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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制及專(zhuān)家系統(tǒng)第四章第一頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三第二章模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第三章
模糊控制的基礎(chǔ)理論第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器第五章模糊控制理論的研究第二部分模糊控制(12)第二頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器(4學(xué)時(shí))模糊控制系統(tǒng)的定義
模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng),它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ);采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)4.2模糊控制器4.3模糊控制器的設(shè)計(jì)舉例4.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類(lèi)4.2.1模糊控制器的組成4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)4.2.3模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容這也就是它與其他自動(dòng)控制系統(tǒng)的不同之處。因此,它無(wú)疑是一種智能控制系統(tǒng)第三頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)圖4-1模糊控制系統(tǒng)組成框圖確定的/模糊的、單變量的/多變量的、有滯后/無(wú)滯后的、線性的/非線性的、定常的/時(shí)變的、強(qiáng)耦合/干擾的。交直流電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液壓馬達(dá)、液壓閥等通常有PID控制器,串、并聯(lián)校正器,狀態(tài)控制器,自適應(yīng)控制器,解耦控制器,魯棒控制器。(后面詳講模糊控制器)多數(shù)被控對(duì)象的控制器和可觀測(cè)器的狀態(tài)量是模擬量,因此要具有數(shù)/模(D/A)和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換單元將被控對(duì)象的各種非電量(如流量、溫度、壓力、速度、溫度)———電信號(hào),要求其精度高、可靠且穩(wěn)定性好執(zhí)行機(jī)構(gòu):控制器:輸入/輸出(I/O)接口:測(cè)量裝置:被控對(duì)象(狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程):第四頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)(4.1)圖4-2速度模糊控制系統(tǒng)第五頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)總結(jié)上述Fuzzy控制算法(亦稱(chēng)一步Fuzzy控制算法)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程:第六頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)對(duì)于該直流電動(dòng)機(jī)模糊控制調(diào)速系統(tǒng),其控制原理可以作如下分析:NB(negativeBig)NS(NegativeSmall)ZO(zero)PS(PositiveSmall)PB(PositiveBig)12第七頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)圖4-3隸屬度函數(shù)第八頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)3表4-2一維模糊狀態(tài)表4論域有限時(shí),可以用矩陣來(lái)表示這種模糊關(guān)系第九頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)4直積同理,可以得到第十頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)5由Sup-min合成推理6模糊變量精確量第十一頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)峰域中心值方法:6表4-3控制表第十二頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.2模糊控制系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)6圖4-4單變量模糊控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性取諸元素值的中心(重心)為3.5可以適當(dāng)增加較小區(qū)域的分檔級(jí)數(shù)的不均勻分檔方法;第十三頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類(lèi)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)(1)線性模糊控制系統(tǒng)與非線性模糊控制系統(tǒng)線性度線性化因子模糊子集個(gè)數(shù)(2)恒值模糊控制系統(tǒng)與隨動(dòng)模糊控制系統(tǒng)第十四頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.1.3模糊控制系統(tǒng)分類(lèi)4.1模糊邏輯系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)(3)有差模糊控制系統(tǒng)和無(wú)差模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差:當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,其輸出與給定輸入所對(duì)應(yīng)的期望輸出之間的差值被稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差。(1)有差模糊控制系統(tǒng)只考慮誤差的大小及其變化率,即PD調(diào)節(jié)器,因此,一般模糊控制系統(tǒng)均存在有靜態(tài)誤差。(2)無(wú)差模糊控制系統(tǒng)帶有積分環(huán)節(jié)的PID調(diào)節(jié)器可將余差抑制到最小限度。恒值控制系統(tǒng)一般要求無(wú)靜差隨動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)靜差有要求,瞬態(tài)響應(yīng)要求快速第十五頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成4.2模糊控制器FC模糊控制模糊邏輯控制器模糊語(yǔ)言控制器
FCFLCFLCFuzzyControlFuzzyLogicControlFuzzylanguageControl模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)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)、隸屬度函數(shù)的定義等規(guī)則庫(kù)給出一套由語(yǔ)言變量描述的并由專(zhuān)家或自學(xué)習(xí)產(chǎn)生的控制規(guī)則的集合
知識(shí)庫(kù)圖4-5模糊控制器組成第十六頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三(一)模糊化接口4.2.1模糊控制器的組成真實(shí)的確定量輸入一個(gè)模糊矢量
轉(zhuǎn)換成圖4-6模糊化函數(shù)4.2模糊控制器FC第十七頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三(二)知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)(KB-KnowledgeBase)規(guī)則庫(kù)(RB-RuleBase)A.?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)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或隸屬度函數(shù),因此它涉及量化等級(jí)的選擇、量化方式、比例因子、模糊子集的隸屬度函數(shù)。
(線性或非線性)
4.2.1模糊控制器的組成模糊子集的劃分4.2模糊控制器FC第十八頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三量化:將一個(gè)論域離散成確定數(shù)目的幾小段(量化級(jí)),每一段用某一個(gè)特定術(shù)語(yǔ)來(lái)描述,形成一個(gè)離散域。
4.2.1模糊控制器的組成圖4-7模糊子集和模糊化等級(jí)4.2模糊控制器FC第十九頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成本質(zhì)上,圖4-7和表4-4是一樣的,它們只不過(guò)時(shí)對(duì)同一個(gè)模糊輸入量的兩種不同表示方法。他們是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的,在設(shè)計(jì)時(shí)只要知道其中一個(gè)即可。連續(xù)值表示離散值表示表4-4模糊變量e的隸屬度值4.2模糊控制器FC第二十頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成B.規(guī)則庫(kù)存放全部模糊控制規(guī)則的。用一系列模糊條件描述的模糊控制規(guī)則就構(gòu)成模糊控制規(guī)則庫(kù)。與之相關(guān)的:
(1)過(guò)程狀態(tài)輸入變量和控制輸出變量的選擇(2)模糊控制規(guī)則的建立(3)模糊控制規(guī)則的完整性,兼容性,干擾性常用關(guān)系詞為if-then,also(或or),and,else,等通常if——部分——“前提部”
E為PZ、PS、PM、PB、NZ、NS、NM、NBthen——部分——“結(jié)論部”
EC為PZ、PS、PM、PB、NZ、NS、NM、NB類(lèi)似的規(guī)則有條4.2模糊控制器FC第二十一頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成B.規(guī)則庫(kù)存放全部模糊控制規(guī)則的。表4-5模糊規(guī)則表4.2模糊控制器FC第二十二頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成B.規(guī)則庫(kù)存放全部模糊控制規(guī)則的。①專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法:②觀察法:通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制專(zhuān)家和熟練操作工實(shí)際操作來(lái)建立操作模型
舉例:Sugeno-Kang1988年
(2)模糊控制規(guī)則的建立假設(shè)4.2模糊控制器FC第二十三頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成B.規(guī)則庫(kù)存放全部模糊控制規(guī)則的?!癐F-THEN”——即通過(guò)建立被控對(duì)象的模糊模型來(lái)實(shí)現(xiàn)思考:比較①和③所建立規(guī)則的不同之處!
③基于模糊模型的控制④自組織法
隨著環(huán)境的變化或經(jīng)驗(yàn)的豐富更新原有的控制規(guī)則以獲得更佳的控制效果,有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的性能。4.2模糊控制器FC第二十四頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成(三)推理與解模糊接口
根據(jù)輸入模糊量,由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程,并獲得模糊控制量的功能部分??梢允峭评硭惴ㄜ浖布酒:评矸椒╖adeh推理正向推理逆向推理表4-6Zadeh近似推理4.2模糊控制器FC第二十五頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成(三)推理與解模糊接口根據(jù)模糊子集具有不同形式的隸屬函數(shù),而采用不同的推理方法記作簡(jiǎn)單的介紹1.具有吊鐘型或三角型的隸屬函數(shù)對(duì)于有兩個(gè)輸入變量E和EC一個(gè)輸出變量U
模糊控制器控制規(guī)則取為其中4.2模糊控制器FC第二十六頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成(三)推理與解模糊接口1.具有吊鐘型或三角型的隸屬函數(shù)原理如圖4-8圖4-8模糊推理示意4.2模糊控制器FC第二十七頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成(三)推理與解模糊接口2.具有單調(diào)遞增/遞減的隸屬函數(shù)原理如圖4-9圖4-9單調(diào)函數(shù)模糊推理4.2模糊控制器FC第二十八頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成(三)推理與解模糊接口3.具有臺(tái)型的隸屬函數(shù)前提部——模糊命題組成結(jié)論部——普通的輸入輸出關(guān)系式組成原理如圖4-10圖4-10臺(tái)型函數(shù)模糊推理后面這兩種方法推理方法,無(wú)須專(zhuān)門(mén)再進(jìn)行解模糊處理,即“推理機(jī)”中已經(jīng)包含了解模糊接口的功能。4.2模糊控制器FC第二十九頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.1模糊控制器的組成(三)推理與解模糊接口4.關(guān)于精確化過(guò)程的其它方法最大隸屬度函數(shù)法重心法加權(quán)平均法吊鐘型或三角型隸屬函數(shù)單調(diào)遞增/遞減隸屬函數(shù)臺(tái)型的隸屬函數(shù)分別屬于哪種解模糊方法?4.2模糊控制器FC第三十頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)(一)單變量模糊控制系統(tǒng)(二)多變量模糊控制系統(tǒng)(一)單輸入——單輸出模糊控制結(jié)構(gòu)(維數(shù)是指條件部(前提部)中語(yǔ)言變量的多少)4.2模糊控制器FC第三十一頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)(二)多輸入——多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)圖4-11多變量模糊控制器
1.結(jié)構(gòu)解耦通常地,將一個(gè)MIMO的FuzzyController——分解——若干個(gè)多輸入單輸出(MISO)FuzzyController4.2模糊控制器FC第三十二頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)(二)多輸入——多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)
2.MISO模糊控制器3.MIMO模糊控制器由1.2,得到圖4-14MIMO結(jié)構(gòu)由此,得到圖4-13圖4-12MISO模糊控制器
圖4-13MISO結(jié)構(gòu)圖4-14MIMO結(jié)構(gòu)4.2模糊控制器FC第三十三頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容①確定FC的輸入輸出變量②選擇FC的輸入、輸出變量的論域,確定FC的參數(shù)(量化因子,比例因子)③設(shè)計(jì)FC的控制規(guī)則④確立模糊化和清晰化的方法⑤編制模糊控制算法的程序⑥合理選擇FC的采樣時(shí)間下面的溫度控制系統(tǒng)為例設(shè)計(jì)FC:4.2模糊控制器FC第三十四頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容一般地,調(diào)整兩個(gè)量化因子時(shí),控制量輸出的比例因子一般保持不變,若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)震蕩,則可優(yōu)先考慮減少比例因子——消除極限環(huán)量化因子和比例因子的選擇系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩,說(shuō)明有關(guān)的量化因子太小,如圖4-15a
反應(yīng)很慢,超調(diào)又很大,說(shuō)明兩個(gè)量化因子都太大,如圖4-15b
兩個(gè)量化因子恰當(dāng),如圖4-15c圖4-15量化因子的調(diào)整abc4.2模糊控制器FC第三十五頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容選擇描述輸入輸出變量的詞集定義各模糊變量的模糊子集建立模糊控制規(guī)則詞集的選擇5個(gè)詞匯詞集個(gè)數(shù)越多,分辨率越高,一般取2~10個(gè){正大,正小,零,負(fù)小,負(fù)大}{PB,PS,ZE,NS,NB}詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀圖4-164.2模糊控制器FC第三十六頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀表4-7模糊集的隸屬度函數(shù)4.2模糊控制器FC第三十七頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀討論:隸屬函數(shù)的形狀對(duì)控制特性的影響尖峰值高--分辨率高,控制靈敏度高平緩--控制特性較平穩(wěn),系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好因此:誤差較大的區(qū)域,采用低分辨率的模糊集誤差較小的區(qū)域,采用高分辨率的模糊集圖4-18圖4-174.2模糊控制器FC第三十八頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容詞集的選擇模糊子集——確定隸屬函數(shù)的形狀討論:隸屬函數(shù)的形狀對(duì)控制特性的影響實(shí)際應(yīng)用中,含有噪聲,如何減弱噪聲對(duì)隸屬度的影響?圖4-19隸屬度函數(shù)的選擇a)隸屬度函數(shù)的分辨率b)噪聲影響大c)噪聲影響小4.2模糊控制器FC第三十九頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容建立模糊控制規(guī)則表4-8控制規(guī)則表表4-9控制規(guī)則表4.2模糊控制器FC第四十頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三④確立模糊化和清晰化的方法4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容1)精確量的離散化2)模糊化常用方法在處隸屬度為1,其余各點(diǎn)隸屬度均取0。(一)模糊化(二)清晰化表4-7
圖4-21圖4-224.2模糊控制器FC第四十一頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序--最簡(jiǎn)單形式--模糊控制表規(guī)則1規(guī)則2(由表4-8)
推理過(guò)程如圖4-23圖4-23模糊推理過(guò)程示意圖4.2模糊控制器FC第四十二頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三4.2.2模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容⑤編制模糊控制算法的程序--最簡(jiǎn)單形式--模糊控制表由重心法得出精確量得到控制表表4-9表4-9模糊控制表4.2模糊控制器FC第四十三頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三例1:
以流量控制為例,選擇輸入量為誤差(以e表示)和誤差變化(以de表示),控制器的輸出為閥門(mén)流量的校正量(以u(píng)表示)
把誤差劃分成”負(fù)大”,”負(fù)小”,”零”,”正小”,”正大”五個(gè)等級(jí).---語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值.
輸出量即閥門(mén)的開(kāi)關(guān)的狀態(tài)劃分為”關(guān)”,”半開(kāi)”,”中等”,”開(kāi)”這四個(gè)等級(jí)選擇模糊隸屬函數(shù)如圖圖4-24誤差與誤差變化、閥門(mén)流量的隸屬度函數(shù)圖4.3模糊控制器設(shè)計(jì)舉例第四十四頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則,這里有5*5=25條規(guī)則規(guī)則1:如果(IF)誤差為零,或者(OR)誤差變化為正小,則(THEN)閥門(mén)半開(kāi)規(guī)則2:如果(IF)誤差為正小,或者(OR)誤差變化為正小,則(THEN)閥門(mén)中等舉個(gè)例子:假定輸入誤差為5,誤差變化為8,第一步:模糊化由前頁(yè)圖可以得到誤差屬于”零”的程度即隸屬度為0.375,屬于”正小”的程度為0.625,誤差變化屬于”零”的程度即隸屬度為0.2,屬于”正小”的程度為0.8.第二步:模糊邏輯推理應(yīng)用規(guī)則庫(kù)中的兩條規(guī)則1.誤差屬于”零”的程度即隸屬度為0.375,誤差變化屬于”正小”的程度為0.8,由推理規(guī)則MAX(0.375,0.8)=0.8,所以閥門(mén)半開(kāi)的隸屬度為0.82.誤差屬于”正小”的程度即隸屬度為0.625,誤差變化屬于”正小”的程度為0.8,由推理規(guī)則MIN(0.625,0.8)=0.625,所以閥門(mén)中等的隸屬度為0.6254.3模糊控制器設(shè)計(jì)舉例第四十五頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三第三步:精確化計(jì)算由削頂推理法選擇重心法計(jì)算,首先得到3-10的各拐點(diǎn)的坐標(biāo)(0,0),(3.5,0.8),(4.8,0.8),(6,0.5),(6.5,0.625),(9.5,0.625),(12,0).套用精確化過(guò)程重心計(jì)算法積分公式,得到從而閥門(mén)確切開(kāi)度為5.87推理出的閥門(mén)流量的隸屬度4.3模糊控制器設(shè)計(jì)舉例圖4-25閥門(mén)流量的隸屬度函數(shù)圖第四十六頁(yè),共五十一頁(yè),編輯于2023年,星期三例2:討論由晶閘管控制的直流電動(dòng)機(jī).由直流傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊可知,此對(duì)象為一個(gè)純延時(shí)的慣性環(huán)節(jié).設(shè)傳遞函數(shù)已知,要求設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器,對(duì)此調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制,允許轉(zhuǎn)速誤差為2r/s.
選擇語(yǔ)言變量——控制輸入為e,和誤差變化de,控制輸出增量Du
模糊化設(shè)計(jì)由于對(duì)系統(tǒng)控制精度要求不高,允許有一定的誤差裕度.所以4.3模糊控制器設(shè)計(jì)舉例誤差變量可以取兩個(gè)語(yǔ)言值:負(fù)偏差(NZ
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