第三章 模糊控制系統(tǒng)的組成原理

第三章模糊控制系統(tǒng)的組成原理第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1智能控制技術(shù)第3章模糊控制系統(tǒng)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理；3.2模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；3.3模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)實(shí)例。第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月23.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念在自動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)生之前，人們只能采用手動(dòng)控制方式；由于生產(chǎn)力的發(fā)展，人們逐漸采用各種自動(dòng)裝置來部分代替人眼（測(cè)量）、腦（控制）、手（執(zhí)行）的作用。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念經(jīng)典控制理論對(duì)解決線性定常系統(tǒng)的控制問題很有效；現(xiàn)代控制理論在解決線性或非線性、定?；驎r(shí)變系統(tǒng)的控制問題方面，獲得了廣泛應(yīng)用。以上方法，都需要事先知道被控對(duì)象的精確模型，根據(jù)模型及給定性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念在客觀的現(xiàn)實(shí)世界里，許多對(duì)象建立精確數(shù)學(xué)模型是很困難的或根本不可能的，對(duì)這類對(duì)象，很難用上述方法進(jìn)行自動(dòng)控制；相反，對(duì)于某些復(fù)雜對(duì)象，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制，卻可以收到令人滿意的效果。面對(duì)這樣的事實(shí)，人們重新研究人的控制行為的特點(diǎn)，力圖讓計(jì)算機(jī)模擬人類控制的特點(diǎn)。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月5一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的組成：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理測(cè)量變送器期望值R_偏差E控制器執(zhí)行器被控對(duì)象干擾D測(cè)量值ZA/DD/A第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月6一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念1、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)、模糊語言變量及模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的負(fù)反饋閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月7二、模糊控制系統(tǒng)的組成2、模糊控制系統(tǒng)的組成：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理測(cè)量變送器期望值R_偏差E模糊控制器執(zhí)行器被控對(duì)象干擾D測(cè)量值ZA/DD/A第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月8二、模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)的組成：

被控對(duì)象：難以建模的對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器：FLC(FuzzyLogicController)輸入/輸出接口：模糊化與反模糊化環(huán)節(jié)測(cè)量裝置3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月9一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3、模糊控制系統(tǒng)的工作原理： 例：人用手控制竹竿直立不倒。方法：一邊用眼觀察，一邊用手運(yùn)動(dòng)。規(guī)則：竹竿前傾，手向前動(dòng)，傾一點(diǎn)，動(dòng)一點(diǎn)，傾得多，動(dòng)得多；竹竿后倒，手后退。

人的控制過程： 偏差判斷決策動(dòng)作3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理觀察推理（大、中、?。ㄇ啊⒅?、后）第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月10一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3、模糊控制系統(tǒng)的工作原理：

計(jì)算偏差信號(hào)E；將E經(jīng)模糊化后變成模糊量，用相應(yīng)模糊語言表示；將E和推理規(guī)則進(jìn)行合成，得到輸出控制量為：；將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月11一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念4、模糊控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

不依賴被控對(duì)象的精確模型；反映人類思維，且模糊控制規(guī)則可通過學(xué)習(xí)不斷更新；易被人們理解和接受；具有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月123.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理二、模糊控制的原理模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊邏輯控制器，其組成如下所示：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)模糊推理模糊化接口清晰化接口精確輸入精確輸出第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月13二、模糊控制的原理模糊邏輯控制器的功能：把系統(tǒng)偏差從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模糊量；對(duì)該模糊量由給定的規(guī)則進(jìn)行推理；將推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確量。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月143.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器1、模糊化： 把輸入空間的精確點(diǎn)x映射成論域中相應(yīng)語言變量的語言值，即模糊集合A的過程。（1）映射成單點(diǎn)：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月15三、模糊邏輯控制器（2）映射成模糊集合：例：系統(tǒng)偏差e，用語言變量E來描述，則T（E）為E的語言值集合。T(E)={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月16三、模糊邏輯控制器{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

每一語言值均為模糊集合，可用隸屬度函數(shù)表示。如： 經(jīng)驗(yàn)表明：用三角和梯形的隸屬度函數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中帶來很多方便。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理μe0NBNSZEPSPB第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月17三、模糊邏輯控制器2、知識(shí)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)：必要的定義、輸入輸出語言變量的論域、量化因子、隸屬度函數(shù)等。量化因子：為便于計(jì)算機(jī)處理，一般將論域離散化為n小段，每段用一個(gè)特定的術(shù)語標(biāo)記，形成一個(gè)離散域。

3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月18三、模糊邏輯控制器例：一用于熱處理工藝的加熱器，要求保持爐溫600度恒定不變。爐溫受被處理零件的多少、電網(wǎng)電壓變化、本身保溫性和體積等因素影響而容易波動(dòng)。 用模糊控制代替人工控制，則：輸入量為爐溫的誤差：e=T–Td；輸出量為電壓u。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月19三、模糊邏輯控制器輸入、輸出變量的語言值為{NB,NS,ZE,PS,PB}，設(shè)e的論域?yàn)閇-600，600]，u的論域?yàn)閇0，220]， 把 e量化為7個(gè)等級(jí)：-3，-2，-1，0，1，2，3； 把 u量化為7個(gè)等級(jí)：-3，-2，-1，0，1，2，3。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月20三、模糊邏輯控制器設(shè)隸屬度函數(shù)曲線為：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理μe0NBNSZEPSPB-3-2-1123第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月21三、模糊邏輯控制器則輸入輸出賦值表：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理量化等級(jí)隸屬度語言變量-3-2-10123PB000000.51PS000010.50ZE000.510.500NS00.510000NB10.500000第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月22三、模糊邏輯控制器（2）規(guī)則庫(kù)：存放模糊控制規(guī)則，一般用if-then語句描述。規(guī)則庫(kù)的建立： 專家經(jīng)驗(yàn)法； 觀察法； 基于過程的模糊模型； 基于自組織和學(xué)習(xí)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月23三、模糊邏輯控制器例：同上爐溫控制系統(tǒng)。假設(shè)爐溫是通過調(diào)節(jié)可控硅的電壓導(dǎo)通角а來實(shí)現(xiàn)，控制規(guī)則為：

低于600度時(shí)，升壓，低得越多升壓越高；高于600度時(shí)，降壓，高得越多降壓越低； 等于600度時(shí)，保持不變。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月24三、模糊邏輯控制器總結(jié)控制規(guī)則如下：

(1)ifeisNB,thenuisPB；

(2)ifeisNS,thenuisPS；

(3)ifeisZE,thenuisZE；

(4)ifeisPS,thenuisNS；

(5)ifeisPB,thenuisNB。由其量化后的隸屬度，得到規(guī)則的模糊關(guān)系為：R’=(NBe→PBu)∪(NSe→PSu)∪(ZEe→ZEu)∪(PSe→NSu)∪(PBe→NBu)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月25三、模糊邏輯控制器3、模糊推理根據(jù)知識(shí)庫(kù)提供的信息和輸入狀態(tài)模擬人類的推理決策過程，給出合適的控制量?？捎们笆龈鞣N推理方法。推理結(jié)果與多種因素有關(guān)，如合成規(guī)則、蘊(yùn)涵規(guī)則、連接詞等。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月26三、模糊邏輯控制器4、清晰化 把模糊推理得到的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用方法：（1）最大隸屬度函數(shù)法；（2）加權(quán)平均法；（3）重心法。 3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月27三、模糊邏輯控制器（1）最大隸屬度函數(shù)法： 若最大隸屬度的元素有多個(gè)，則：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月28三、模糊邏輯控制器（1）最大隸屬度函數(shù)法： 在模糊推理輸出的結(jié)果中，取隸屬度最大的元素作為精確值。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：丟失許多信息。第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月29三、模糊邏輯控制器（2）加權(quán)平均法： 將各個(gè)取值加權(quán)后求取平均值。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月30三、模糊邏輯控制器（3）重心法 將隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積的重心作為模糊推理最終輸出。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月31三、模糊邏輯控制器（3）重心法例：已知由極大極小推理法得到輸出模糊集為：C=0.3/-1+0.8/-2+1/-3+0.5/-4+0.1/-5試由重心法計(jì)算此推理結(jié)果的輸出精確值。

3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理第32頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月32三、模糊邏輯控制器綜上所