第二部分模糊控制(三、四)

1、三、模糊控制系統(tǒng)原理與結構三、模糊控制系統(tǒng)原理與結構 （一）模糊控制的基本原理（一）模糊控制的基本原理模糊控制是以模糊控制是以模糊集理論模糊集理論、模糊語言變量模糊語言變量和和模糊邏輯推理模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法，它是為基礎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。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗能控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實時信號模編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成

2、模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。器上。 模糊控制系統(tǒng)的主要部件是模糊控制系統(tǒng)的主要部件是模糊化處理單元模糊化處理單元、知識庫知識庫(含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫)、推理決策單元推理決策單元和和精確化（清晰化）精確化（清晰化）處理單元處理單元。 模糊控制器應該具備下列模糊控制器應該具備下列三個重要功能：三個重要功能：1) 把輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量把輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量(模糊化處理單元、數(shù)據(jù)模糊化處理單元、數(shù)據(jù)庫。庫。)2) 對模糊量由給定的規(guī)則進行模糊推理對模糊量由給定的規(guī)則進行模糊推理(規(guī)則庫、推理決規(guī)則庫、推理決策單元策單元)。

3、3) 把推理結果的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實際系統(tǒng)能夠接受的精把推理結果的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實際系統(tǒng)能夠接受的精確量確量(精確化處理單元精確化處理單元)。（二）模糊控制器的構成（二）模糊控制器的構成1. 1. 模糊化接口模糊化接口（Fuzzy interfaceFuzzy interface） 模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出的求模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作解，因此它實際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是用是將真實的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個模糊矢量將真實的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個模糊矢量。對于一個。對于一個模糊輸入變量模

4、糊輸入變量e e，其模糊子集通?？梢宰魅缦路绞絼澐郑?，其模糊子集通常可以作如下方式劃分： （1 1）：）： 負大，負小，零，正小，正大負大，負小，零，正小，正大=NB, NS, ZO, PS, NB, NS, ZO, PS, PBPB （2 2）: : 負大，負中，負小，零，正小，正中，正大負大，負中，負小，零，正小，正中，正大=NB, NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PBNM, NS, ZO, PS, PM, PB （3 3）: : 負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大正大=NB, NM, NS, NZ, PZ, PS, P

5、M, PBNB, NM, NS, NZ, PZ, PS, PM, PB用三角型隸屬度函數(shù)表示如圖所示。用三角型隸屬度函數(shù)表示如圖所示。 模糊子集和模糊化等級模糊子集和模糊化等級 2. 知識庫知識庫（Knowledge BaseKB） 知識庫由知識庫由數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫和和規(guī)則庫規(guī)則庫兩部分構成。兩部分構成。 （1）數(shù)據(jù)庫）數(shù)據(jù)庫（Data BaseDB） 數(shù)據(jù)庫存放的是所有輸入、輸出變量的全部數(shù)據(jù)庫存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值（即經(jīng)過論域等級模糊子集的隸屬度矢量值（即經(jīng)過論域等級離散化以后對應值的集合），若論域為連續(xù)離散化以后對應值的集合），若論域為連續(xù)域則為隸屬度函數(shù)。在

6、模糊推理時，向推理域則為隸屬度函數(shù)。在模糊推理時，向推理機提供數(shù)據(jù)。機提供數(shù)據(jù)。 （2）規(guī)則庫）規(guī)則庫（Rule BaseRB） 模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗，它是按人的直覺推理的人員長期積累的經(jīng)驗，它是按人的直覺推理的一種一種語言表示形式語言表示形式。模糊規(guī)則通常有一系列的。模糊規(guī)則通常有一系列的關系詞連接而成，如關系詞連接而成，如if-then、else、also、and、or等。等。 例如例如，某模糊控制系統(tǒng)輸入變量為（誤差），某模糊控制系統(tǒng)輸入變量為（誤差）和（誤差變化），它們對應的和（誤差變化），它們對應的語言變量

7、語言變量為為E和和EC，可給出一組模糊規(guī)則：，可給出一組模糊規(guī)則：R1: IF E is NB and EC is NB then U is PBR2: IF E is NB and EC is NS then U is PM 通常把通常把if部分稱為部分稱為“前提部，而前提部，而then部分稱部分稱為為“結論部結論部”，其基本結構可歸納為其基本結構可歸納為If A and B then C,其中其中A為論域為論域U上的一個模糊子集，上的一個模糊子集，B是論是論域域V上的一個模糊子集。根據(jù)人工控制經(jīng)驗，可離上的一個模糊子集。根據(jù)人工控制經(jīng)驗，可離線組織其控制決策表線組織其控制決策表R, R是笛

8、卡兒乘積集上的一個是笛卡兒乘積集上的一個模糊子集，則某一時刻其控制量由下式給出：模糊子集，則某一時刻其控制量由下式給出： 式中式中 模糊直積運算；模糊直積運算； 模糊合成運算。模糊合成運算。 規(guī)則庫是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時規(guī)則庫是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時為為“推理機推理機”提供控制規(guī)則。提供控制規(guī)則。規(guī)則條數(shù)和模糊變量規(guī)則條數(shù)和模糊變量的模糊子集劃分有關，劃分越細，規(guī)則條數(shù)越多，的模糊子集劃分有關，劃分越細，規(guī)則條數(shù)越多，但并不代表規(guī)則庫的準確度越高，規(guī)則庫的但并不代表規(guī)則庫的準確度越高，規(guī)則庫的“準確準確性性”還與專家知識的準確度有關。還與專家知識的準確度有關。RB

9、AC 3推理與解模糊接口推理與解模糊接口（Inference and Defuzzy-interface） 推理是指模糊控制器根據(jù)輸入模糊量、模糊控制推理是指模糊控制器根據(jù)輸入模糊量、模糊控制規(guī)則，進行模糊推理來求解模糊關系方程，獲得模規(guī)則，進行模糊推理來求解模糊關系方程，獲得模糊控制量。糊控制量。在模糊控制中，考慮到推理時間，通常在模糊控制中，考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法，最基本的有采用運算較簡單的推理方法，最基本的有Zadeh近近似推理。似推理。 推理所獲得的結果仍是一個模糊矢量，不能直接推理所獲得的結果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的

10、用來作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為控制量輸出，即為解模糊解模糊。通常把輸出端具有解模。通常把輸出端具有解模糊轉(zhuǎn)換功能作用的部分稱為糊轉(zhuǎn)換功能作用的部分稱為解模糊接口解模糊接口。 綜上所述，模糊控制器實際上就是依靠微機（或綜上所述，模糊控制器實際上就是依靠微機（或單片機）來構成的，它的絕大部分功能都是由計算單片機）來構成的，它的絕大部分功能都是由計算機程序來完成的。隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，機程序來完成的。隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。四、模糊控制系統(tǒng)的設計四、模糊控制系統(tǒng)的設計 （

11、一）模糊控制器的設計步驟（一）模糊控制器的設計步驟1、定義輸入輸出變量、定義輸入輸出變量首先要決定受控系統(tǒng)有哪些輸入的狀態(tài)必須被首先要決定受控系統(tǒng)有哪些輸入的狀態(tài)必須被監(jiān)測和哪些輸出的控制作用是必須的，如模糊溫監(jiān)測和哪些輸出的控制作用是必須的，如模糊溫度控制器就必須定義系統(tǒng)的溫度為輸入變量，而度控制器就必須定義系統(tǒng)的溫度為輸入變量，而把加熱操作量作為輸出變量。把加熱操作量作為輸出變量。2、定義所有變量的模糊化條件、定義所有變量的模糊化條件 根據(jù)受控系統(tǒng)的實際情況，決定輸入變量的測量根據(jù)受控系統(tǒng)的實際情況，決定輸入變量的測量范圍和輸出變量的控制作用范圍，以進一步確定每范圍和輸出變量的控制作用范圍

12、，以進一步確定每個變量的論域，然后再安排每個變量的語言值及其個變量的論域，然后再安排每個變量的語言值及其相對的隸屬度函數(shù)。相對的隸屬度函數(shù)。3、設計控制規(guī)則庫、設計控制規(guī)則庫 這是一個把專家知識和熟練操作工的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為這是一個把專家知識和熟練操作工的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為用語言表達的模糊控制規(guī)則的過程。用語言表達的模糊控制規(guī)則的過程。 4、設計模糊推理結構、設計模糊推理結構 這一部分可以在通用計算機或單片機上用不同這一部分可以在通用計算機或單片機上用不同推理算法的軟件程序來實現(xiàn)，也可采用專門設計推理算法的軟件程序來實現(xiàn)，也可采用專門設計的模糊推理硬件集成電路芯片來實現(xiàn)。的模糊推理硬件集成電路芯片來實現(xiàn)。5

13、、選擇精確化方法、選擇精確化方法 為了得到確切的控制值，就必須對模糊推理獲為了得到確切的控制值，就必須對模糊推理獲得的模糊輸出量進行轉(zhuǎn)換，這個過程稱作精確化得的模糊輸出量進行轉(zhuǎn)換，這個過程稱作精確化處理。這實際上是要在一組輸出量中找到一個有處理。這實際上是要在一組輸出量中找到一個有代表性的值。代表性的值。精確化方法精確化方法NiivNv101)(maxvvvVvi)(max0vvvVvVvVvdvvdvvvv)()(0mkkvmkkvkvvvv110)()(miimiiikkvv110ikik)(iVv（二）模糊控制器的常規(guī)設計方法（二）模糊控制器的常規(guī)設計方法 常規(guī)模糊控制器如下圖所示：常規(guī)

14、模糊控制器如下圖所示： 常規(guī)?？刂破鞒Ｒ?guī)?？刂破?圖中的模糊集。由模糊邏輯推理可知，對于條模糊控制規(guī)則可以得到個輸入輸出關系矩陣，從而由模糊規(guī)則的合成算法可得系統(tǒng)總的模糊關系矩陣為模糊化模糊邏輯決策精確化edeEDEuUudeeUDEE控制量、誤差變化、為誤差、nnnRRR,21niiRR1則對于任意系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)誤差變化，其對應的模糊控則對于任意系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)誤差變化，其對應的模糊控制器輸出為制器輸出為對上式得到的模糊控制量再進行精確化計算就可以去直接對上式得到的模糊控制量再進行精確化計算就可以去直接控制系統(tǒng)對象了。控制系統(tǒng)對象了。由于模糊關系矩陣是一個高階矩陣，如果用上式直接計算由于模糊關

15、系矩陣是一個高階矩陣，如果用上式直接計算顯然將花費大量計算時間，所以顯然將花費大量計算時間，所以為了保證系統(tǒng)的實時性能，通為了保證系統(tǒng)的實時性能，通常采用查表法實現(xiàn)常規(guī)模糊控制常采用查表法實現(xiàn)常規(guī)模糊控制。iEjDEijCRDEECjiij)(ijCR,ijC 當論域為離散時，經(jīng)過量化后的輸入量的個數(shù)是當論域為離散時，經(jīng)過量化后的輸入量的個數(shù)是有限的?？梢杂邢薜??？梢葬槍斎肭闆r的不同組合，離線計針對輸入情況的不同組合，離線計算出相應的控制量，從而組成一張控制表，實際算出相應的控制量，從而組成一張控制表，實際控制時只要直接查這張控制表即可控制時只要直接查這張控制表即可，在線的運算，在線的運算量是很少的。量是很少的。 這種這種離線計算、在線查表離線計算、在線查表的模糊控制方法比較容的模糊控制方法比較容易滿足實時控制的要求。下圖所示為論域為離散易滿足實時控制的要求。下圖所示為論域為離散時的模糊控制系統(tǒng)的結構。時的模糊控制系統(tǒng)的結構?！叭羲桓哂谌羲桓哂贠點，則向外排水，差值越大，排水越快點，則向外排水，差值越大，排水越快”；“若水位低于若水位低于O點，則向內(nèi)注水，差值越大，注水越快點，則向內(nèi)注水，差值越大，注水越快”。（三）（三）模糊控制系統(tǒng)設計舉例模糊