《智能系統(tǒng)》第6章 模糊邏輯系統(tǒng)

1、第六章模糊邏輯系統(tǒng)6.1模糊邏輯系統(tǒng)概述6.2模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.3邏輯開發(fā)過程6.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of311習(xí)題6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of312模糊邏輯系統(tǒng)是基于模糊集合論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)去模擬人在控制復(fù)雜對(duì)象中采用語言變量描述模糊概念，采用經(jīng)驗(yàn)的控制規(guī)則來描述對(duì)象輸入-輸出間的模糊關(guān)系模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模糊邏輯推理的一種計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)控制。1模糊邏輯系統(tǒng)的定義6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of313模糊集合構(gòu)造的要素：合適的論域和適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)。區(qū)別的關(guān)鍵：模糊集合的主觀性與非隨機(jī)性。模糊集合運(yùn)算及基本性質(zhì)與精確集合的并、交、補(bǔ)的運(yùn)算對(duì)應(yīng)，

2、模糊集合也有相似的運(yùn)算，許多在經(jīng)典集合中成立的基本性質(zhì)是可以擴(kuò)展到模糊集合中的。除了基本運(yùn)算以外，模糊集合中還具有代數(shù)運(yùn)算。模糊邏輯語言與推理 模糊邏輯是一種模擬人類思維過程的邏輯。具有模糊性的語言叫做模糊語言。三種推理方法：模糊近似推理、單輸入模糊推理和多輸入模糊推理。1模糊邏輯系統(tǒng)的定義6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3142模糊邏輯系統(tǒng)的工作原理6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3152模糊邏輯系統(tǒng)的工作原理6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3162模糊邏輯系統(tǒng)的工作原理6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3172. 基本形式 根據(jù)

3、模糊控制器的基本原理，我們把模糊控制器的基本形式歸為三類：經(jīng)典Mamdani型模糊控制器、T-S型模糊控制器和自適應(yīng)模糊控制器。經(jīng)典Mamdani型模糊控制器T-S型模糊控制器自適應(yīng)模糊控制器2模糊邏輯系統(tǒng)的工作原理6.1 模糊邏輯系統(tǒng)概述第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of318經(jīng)典Mamdani型模糊控制器運(yùn)行速度快，控制規(guī)則通過引入加權(quán)因子可以自調(diào)整，便于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，具有較好的自適應(yīng)能力。T-S型模糊控制器不僅可以用來描述模糊控制器，也可以描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型。自適應(yīng)模糊控制器自適應(yīng)模糊控制是在基本模糊控制器上增加了自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)基本模糊控制器自身控制性能的負(fù)反饋控制，以不斷地調(diào)整和

4、改善控制器的性能。2模糊邏輯系統(tǒng)的工作原理第六章模糊邏輯系統(tǒng)6.1模糊邏輯系統(tǒng)概述6.2模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.3邏輯開發(fā)過程6.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of319習(xí)題6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3110模糊化模塊也稱為模糊化接口，它的作用是通過在控制器的輸入、輸出論域上定義語言變量，將精確的輸入、輸出值轉(zhuǎn)換為模糊化量。因此模糊化接口的設(shè)計(jì)步驟事也就是定義語言變量的過程，可分為：語言變量的確定，語言變量論域的設(shè)計(jì)，定義各語言變量的語言值和定義各語言值的隸屬函數(shù)。語言變量的確定語言變量論域的設(shè)計(jì)定義各語言變量的語言值定義各語言值的隸屬函數(shù)1模糊化模塊6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5、第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3111具體過程如下：首先對(duì)這些輸入量進(jìn)行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量將上述已經(jīng)處理過的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來表示。1模糊化模塊6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3112知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)，通常是由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊（語言）控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)模糊控制規(guī)則庫(kù)知識(shí)庫(kù)2知識(shí)庫(kù)6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3113數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含了語言控制規(guī)則論域的離散化、量化和正則化以及輸入空間的分區(qū)、隸屬函

6、數(shù)的定義等。所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)的論域以及這些論域上所定義的規(guī)則庫(kù)中使用的全部模糊子集的定義都存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)還提供模糊邏輯推理必要的數(shù)據(jù)、模糊化接口和模糊判決接口相關(guān)論域的必要數(shù)據(jù)，包含語言控制規(guī)則論域的離散化、量化以及輸入空間的分區(qū)、隸屬函數(shù)的定義等。語言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗浴?知識(shí)庫(kù)6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3114模糊控制規(guī)則庫(kù)包含了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。這些控制規(guī)則是根據(jù)人類控制專家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的，按照“IF.is.AND.is.THEN.is.”的形式表達(dá)，這樣的規(guī)則很容易通過模糊條

7、件語句描述的模糊邏輯推理來實(shí)現(xiàn)。而模糊控制規(guī)則也就是根據(jù)控制目的和控制策略給出了一套由語言變量描述，并由專家或自學(xué)習(xí)產(chǎn)生的控制規(guī)則的集合。2知識(shí)庫(kù)6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3115模糊推理機(jī)是模糊控制器的核心，是指采用某種推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和規(guī)則庫(kù)中蘊(yùn)含的輸入輸出關(guān)系，通過模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值，即模糊控制信息可通過模糊蘊(yùn)含和模糊邏輯的推理規(guī)則來獲取。根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊判決關(guān)系方程，獲得模糊輸出。模糊推理算法和很多因素有關(guān)，如模糊蘊(yùn)含規(guī)則、推理合成規(guī)則、模糊推理?xiàng)l件語句前件部分的連接詞（and）和語句之間的連接詞（also

8、）的不同定義等。因?yàn)檫@些因素有多種不同的定義，可以組合出相當(dāng)多的推理算法。模糊蘊(yùn)含推理規(guī)則模糊邏輯推理規(guī)則模糊控制信息3推理機(jī)制6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3116去模糊化模塊也稱為解模糊接口、清晰化或模糊判決等，由模糊推理得到的模糊輸出值 是輸出論域上的模糊子集，只有其轉(zhuǎn)化為精確控制量 ，才能施加于受控對(duì)象。所以去模糊化模塊的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實(shí)際用于精確的或非模糊的控制量。 4去模糊化模塊6.2 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3117它包含以下兩部分：（1）將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換，變成表示在論域范圍的清晰量。（2）將表示在論域范圍

9、內(nèi)的清晰量經(jīng)尺度變換，變成實(shí)際的控制量。4去模糊化模塊第六章模糊邏輯系統(tǒng)6.1模糊邏輯系統(tǒng)概述6.2模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.3邏輯開發(fā)過程6.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of3118習(xí)題6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3119模糊規(guī)則是由若干個(gè)語言變量構(gòu)成的模糊條件語句，它們反映了人類對(duì)客觀事件的模糊判斷和思維。是根據(jù)模糊語言的定義，它由語法規(guī)則、語言值、語義規(guī)則（句法規(guī)則）和論域幾部分構(gòu)成。因此模糊語言變量簡(jiǎn)單的詞匯或者語句組成的輸入和輸出變量，在確定模糊語言變量時(shí)，首先要確定其基本語言值。一般來說，一個(gè)語言變量的語言值越多，對(duì)事物的描述越全面準(zhǔn)確，可能得到的控制效果就越好。當(dāng)然過

10、細(xì)地劃分反而有可能使控制規(guī)則變得復(fù)雜，因此應(yīng)該根據(jù)具體情況而定。所有語言值形成的模糊子集應(yīng)構(gòu)成模糊變量的一個(gè)模糊劃分。1定義語言變量和術(shù)語6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3120模糊語言值實(shí)際上是一個(gè)模糊子集，而語言值最終是通過隸屬度函數(shù)來描述的即模糊化。語言值的隸屬度函數(shù)又稱為語言值的語義規(guī)則，它有時(shí)以連續(xù)函數(shù)的形式出現(xiàn)，有時(shí)以離散的量化等級(jí)形式出現(xiàn)，應(yīng)該說它們都有各自的特色，例如連續(xù)的隸屬度函數(shù)描述比較準(zhǔn)確，而離散的量化等級(jí)描述比較簡(jiǎn)潔明確。 2構(gòu)建成員函數(shù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3121在模糊邏輯系統(tǒng)中常見的隸屬度函數(shù)類型有兩種：三角形函數(shù)與高斯型函數(shù)。高

11、斯型函數(shù)三角形函數(shù)2構(gòu)建成員函數(shù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of31222構(gòu)建成員函數(shù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)2構(gòu)建成員函數(shù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3124模糊控制器中的知識(shí)庫(kù)（KBKnowledge Base）由數(shù)據(jù)庫(kù)（DBData Base）和規(guī)則庫(kù)（RBRule Base）兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)（DBData Base）和規(guī)則庫(kù)（RBRule Base）知識(shí)庫(kù)（KBKnowledge Base）3構(gòu)建知識(shí)庫(kù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3125數(shù)據(jù)庫(kù)所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值（即在其論域上按相應(yīng)等級(jí)數(shù)

12、離散化以后對(duì)應(yīng)集合的矢量表示值），若論域?yàn)檫B續(xù)域則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)，但要說明的是輸入輸出變量數(shù)據(jù)集不屬于數(shù)據(jù)庫(kù)存放范疇。3構(gòu)建知識(shí)庫(kù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of31263構(gòu)建知識(shí)庫(kù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)3構(gòu)建知識(shí)庫(kù)6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of31284模糊推理6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of31294模糊推理6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3130根據(jù)模糊推理算法，大多得到的結(jié)果是模糊值（除6.3.4節(jié)中第三類推理方法之外），不能直接作為被控對(duì)象的控制量，需要將其轉(zhuǎn)化成一個(gè)執(zhí)行機(jī)

13、構(gòu)可以執(zhí)行的精確量。此過程被稱為解模糊過程或模糊判決，它可以看作是模糊空間到清晰空間的一種映射。5解模糊化6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3131解模糊的目的是根據(jù)模糊推理的結(jié)果求得最能反映控制量的真實(shí)分布，然而解模糊過程目前尚無系統(tǒng)的方法，常用的方法有：最大隸屬度法、重心法、加權(quán)平均法。最大隸屬度法重心法加權(quán)平均法5解模糊化6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of31325解模糊化6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of31335解模糊化6.3 邏輯開發(fā)過程第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of31345解模糊化第六章模糊邏輯系統(tǒng)6.1模糊邏輯系統(tǒng)概述6.2模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.3邏輯開

14、發(fā)過程6.4案例高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of3135習(xí)題6.4 案例第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3136模糊控制則是智能控制中最活躍的方向，自扎德（L.A. Zadeh）提出“模糊集合”（fuzzy sets）的概念后，便為模糊控制開辟了新的研究領(lǐng)域。如今模糊控制在理論探索和實(shí)際應(yīng)用都取得了一系列令人矚目的成果，本節(jié)將講述模糊邏輯系統(tǒng)在汽車系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及環(huán)境控制中的實(shí)際應(yīng)用。6.4 案例第六章 模糊邏輯系統(tǒng)of3137汽車系統(tǒng)應(yīng)用在汽車上例如汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、汽車巡航系統(tǒng)以及倒車防撞系統(tǒng)等。本節(jié)將詳細(xì)介紹制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ABS系統(tǒng)）的數(shù)學(xué)模型以及模糊控制在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。消費(fèi)電子產(chǎn)品通過模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)的智能微波爐，人們不需