室313.2 模糊控
16、制系统的设计一维模糊控制器输入语言变量为被控量和结定值的偏差，动态控制性能不佳，控制效果不能令人满意。这种控制方案一般用于一阶被控对象。机械结构力学及控制国家重点实验室323.2 模糊控制系统的设计二维模糊控制器输入语言变量为被控量与给定值的偏差和偏差变化率，能够较全面严格地反映被控过程的动态待性，因此控制效果比一维模糊控制器好。它是目前被广泛采用的一种模糊控制器。机械结构力学及控制国家重点实验室333.2 模糊控制系统的设计三维模糊控制器输入变量分别为系统偏差量、偏差变化率和偏差变化率的变化率。由于这类模糊控制器结构比较复杂，推理运算时间长，一般较少使用。机械结构力学及控制国家重点实验室34
17、3.2 模糊控制系统的设计复合模糊控制器模糊控制器+PI控制器（传统）机械结构力学及控制国家重点实验室353.2 模糊控制系统的设计自组织模糊控制器机械结构力学及控制国家重点实验室363.2 模糊控制系统的设计语言值选取：NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL。分档越多，对事物描述越细、越准确，制定控制规则更灵活，控制效果越好。但太多可能使控制变得复杂，编程困难，占用存储量大；分档太少，规则变少，效果较差。论域分级选取：-6+6，-3+3等。增加论域中元素的个数，可提高控制精度，但增大了计算量，且模糊控制效果的改善不显著。一般选择模糊论域中所含元素个数为模糊语言变量总数的2倍以上，确保
18、各模糊集能较好覆盖论域，避免出现失控现象。机械结构力学及控制国家重点实验室373.2 模糊控制系统的设计量化因子ke及kec的大小对控制系统的动态性能影响很大。具体体现为：ke较大时，响应加快，振荡加剧，系统的超调较大，过渡过程较长。因为从理论上讲， ke增大，相当于缩小了误差的基本论域，增大了误差变量的控制作用，因此导致上升时间变短，但由于出现超调，使得系统的过渡过程变长。kec较大时，快速性好，超调量减小。kec选择越大系统超调越小，但系统的响应速度变慢。 kec对超调的遏制作用十分明显。机械结构力学及控制国家重点实验室383.2 模糊控制系统的设计隶属函数的形状研究表明，隶属函数的形状在
19、达到控制要求方面差别不大，幅宽大小对性能影响较大。一般可选用三角形、梯形隶属函数，优点是数学表达和运算较简单，所占内存空间小，在输入值变化时，比正态分布或钟形分布具有更大的灵敏性，当存在偏差时，能很快反应产生一个相应的调整量输出。机械结构力学及控制国家重点实验室393.2 模糊控制系统的设计图形表示法表格表示法公式表示法表示方法机械结构力学及控制国家重点实验室403.2 模糊控制系统的设计控制规则的确定 模糊控制规则是模糊控制器的核心，控制规则是人们对受控过程认识的模糊信息的归纳和操作经验的总结，控制器的性能很大程度上取决于模糊控制规则的确定及其可调整性。选择控制规则应注意的问题：规则的条数及
20、质量。 由于被控过程的非线性、高阶次、时变性以及随机干扰等因素的影响，造成模糊控制规则或者粗糙或者不够完善，都会不同程度地影响控制效果。于是就出现了自适应模糊控制器，它的思想是在线或离线调节模糊控制规则的结构或参数，使之趋于最优状态，达到控制规则在控制过程中自动调整和完善。机械结构力学及控制国家重点实验室413.2 模糊控制系统的设计查表法 公式法（解析式法）推理算法 各种算法的运算速度和运算精度有所不同算法结构的确定机械结构力学及控制国家重点实验室423.2 模糊控制系统的设计主要内容机械结构力学及控制国家重点实验室433. 模糊控制系统3.1 模糊控制系统的组成3.1.1 模糊化过程3.1
21、.2 知识库3.1.3 推理决策过程3.1.4 精确化过程3.2 模糊控制系统的设计3.3 模糊控制器的设计举例3.4 上机练习机械结构力学及控制国家重点实验室443.3 模糊控制器的设计举例被控对象传递函数：) 1/(25. 0ses允许转速误差：2转/秒。机械结构力学及控制国家重点实验室453.3 模糊控制器的设计举例1、系统结构设计机械结构力学及控制国家重点实验室463.3 模糊控制器的设计举例2、模糊化输入量语言值：误差e：负偏差（NZ），正偏差（PZ）误差变化de：负偏差变化（NZ），正偏差变化（PZ）输出控制量语言值：正增量（PS），零（ZE），负增量（NS）机械结构力学及控制国家
22、重点实验室473.3 模糊控制器的设计举例3、控制规则规则1：如果e是NZ，且de是NZ，则Du为ZE； 规则2：如果e是NZ，且de是PZ，则Du为NS； 规则3：如果e是PZ，且de是NZ，则Du为PS； 规则4：如果e是PZ，且de是PZ，则Du为ZE；机械结构力学及控制国家重点实验室483.3 模糊控制器的设计举例4、模糊推理设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 . 0/)1 ()3(4321ZEZEuDPSPSuDNSNSuDZEZEuDPZPZNZPZPZNZNZNZ则由四条规则可得（取小）： 输出控制增量为四条推理结果的合成（取大）：PSZENSuDuDuDuDuD/33. 0/67. 0/2 . 04321即，控制量为负增量的隶属度为0.2,为零增量的隶属度为0.67,为正增量的隶属度值为0.33.机械结构力学及控制国家重点实验室493.3 模糊控制器的设计举例5、精确化计算采用重心法miiUmiiUixxxu11111)()(通过比例因子计算具体输出值
