智能控制理論及應用 課件 第4章 4.1-4.5.1 模糊控制器的設計過程

智能控制4.1模糊控制系統(tǒng)概述/011.模糊控制的提出與發(fā)展1965年，美國加利福尼亞大學控制論專家L.A.Zadeh教授發(fā)表的《FuzzySet》,它開創(chuàng)了模糊數(shù)學的歷史。1974年，英國學者E.H.Mamdani在實驗室成功地將模糊控制應用于蒸汽機的控制，宣告了模糊控制的誕生。1982年，丹麥的L.P.Holmblad和Ostergard在水泥窯爐采用模糊控制并取得了成功，這是第一個商業(yè)化的用于實際工業(yè)過程的模糊控制器。在1979年，日立的SeijiYasunobu開始嘗試開發(fā)用于仙臺地鐵列車運行的模糊控制系統(tǒng)。1987年，該系統(tǒng)在仙臺地鐵中正式運行。此后20年來，模糊控制不斷發(fā)展并在許多領域中得到成功應用。第4章4.1模糊控制系統(tǒng)概述2.模糊控制系統(tǒng)的組成

控制結構：閉環(huán)控制系統(tǒng)

實現(xiàn)手段：基于計算機控制技術的數(shù)字控制系統(tǒng)

設計方法：其本質是讓計算機執(zhí)行人的控制經驗

理論基礎：模糊集合及模糊數(shù)學

實現(xiàn)平臺：嵌入式系統(tǒng)、PLC、DCS等多種控制產品進行實現(xiàn)第4章4.1模糊控制系統(tǒng)概述4.2模糊控制器的設計方法/02確定模糊控制器的輸入、輸出變量；確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊論域；確定輸入、輸出變量劃分的模糊集合的個數(shù)；對輸入、輸出變量進行模糊集合的具體劃分；1、確定輸入和輸出變量的模糊集合劃分第4章4.2.1模糊控制器的設計步驟2.設計模糊控制器的控制規(guī)則；3.確定模糊化方法；4.進行模糊關系提取及模糊推理；5.確定去模糊化方法；6.確定量化因子和比例因子。第4章4.2.1模糊控制器的設計步驟模糊控制器的設計步驟4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計/03第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計控制目標：即水箱的實際液位h跟蹤設定值H

針對該系統(tǒng)，我們設計一個單輸入單輸出模糊控制器1.確定輸入、輸出變量的模糊集合劃分

輸入：e=h(t)

-H

輸出：du第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計誤差進水閥門的開度變化量(2)確定輸入、輸出變量的模糊論域輸入輸出變量的模糊論域范圍均為:[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計注意：為方便設計，這里的模糊論域通常采用比較普遍的對稱型的離散論域，經常選用的范圍包括[-3,3]、[-5,5]、[-7,7]內的整數(shù)?？梢圆挥每紤]實際輸入輸出變量的范圍，因為后面在實際應用時，可以結合變量的實際論域，使用量化因子和比例因子進行輸入、輸出論域的轉換。(3)確定輸入、輸出變量的模糊集合的個數(shù)第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計將輸入、輸出變量均劃分為5個模糊集合

對應為“負大”“負小”“零”“正小”“正大”。

（4）模糊集合的具體劃分第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計模糊集合的表示2

設計模糊控制器的規(guī)則第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計模糊控制器的控制規(guī)則即根據(jù)人的操作經驗凝練出的規(guī)則。通常，可以通過總結現(xiàn)場工程師或操作人員的經驗獲得。這里，規(guī)則的獲取方法為沉浸法“human-in-the-loop”，即假想自己是控制系統(tǒng)中的“控制器”，要根據(jù)輸入變量e的不同狀態(tài)，做出相應的決策。2

設計模糊控制器的規(guī)則eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNBe=h(t)-He>0,h>20cm,du<0e<0,h<20cm,du>0e=0,h=20cm,du=0第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計3

確定模糊化方法第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計（1）精確值對應的隸屬度最大的模糊集合只有一個

對于模糊論域上的任一精確量，如果只存在一個模糊集合，使得該精確量對應的隸屬度最大，那么就將該模糊集合作為該精確量的模糊化結果。3

確定模糊化方法第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計（2）精確值對應的隸屬度最大的模糊集合不止一個當元素在幾個模糊集合上的最大隸屬度相同時，即其對應的隸屬度最大的模糊集合不止一個時，可以重新定義一個模糊集合，該模糊集合在該元素上的隸屬度為1，在論域中其他元素上的隸屬度為0。eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB4.模糊關系提取及模糊推理第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB4.模糊關系提取及模糊推理第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計eNBNSZOPSPBduPBPSZONSNB第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計例4.3（教材61頁）模糊推理第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計5.確定去模糊化方法（1）最大隸屬度法取隸屬度最大的元素作為去模糊化結果如果最大隸屬度對應的元素多于一個MOM（MiddleofMaximum）SOM（SmallestofMaximum）LOM（LargestofMaximum）（2）重心法（加權平均法）取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標圍成面積的重心作為去模糊化結果第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計5.確定去模糊化方法第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計6.確定量化因子和比例因子Kin

量化因子：將輸入信號的實際論域轉換到模糊論域內Ku

比例因子：將輸出的模糊論域轉換到實際論域內第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計6.確定量化因子和比例因子如果e的實際論域是[eL,eH]，eL為下限,eH為上限，那么

同樣，如果

u

的論域=[uL,uH],那么,模糊控制器ku設定值T－eEUukeE的模糊論域:{-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m-1,m}；U的模糊論域:{-l,-l+1,…,-1,0,1,…,l-1,l}。第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計6.確定量化因子和比例因子第4章4.2.2水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計6.確定量化因子和比例因子注意：（a）前面給出的公式和案例中變量的實際論域和模糊論域均為對稱形式，如果論域不對稱，則需要進行相應的平移操作。（b）量化因子、比例因子的作用僅僅為論域變換，它們處理前、后的值均為精確量。4.4模糊控制查詢表/041.何為模糊控制查詢表第4章4.4模糊控制查詢表如果一個模糊控制系統(tǒng)的輸入和輸出的模糊論域固定、模糊規(guī)則固定、模糊化及去模糊化方法固定，則對于任意一個輸入到模糊控制器的精確值，其輸出值也是唯一的。如果我們將該過程提前離線計算好，就可以得到一個模糊控制查詢表，該表描述了模糊控制器的輸入和輸出之間的一一對應關系。模糊控制查詢表等價于模糊控制器。1.何為模糊控制查詢表第4章4.4模糊控制查詢表在實際過程中，我們可以用離線計算好的模糊控制查詢表代替模糊控制器，從而可以大大減少計算量，滿足實時控制的需要?；谀：刂撇樵儽淼哪：刂葡到y(tǒng)如下圖所示。2、模糊控制查詢表的獲取(p73)32第4章4.4模糊控制查詢表33第4章4.4模糊控制查詢表2、模糊控制查詢表的獲取(p73)以4.2節(jié)的水箱液位模糊控制系統(tǒng)為例，進行模糊控制查詢表的獲取。對于輸入e的模糊論域[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]中的元素-4（1）模糊化后對應：（2）基于已知的模糊關系進行模糊推理34第4章4.4模糊控制查詢表2、模糊控制查詢表的獲取(p73)（3）去模糊化采用重心法對上述結果進行去模糊化，可得35第4章4.4模糊控制查詢表2、模糊控制查詢表的獲取(p73)將輸入變量e的模糊論域[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]中的其他元素，按照上述三個步驟進行計算，可得到表4-4所示的模糊控制查詢表。2、模糊控制查詢表的獲取(p73)e-4-3-2-101234du2.932.601.6710-1-1.67-2.60-2.93包括兩個步驟:（1）離線計算:模糊控制查詢表.（2）在線實現(xiàn):得到當前e(t)，將量化因子縮放后，搜索模糊控制查詢表，然后輸出相應的控制值。第4章4.4模糊控制查詢表3、基于模糊控制查詢表的控制流程第4章4.4模糊控制查詢表4.5模糊控制系統(tǒng)設計及仿真案例4.5.1兩入單出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計4.5.2倒立擺模糊控制系統(tǒng)設計4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計/05（1）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊集合劃分1）確定模糊控制器的輸入、輸出變量輸入：輸出：第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計（1）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊集合劃分第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計2）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊論域e、ec、du的模糊論域均為3）確定輸入、輸出變量劃分的模糊集合的個數(shù)將兩個輸入及一個輸出變量均劃分為5個模糊集合（1）確定模糊控制器輸入、輸出變量的模糊集合劃分4）對輸入、輸出變量進行模糊集合的具體劃分第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計（2）設計模糊控制器的控制規(guī)則e是NBec是NBdu是PBe是NBec是PBdu是?第4章4.5.1兩輸入單輸出水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計

dueNBNSZOPSPBecNBPBPBPBZO/PSNBNSPBPBPSNS/ZONBZOPBPSZONSNBPSPBPS/ZONSNBNBP