模糊控制自學-文檔資料

1、14-2 4-2 模糊控制模糊控制 第四章第四章 連續(xù)系統(tǒng)控制連續(xù)系統(tǒng)控制 24.2.1 模糊控制的工作原理模糊控制的工作原理 將人類專家對特定對象的控制經(jīng)驗，運用模糊集理論將人類專家對特定對象的控制經(jīng)驗，運用模糊集理論進行量化，轉(zhuǎn)化為可數(shù)學實現(xiàn)的控制器，從而實現(xiàn)對進行量化，轉(zhuǎn)化為可數(shù)學實現(xiàn)的控制器，從而實現(xiàn)對被控對象的控制。被控對象的控制。 人類（專家）的控制經(jīng)驗是如何轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制器的人類（專家）的控制經(jīng)驗是如何轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制器的 ？控制思想：控制思想：水溫偏高，就把閥門關(guān)??；水溫偏高，就把閥門關(guān)??；水溫偏低，就把閥門開大。水溫偏低，就把閥門開大。模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想3模仿

2、人類的調(diào)節(jié)經(jīng)驗，可以構(gòu)造一個模糊控制系統(tǒng)來模仿人類的調(diào)節(jié)經(jīng)驗，可以構(gòu)造一個模糊控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對水溫的控制實現(xiàn)對水溫的控制。 n 用一個溫度傳感器來替代左手進行對水溫的測量，傳感器用一個溫度傳感器來替代左手進行對水溫的測量，傳感器的測量值經(jīng)的測量值經(jīng)A/DA/D變換后送往控制器。變換后送往控制器。 n 電磁閥代替右手和機械閥作為執(zhí)行機構(gòu)，電磁閥的開度由電磁閥代替右手和機械閥作為執(zhí)行機構(gòu)，電磁閥的開度由控制器的輸出經(jīng)控制器的輸出經(jīng)D/A變換后控制。變換后控制。 n 構(gòu)造控制器，使其能夠模擬人類的操作經(jīng)驗。構(gòu)造控制器，使其能夠模擬人類的操作經(jīng)驗。人類的控制規(guī)則人類的控制規(guī)則如果水溫比期望值如果水溫比

3、期望值高高，就把燃氣閥關(guān)，就把燃氣閥關(guān)小小；如果水溫比期望值如果水溫比期望值低低，就把燃氣閥開，就把燃氣閥開大大。描述了輸入（水溫與期望值的偏差描述了輸入（水溫與期望值的偏差 e e）和輸出（閥門開度的）和輸出（閥門開度的增量增量 u u）之間的模糊關(guān)系）之間的模糊關(guān)系R R4輸入輸入e e輸出輸出u u模糊模糊推理推理規(guī)則庫規(guī)則庫R RD/AD/A電磁閥電磁閥熱水器熱水器溫度溫度傳感器傳感器A/DA/D期望值期望值e eu u模糊值模糊值模糊值模糊值精確值精確值精確值精確值模糊化模糊化去模糊化去模糊化熱水器水溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱水器水溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5模糊控制器的基本工作原理模糊控制器的

4、基本工作原理 將測量得到的被控對象的狀態(tài)經(jīng)過模糊化接將測量得到的被控對象的狀態(tài)經(jīng)過模糊化接口轉(zhuǎn)換為用人類自然語言描述的模糊量，而后根口轉(zhuǎn)換為用人類自然語言描述的模糊量，而后根據(jù)人類的語言控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理得到輸出據(jù)人類的語言控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理得到輸出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經(jīng)過清控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經(jīng)過清晰化接口轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)能夠接收的精確量。晰化接口轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)能夠接收的精確量。 64.2.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計74.2.2.1 模糊化接口模糊化接口 模糊化就是通過在控制器的輸入、輸出論模糊化就是通過在控制器的輸入、輸出論域上定

5、義語言變量，來將精確的輸入、輸出值域上定義語言變量，來將精確的輸入、輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值。轉(zhuǎn)換為模糊的語言值。 模糊化接口的設(shè)計事實上就是定義語言模糊化接口的設(shè)計事實上就是定義語言變量的過程。變量的過程。84.2.2.1 模糊化接口模糊化接口 1) 1) 語言變量的確定語言變量的確定 針對模糊控制器每個輸入、輸出空間，各自針對模糊控制器每個輸入、輸出空間，各自定義一個語言變量。定義一個語言變量。 通常取系統(tǒng)的誤差值通常取系統(tǒng)的誤差值e e和誤差變化率和誤差變化率ecec為模糊為模糊控制器的兩個輸入，在控制器的兩個輸入，在e e的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“誤差誤差E E”，在，

6、在ecec的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“誤差變誤差變化化ECEC”；在控制量；在控制量u u的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“控制控制量量U U”。 92)2)語言變量論域的設(shè)計語言變量論域的設(shè)計 在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把語言變量的論在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域。例如，可以將域定義為有限整數(shù)的離散論域。例如，可以將E E的論域的論域定義為定義為-m, -m+1, , -1, 0, 1, , m-1, m ；將；將ECEC的論域的論域定義為定義為-n, -n+1, , -1, 0, 1, , n-1, n ；將；將U U的論域定的

7、論域定義為義為-l, -l+1, , -1, 0, 1, , l-1, l 。? ? 為了提高實時性，模糊控制器常常以控制查詢表為了提高實時性，模糊控制器常常以控制查詢表的形式出現(xiàn)。該表反映了通過模糊控制算法求出的模的形式出現(xiàn)。該表反映了通過模糊控制算法求出的模糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點上的對應關(guān)系。糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點上的對應關(guān)系。為了能方便地產(chǎn)生控制查詢表，在模糊控制器的設(shè)計為了能方便地產(chǎn)生控制查詢表，在模糊控制器的設(shè)計中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數(shù)的離散論域。論域。 10如何實現(xiàn)實際的連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)

8、換？如何實現(xiàn)實際的連續(xù)域到有限整數(shù)離散域的轉(zhuǎn)換？ 通過引入量化因子通過引入量化因子ke、kec和比例因子和比例因子ku來實現(xiàn)來實現(xiàn) ke kec d/dt模糊模糊控制器控制器ku期望值期望值yeecEECUu假設(shè)在實際中，誤差的連續(xù)取值范圍是假設(shè)在實際中，誤差的連續(xù)取值范圍是e=eL,eH，eL表示低限值，表示低限值，eH表示高限值。則：表示高限值。則： LHeeemk2同理，假如誤差變化率的連續(xù)取值范圍是同理，假如誤差變化率的連續(xù)取值范圍是ec=ecL,ecH ，控制量的連續(xù)取值范圍是控制量的連續(xù)取值范圍是u=uL,uH ，則量化因子，則量化因子kec和和比例因子比例因子ku可分別確定如下：

9、可分別確定如下：LHecececnk2luukLHu211在確定了量化因子和比例因子之后，誤差在確定了量化因子和比例因子之后，誤差e和誤差變和誤差變化率化率ec可通過下式轉(zhuǎn)換為模糊控制器的輸入可通過下式轉(zhuǎn)換為模糊控制器的輸入E和和EC： )2(LHeeeekE)2(LHececececkEC式中，式中，代表取整運算。代表取整運算。 模糊控制器的輸出模糊控制器的輸出U U可通過下式轉(zhuǎn)換為實際的輸出值可通過下式轉(zhuǎn)換為實際的輸出值u u： 2LHuuuUku123) 3) 定義各語言變量的語言值定義各語言變量的語言值 通常在語言變量的論域上，將其劃分為有限的幾檔。通常在語言變量的論域上，將其劃分為有

10、限的幾檔。例如，可將例如，可將E E、ECEC和和U U的劃分為的劃分為“正大（正大（PBPB）”，“正中正中(PM)”(PM)”，“正?。ㄕ。≒SPS）”，“零（零（ZOZO）”，“負?。ㄘ撔。∟SNS）”，“負中（負中（NMNM）”，“負大（負大（NBNB）” 七檔。七檔。 n 檔級多，規(guī)則制定靈活，規(guī)則細致，但規(guī)則多、復檔級多，規(guī)則制定靈活，規(guī)則細致，但規(guī)則多、復雜，編制程序困難，占用的內(nèi)存較多；雜，編制程序困難，占用的內(nèi)存較多；n 檔級少，規(guī)則少，規(guī)則實現(xiàn)方便，但過少的規(guī)則會檔級少，規(guī)則少，規(guī)則實現(xiàn)方便，但過少的規(guī)則會使控制作用變粗而達不到預期的效果。使控制作用變粗而達不到預期的效果

11、。因此在選擇模糊狀態(tài)時要兼顧簡單性和控制效果。因此在選擇模糊狀態(tài)時要兼顧簡單性和控制效果。 134)4)定義各語言值的隸屬函數(shù)定義各語言值的隸屬函數(shù) 隸屬函數(shù)的類型隸屬函數(shù)的類型 正態(tài)分布型正態(tài)分布型 （高斯基函數(shù)（高斯基函數(shù) ）22)()(iiibaxAex其中，其中，ai i為函數(shù)的中心值，為函數(shù)的中心值，bi i為函數(shù)的寬度。為函數(shù)的寬度。假設(shè)與假設(shè)與PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB對應的對應的高斯基函數(shù)的中心值分別為高斯基函數(shù)的中心值分別為6，4，2，0，-2，-4，-6，寬度均為，寬度均為2。隸屬函數(shù)的形狀和分布如圖所示。隸屬函數(shù)的形狀和分布如圖所示。 -6 -4 -2 0

12、2 4 6 0 0.5 1 NB NM NS ZO PS PM PB x 14 三角型三角型 else 0 ),(1 ),(1)(cxbcucbbxaaxabxiA 梯型梯型 else , 0 dxc , , 1 ,)(cdxdcxbbxaabaxxiA15隸屬函數(shù)確定時需要考慮的幾個問題隸屬函數(shù)確定時需要考慮的幾個問題 隸屬函數(shù)曲線形狀對控制性能的影響。隸屬函數(shù)曲線形狀對控制性能的影響。 隸屬函數(shù)形狀較尖時，分辨率較高，輸入引起的輸出變隸屬函數(shù)形狀較尖時，分辨率較高，輸入引起的輸出變化比較劇烈，控制靈敏度較高；化比較劇烈，控制靈敏度較高； 曲線形狀較緩時、分辨率較低，輸入引起的輸出變化不曲線

13、形狀較緩時、分辨率較低，輸入引起的輸出變化不那么劇烈，控制特性也較平緩，具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。那么劇烈，控制特性也較平緩，具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。 因而，通常在輸入較大的區(qū)域內(nèi)采用低分辨率曲線（形因而，通常在輸入較大的區(qū)域內(nèi)采用低分辨率曲線（形狀較緩），在輸入較小的區(qū)域內(nèi)采用較高分辨率曲線（形狀狀較緩），在輸入較小的區(qū)域內(nèi)采用較高分辨率曲線（形狀較尖），當輸入接近零則選用高分辨率曲線（形狀尖）。較尖），當輸入接近零則選用高分辨率曲線（形狀尖）。16 隸屬函數(shù)曲線的分布對控制性能的影響隸屬函數(shù)曲線的分布對控制性能的影響兼顧控制靈敏度和魯棒性兼顧控制靈敏度和魯棒性相鄰兩曲線交點對應的隸屬度值較小時，

14、控制靈敏度相鄰兩曲線交點對應的隸屬度值較小時，控制靈敏度較高，但魯棒性不好；值較大時，控制系統(tǒng)的魯棒性較高，但魯棒性不好；值較大時，控制系統(tǒng)的魯棒性較好，但控制靈敏度將降低。較好，但控制靈敏度將降低。清晰性清晰性 相鄰隸屬函數(shù)之間的區(qū)別必須是明確的。相鄰隸屬函數(shù)之間的區(qū)別必須是明確的。 不清晰的隸屬函數(shù)分布不清晰的隸屬函數(shù)分布 清晰的隸屬函數(shù)分布清晰的隸屬函數(shù)分布 17完備性完備性 屬函數(shù)的分布必須覆蓋語言變量的整個論域，屬函數(shù)的分布必須覆蓋語言變量的整個論域，否則，將會出現(xiàn)否則，將會出現(xiàn)“空檔空檔”，從而導致失控。，從而導致失控。 不完備的隸屬函數(shù)分布不完備的隸屬函數(shù)分布 18模糊化過程小結(jié)

15、：模糊化過程小結(jié)：經(jīng)過經(jīng)過1 1）4 4）步的定義可以在輸入輸出空間定義語言）步的定義可以在輸入輸出空間定義語言變量，從而將輸入輸出的精確值轉(zhuǎn)換為相應的模糊值。變量，從而將輸入輸出的精確值轉(zhuǎn)換為相應的模糊值。具體的步驟如下：具體的步驟如下： 第一步：第一步： 將實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率量化將實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率量化為模糊控制器的輸入。為模糊控制器的輸入。 假設(shè)實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為假設(shè)實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為e*和和ec*，可以通過量化因子將其量化為模糊控制器的輸入可以通過量化因子將其量化為模糊控制器的輸入E*和和EC*。 )2(*LHeeeekE)2

16、(*LHececececkEC19第二步：第二步： 將模糊控制器的精確輸入將模糊控制器的精確輸入E*和和EC*通過模糊通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入A*和和B*。 將將E*和和EC*所對應的隸屬度最大的模糊值當作當前所對應的隸屬度最大的模糊值當作當前模糊控制器的模糊輸入量模糊控制器的模糊輸入量A*和和B*。 605040302010001020304055 . 061* NBA假設(shè)假設(shè)E*=6，系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差采用三角形隸屬函數(shù)來采用三角形隸屬函數(shù)來進行模糊化。進行模糊化。 E E* *屬于屬于NBNB的隸屬度最大（為的隸屬度最大（為1 1），），則此時，相對應的模糊則此時，

17、相對應的模糊控制器的模糊輸入量為：控制器的模糊輸入量為： 20 對于某些輸入精確量，有對于某些輸入精確量，有時無法判斷其屬于哪個模糊值時無法判斷其屬于哪個模糊值的隸屬度更大，例如當?shù)碾`屬度更大，例如當E*=-5時，時，其屬于其屬于NB和和NM的隸屬度一樣的隸屬度一樣大。此時有兩種方法進行處理：大。此時有兩種方法進行處理：1 1）在隸屬度最大的模糊值之間任取一個；）在隸屬度最大的模糊值之間任取一個；例如當例如當E E* *=-5=-5時，時，A A* *NBNB或或NMNM。2 2）重新定義一個模糊值，該）重新定義一個模糊值，該模糊值對于當前輸入精確量模糊值對于當前輸入精確量的隸屬度為的隸屬度為

18、1 1，對于其它精確，對于其它精確量的隸屬度為量的隸屬度為0 0。60504030201000102030405160*A214.2.2.2 規(guī)則庫規(guī)則庫規(guī)則庫的描述規(guī)則庫的描述 規(guī)則庫由若干條控制規(guī)則組成，這些控制規(guī)則根規(guī)則庫由若干條控制規(guī)則組成，這些控制規(guī)則根據(jù)人類控制專家的經(jīng)驗總結(jié)得出，按照據(jù)人類控制專家的經(jīng)驗總結(jié)得出，按照 IF is AND is THEN isIF is AND is THEN is的形式表達。的形式表達。 R1 : IF E is A1 1 AND EC is B1 1 THEN U is C1 1 R2 : IF E is A2 2 AND EC is B2 2

19、 THEN U is C2 2 Rn : IF E is An n AND EC is Bn n THEN U is Cn n 其中，其中，E、EC是輸入語言變量是輸入語言變量“誤差誤差”，“誤差誤差變化率變化率”；U是輸出語言變量是輸出語言變量“控制量控制量”。 Ai i 、 Bi i 、 Ci i是第是第i條規(guī)則中與條規(guī)則中與E、EC、U對應的語言值。對應的語言值。 22規(guī)則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。規(guī)則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。 例如在模糊控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，模糊控制例如在模糊控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，模糊控制器的輸入為器的輸入為E E（轉(zhuǎn)速誤差）、（轉(zhuǎn)速誤差）、ECEC（

20、轉(zhuǎn)速誤差變化率），（轉(zhuǎn)速誤差變化率），輸出為輸出為U U（電機的力矩電流值）。（電機的力矩電流值）。 在在E E、ECEC、U U的論域上各定義了的論域上各定義了7 7個語言子集：個語言子集：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NBPB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB 對于對于E E、ECEC可能的每種取值，進行專家分析和總結(jié)可能的每種取值，進行專家分析和總結(jié)后，則總結(jié)出的控制規(guī)則為：后，則總結(jié)出的控制規(guī)則為： 23規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系 規(guī)則庫中第規(guī)則庫中第i i條控制規(guī)則條控制規(guī)則: : Ri: IF E is Ai AND EC is Bi THEN U is Ci

21、蘊含的模糊關(guān)系為：蘊含的模糊關(guān)系為： )(iiiiCBAR 控制規(guī)則庫中的控制規(guī)則庫中的n條規(guī)則之間可以看作是條規(guī)則之間可以看作是“或或”，也就是也就是“求并求并”的關(guān)系，則整個規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)的關(guān)系，則整個規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系為：系為： iiRRU24規(guī)則庫的產(chǎn)生規(guī)則庫的產(chǎn)生 模糊控制規(guī)則的提取方法在模糊控制器的設(shè)計中起著舉模糊控制規(guī)則的提取方法在模糊控制器的設(shè)計中起著舉足輕重的作用，它的優(yōu)劣直接關(guān)系著模糊控制器性能的好壞，足輕重的作用，它的優(yōu)劣直接關(guān)系著模糊控制器性能的好壞，是模糊控制器設(shè)計中最重要的部分。是模糊控制器設(shè)計中最重要的部分。 模糊控制規(guī)則的生成方法歸納起來主要有以下幾種：模

22、糊控制規(guī)則的生成方法歸納起來主要有以下幾種：l 根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成控制規(guī)則。這種方根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成控制規(guī)則。這種方法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成特定領(lǐng)域的法通過對控制專家的經(jīng)驗進行總結(jié)描述來生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型，經(jīng)過反復的實驗和修正形成最終的規(guī)則庫。控制規(guī)則原型，經(jīng)過反復的實驗和修正形成最終的規(guī)則庫。l 根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則。這種方法通過用根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則。這種方法通過用模糊語言描述被控過程的輸入輸出關(guān)系來得到過程的模糊模糊語言描述被控過程的輸入輸出關(guān)系來得到過程的模糊模型，進而根據(jù)這種關(guān)系來得到控制器的控制規(guī)則。模型，進而根據(jù)

23、這種關(guān)系來得到控制器的控制規(guī)則。l 根據(jù)學習算法獲取控制規(guī)則。應用自適應學習算法根據(jù)學習算法獲取控制規(guī)則。應用自適應學習算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進行分（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進行分析和聚類，生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則。析和聚類，生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則。 25模糊控制規(guī)則的總結(jié)要注意以下幾個問題模糊控制規(guī)則的總結(jié)要注意以下幾個問題：l 規(guī)則數(shù)量合理規(guī)則數(shù)量合理控制規(guī)則的增加可以增加控制的精度，但是會影響系統(tǒng)控制規(guī)則的增加可以增加控制的精度，但是會影響系統(tǒng)的實時性；控制規(guī)則數(shù)量的減少會提高系統(tǒng)的運行速度，的實時性；控制規(guī)則數(shù)量的減少會提高系統(tǒng)

24、的運行速度，但是控制的精度又會下降。所以，需要在控制精度和實但是控制的精度又會下降。所以，需要在控制精度和實時性之間進行權(quán)衡。時性之間進行權(quán)衡。l 規(guī)則要具有一致性規(guī)則要具有一致性控制規(guī)則的目標準則要相同。不同的規(guī)則之間不能出現(xiàn)控制規(guī)則的目標準則要相同。不同的規(guī)則之間不能出現(xiàn)相矛盾的控制結(jié)果。如果各規(guī)則的控制目標不同，會引相矛盾的控制結(jié)果。如果各規(guī)則的控制目標不同，會引起系統(tǒng)的混亂。起系統(tǒng)的混亂。l完備性要好完備性要好控制規(guī)則應能對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的任何一種狀態(tài)進行控制?？刂埔?guī)則應能對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的任何一種狀態(tài)進行控制。否則，系統(tǒng)就會有失控的危險。否則，系統(tǒng)就會有失控的危險。 264.2.2.3

25、4.2.2.3 模糊推理模糊推理 推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考慮獲得模糊控制量的功能部分。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。最到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。最基本的有基本的有ZadehZadeh近似推理，它包含有正向推理和逆近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理兩類。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識工程學領(lǐng)域的專家系統(tǒng)

26、中。向推理一般用于知識工程學領(lǐng)域的專家系統(tǒng)中。 根據(jù)模糊輸入和規(guī)則庫中蘊涵的輸入輸出關(guān)系，根據(jù)模糊輸入和規(guī)則庫中蘊涵的輸入輸出關(guān)系，通過模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值。通過模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值。 *)(RBAC27 推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功推理結(jié)果的獲得，表示模糊控制的規(guī)則推理功能已經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個模能已經(jīng)完成。但是，至此所獲得的結(jié)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，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常把輸出端具有轉(zhuǎn)

27、換功能作用的部分稱為解模糊接口。把輸出端具有轉(zhuǎn)換功能作用的部分稱為解模糊接口。 綜上所述，模糊控制器實際上就是依靠微機綜上所述，模糊控制器實際上就是依靠微機（或單片機）來構(gòu)成的。它的絕大部分功能都是由（或單片機）來構(gòu)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計算機程序來完成的。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開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。能。284.2.2.4 4.2.2.4 清晰化接口清晰化接口 由模糊推理得到的模糊輸出值由模糊推理得到的模糊輸出值C C* *是輸出論域上是輸出論域上的模糊子集，只有其轉(zhuǎn)化為精

28、確控制量的模糊子集，只有其轉(zhuǎn)化為精確控制量u，才能施，才能施加于對象。這種轉(zhuǎn)化的方法叫做清晰化加于對象。這種轉(zhuǎn)化的方法叫做清晰化/去模糊化去模糊化/模糊判決。模糊判決。 29(1) (1) 最大隸屬度方法最大隸屬度方法 把把C*中隸屬度最大的元素中隸屬度最大的元素U*作為精確輸出控制量。作為精確輸出控制量。 60504030201000102035 . 04155 . 060*C上式中，元素上式中，元素4 4對應的隸屬度最大，則根據(jù)最大隸對應的隸屬度最大，則根據(jù)最大隸屬度法得到的精確輸出控制量為屬度法得到的精確輸出控制量為4 4。 4*U30(1) (1) 最大隸屬度方法最大隸屬度方法 若模糊

29、輸出量的元素隸屬度有幾個相同的最大值，若模糊輸出量的元素隸屬度有幾個相同的最大值，則取相應諸元素的平均值，并進行四舍五入取整，作則取相應諸元素的平均值，并進行四舍五入取整，作為控制量。上式中，元素為控制量。上式中，元素4 4、3 3、2 2對應的隸屬對應的隸屬度均為度均為1 1，則精確輸出控制量為，則精確輸出控制量為33)2() 3()4(*U6050403020100015 . 021314155 . 060*C31（2 2）加權(quán)平均法（重心法）加權(quán)平均法（重心法） 該方法對模糊輸出量中各元素及其對應的隸屬度該方法對模糊輸出量中各元素及其對應的隸屬度求加權(quán)平均值，并進行四舍五入取整，來得到精

30、確輸求加權(quán)平均值，并進行四舍五入取整，來得到精確輸出控制量。出控制量。iiCiiiCUUUU)()(*式中，式中，代表四舍五入取整操作。代表四舍五入取整操作。6050403020100015 . 021314155 . 060*C25 . 01115 . 0) 1(5 . 0)2(1) 3(1)4(1)5(5 . 0*U32 清晰化處理后得到的模糊控制器的精確輸出量清晰化處理后得到的模糊控制器的精確輸出量U*，經(jīng)過比例因子可以轉(zhuǎn)化為實際作用于控制對象的控制經(jīng)過比例因子可以轉(zhuǎn)化為實際作用于控制對象的控制量。量。2*LHuuuUku334.2.2.5 4.2.2.5 模糊查詢表模糊查詢表模糊控制器

31、的工作過程模糊控制器的工作過程: : 模糊控制器實時檢測系統(tǒng)的誤差和誤差變模糊控制器實時檢測系統(tǒng)的誤差和誤差變化率化率e*和和ec*； 通過量化因子通過量化因子ke e和和kecec將將e*和和ec*量化為控制量化為控制器的精確輸入器的精確輸入E*和和EC*； E*和和EC*通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入A*和和B*； 將將A A* *和和B B* *根據(jù)規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系進行根據(jù)規(guī)則庫蘊涵的模糊關(guān)系進行模糊推理，得到模糊控制輸出量模糊推理，得到模糊控制輸出量C C* *； 對對C*進行清晰化處理，得到控制器的精確進行清晰化處理，得到控制器的精確輸出量輸出量U*；通

32、過比例因子通過比例因子ku u將將U*轉(zhuǎn)化為實際作用于控轉(zhuǎn)化為實際作用于控制對象的控制量制對象的控制量u*。 將（將（3 3）（）（5 5）步離線進行運算，步離線進行運算，對于每一種可能對于每一種可能出現(xiàn)的出現(xiàn)的E E和和ECEC取取值，計算出相應值，計算出相應的輸出量的輸出量U U，并，并以表格的形式儲以表格的形式儲存在計算機內(nèi)存存在計算機內(nèi)存中，這樣的表格中，這樣的表格稱為模糊查詢表。稱為模糊查詢表。 如果如果E E、ECEC和和U U的論域均為的論域均為-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6，則生成的模

33、糊查詢表具有如下形式則生成的模糊查詢表具有如下形式 UEC-6-5-4-3-2-10123456E-6-6-6-6-6-6-5-5-4-3-2000-5-6-6-6-6-5-5-5-4-3-2000-4-6-6-6-5-5-5-5-3-3-2000-3-5-5-5-5-4-4-4-3-2-1111-2-4-4-4-4-4-4-4-2-10222-1-4-4-4-3-3-3-3-1223330-4-4-4-3-3-101334441-3-3-3-2-2133334442-2-2001244444443-1-101234445555400123455556665001234555666660012

34、345566666354.2.2.6 4.2.2.6 模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容模糊控制器的設(shè)計內(nèi)容（1 1）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；（2 2）確定輸入，輸出的論域和）確定輸入，輸出的論域和KeKe、KecKec、KuKu的值；的值；（3 3）確定各變量的語言取值及其隸屬函數(shù)；）確定各變量的語言取值及其隸屬函數(shù)；（4 4）總結(jié)專家控制規(guī)則及其蘊涵的模糊關(guān)系；）總結(jié)專家控制規(guī)則及其蘊涵的模糊關(guān)系；（5 5）選擇推理算法；）選擇推理算法； （6 6）確定清晰化的方法；）確定清晰化的方法；（7 7）總結(jié)模糊查詢表。）總結(jié)模糊查詢表。364.2.2.7 4.

35、2.2.7 模糊控制的優(yōu)缺點模糊控制的優(yōu)缺點 設(shè)計時不需要建立被控制對象的數(shù)學模型，只設(shè)計時不需要建立被控制對象的數(shù)學模型，只要求掌握人類的控制經(jīng)驗。要求掌握人類的控制經(jīng)驗。 系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯后系統(tǒng)的控制后系統(tǒng)的控制模糊控制的優(yōu)點模糊控制的優(yōu)點：374.2.2.7 4.2.2.7 模糊控制的優(yōu)缺點模糊控制的優(yōu)缺點 確立模糊化和逆模糊化的方法時，缺乏系統(tǒng)的方確立模糊化和逆模糊化的方法時，缺乏系統(tǒng)的方法，主要靠經(jīng)驗和試湊。法，主要靠經(jīng)驗和試湊。 總結(jié)模糊控制規(guī)則有時比較困難?？偨Y(jié)模糊控制規(guī)則有時比較困難。 控制規(guī)則一旦確定，不能在線調(diào)

36、整，不能很好地控制規(guī)則一旦確定，不能在線調(diào)整，不能很好地適應情況的變化。適應情況的變化。 模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，因而穩(wěn)態(tài)精度模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié)，因而穩(wěn)態(tài)精度不高。不高。 模糊控制的缺點：模糊控制的缺點：384.2.3.1 4.2.3.1 模糊比例控制器模糊比例控制器 為了解決模糊控制的離散性對控制質(zhì)量的影響，為了解決模糊控制的離散性對控制質(zhì)量的影響，在模糊控制查詢表的兩個離散級之間，插入按偏差在模糊控制查詢表的兩個離散級之間，插入按偏差量化余數(shù)的比例調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，使模糊控制量連續(xù)化。量化余數(shù)的比例調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，使模糊控制量連續(xù)化。 )()2(*的小數(shù)部分ekkuuUkuepLHu4.

37、2.3 模糊控制的改進方法模糊控制的改進方法394.2.3.2 4.2.3.2 模糊控制與模糊控制與PIDPID控制的結(jié)合控制的結(jié)合 雙?？刂齐p?？刂?雙?？刂破饔赡：刂破骱碗p模控制器由模糊控制器和PIPI控制器并聯(lián)組成。控控制器并聯(lián)組成。控制開關(guān)在系統(tǒng)誤差較大時接通模糊控制器，來克服制開關(guān)在系統(tǒng)誤差較大時接通模糊控制器，來克服不確定性因素的影響；在系統(tǒng)誤差較小時接通不確定性因素的影響；在系統(tǒng)誤差較小時接通PIPI控控制器來消除穩(wěn)態(tài)誤差。制器來消除穩(wěn)態(tài)誤差?？刂崎_關(guān)的控制規(guī)則可以描述為：控制開關(guān)的控制規(guī)則可以描述為： AePIAeFCu| ,| ,40串聯(lián)控制串聯(lián)控制 當當|E|1|E|1時

38、時, , 系統(tǒng)的誤差系統(tǒng)的誤差e e和模糊控制器的輸出和模糊控制器的輸出u u的的和作為和作為PIPI控制器的輸入控制器的輸入, , 克服不確定性因素的影響克服不確定性因素的影響, ,且有較強的控制作用且有較強的控制作用; ; 當當|E|=0|E|=0時時, , 模糊控制器輸出斷開模糊控制器輸出斷開, ,僅有僅有e e加到加到PIPI控制控制器的輸入器的輸入, , 消除穩(wěn)態(tài)誤差。消除穩(wěn)態(tài)誤差。 41并聯(lián)控制并聯(lián)控制 當當|E|1|E|1時，模糊控制器開關(guān)閉合，時，模糊控制器開關(guān)閉合，PIPI控制器的輸出控制器的輸出和模糊控制器的輸出的和作為被控對象的輸入和模糊控制器的輸出的和作為被控對象的輸入

39、, , 克服克服不確定性因素的影響不確定性因素的影響, ,且有較強的控制作用；且有較強的控制作用；當當|E|=0|E|=0時時, , 模糊控制器輸出斷開，僅有模糊控制器輸出斷開，僅有PIPI控制器控控制器控制對象制對象, , 消除穩(wěn)態(tài)誤差。消除穩(wěn)態(tài)誤差。 424.2.3.3 4.2.3.3 自校正模糊控制自校正模糊控制 針對普通模糊控制器的參數(shù)和控制規(guī)則在系統(tǒng)運針對普通模糊控制器的參數(shù)和控制規(guī)則在系統(tǒng)運行時無法在線調(diào)整，自適應能力差的缺陷，自校正模行時無法在線調(diào)整，自適應能力差的缺陷，自校正模糊控制器可以在線修正模糊控制器的參數(shù)或控制規(guī)則，糊控制器可以在線修正模糊控制器的參數(shù)或控制規(guī)則，從而增

40、強了模糊控制器的自適應能力，提高了控制系從而增強了模糊控制器的自適應能力，提高了控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性。統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性。 自校正模糊控制器通常分為兩種：自校正模糊控制器通常分為兩種： 參數(shù)自校正模糊控制器參數(shù)自校正模糊控制器 規(guī)則自校正模糊控制器規(guī)則自校正模糊控制器 43 參數(shù)自校正模糊控制器參數(shù)自校正模糊控制器 1 1）量化因子量化因子e、ec和比例因子和比例因子u對控制性能的影響對控制性能的影響 如果如果E E、ECEC、U U的論域和控制規(guī)則是確定的，那么的論域和控制規(guī)則是確定的，那么模糊查詢表是確定的，也就是說，模糊查詢表是確定的，也就是說，E E、ECEC和和U U的關(guān)

41、的關(guān)系是確定的，將這種關(guān)系可以用函數(shù)描述為：系是確定的，將這種關(guān)系可以用函數(shù)描述為： U(k)=f E(k),EC(k) )()(keKkEe)()(kecKkECec)()(kUKkuu)(),()(kecKkeKfKkueceu44在常規(guī)模糊控制器中在常規(guī)模糊控制器中, Ke、Kec、Ku固定，會給系統(tǒng)固定，會給系統(tǒng)的控制性能帶來一些不利的影響的控制性能帶來一些不利的影響:在大誤差范圍時在大誤差范圍時, ,不能快速地消除誤差不能快速地消除誤差, ,動態(tài)響應速度動態(tài)響應速度受到限制；受到限制；在小偏差范圍時存在一個調(diào)節(jié)死區(qū)在小偏差范圍時存在一個調(diào)節(jié)死區(qū), ,此時的控制輸出此時的控制輸出為為0

42、,0,但但e e的實際值可能并非為的實際值可能并非為0, 0, 導致系統(tǒng)軌跡在導致系統(tǒng)軌跡在0 0區(qū)區(qū)附近的振蕩；附近的振蕩；當被控對象參數(shù)發(fā)生變化當被控對象參數(shù)發(fā)生變化, ,或受到隨機干擾影響時或受到隨機干擾影響時, , 控制器不能很好地適應，會影響模糊控制的效果。控制器不能很好地適應，會影響模糊控制的效果。為使系統(tǒng)性能不斷改善為使系統(tǒng)性能不斷改善, ,并適應不斷變化的情況并適應不斷變化的情況, ,保證保證控制達到預期要求控制達到預期要求, ,需要對需要對KeKe、KecKec、KuKu進行在線實時進行在線實時修改。修改。系統(tǒng)狀態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)性能要求性能要求參數(shù)調(diào)整要求參數(shù)調(diào)整要求原因原因e e

43、和和ecec較大較大盡快消除誤盡快消除誤差，差，加快響應速加快響應速度度降低降低KeKe和和KecKec；加大加大KuKu降低降低KeKe和和KecKec可以降低對可以降低對e e和和ecec輸入量的分辨率輸入量的分辨率, ,使使得得e e、ecec的減少不致于使的減少不致于使控制器的減少太多?？刂破鞯臏p少太多。加大比例因子加大比例因子Ku,Ku,可以獲可以獲得較大的控制量得較大的控制量, ,使響應使響應加快。加快。e e和和ecec較小較小系統(tǒng)已經(jīng)接系統(tǒng)已經(jīng)接近穩(wěn)態(tài)近穩(wěn)態(tài), ,此此時要求提高時要求提高系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度, ,減少超調(diào)量減少超調(diào)量加大加大KeKe和和KecKec；降低降低KuKu

44、增大增大KeKe和和KecKec可以提高對輸可以提高對輸入變化的分辨率，使得控入變化的分辨率，使得控制器可以對微小的誤差做制器可以對微小的誤差做出反應，提高穩(wěn)態(tài)的精度出反應，提高穩(wěn)態(tài)的精度減少減少KuKu，以減小超調(diào)量，以減小超調(diào)量2 2）KeKe、KecKec、KuKu的調(diào)整方法的調(diào)整方法 調(diào)整的原則：調(diào)整的原則：46 根據(jù)上述參數(shù)自調(diào)整的原則和思想，可以設(shè)計根據(jù)上述參數(shù)自調(diào)整的原則和思想，可以設(shè)計一個模糊參數(shù)調(diào)整器，在線地根據(jù)偏差一個模糊參數(shù)調(diào)整器，在線地根據(jù)偏差e和偏差變化和偏差變化ec來調(diào)整來調(diào)整Ke、Kec、Ku的取值。的取值。 在不影響控制效果的前提下，可以取在不影響控制效果的前提

45、下，可以取Ke、Kec增加的倍數(shù)與輸出的比例因子增加的倍數(shù)與輸出的比例因子Ku減小的倍數(shù)相同。減小的倍數(shù)相同。 47 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量； 該模糊參數(shù)調(diào)整器的輸入與模糊控制器的輸入相該模糊參數(shù)調(diào)整器的輸入與模糊控制器的輸入相同，為偏差同，為偏差E和偏差變化和偏差變化EC；輸出為；輸出為Ke、Kec的的增加倍數(shù)增加倍數(shù)N（即（即Ku的減小倍數(shù)）。的減小倍數(shù)）。 模糊參數(shù)調(diào)整器的設(shè)計模糊參數(shù)調(diào)整器的設(shè)計48E E、ECEC的隸屬函數(shù)分布的隸屬函數(shù)分布 確定輸入，輸出的論域、語言取值及其隸屬函數(shù)；確定輸入，輸出的論域、語言取值及其隸屬函數(shù)；輸入輸入

46、E E、ECEC的論域都定義為的論域都定義為: : E E、EC-6, -5, , -1, 0, 1, , 5, 6EC-6, -5, , -1, 0, 1, , 5, 6語言值定義為：語言值定義為：PBPB，PMPM，PSPS，ZOZO，NSNS，NMNM，NBNB49l N N的論域定義為：的論域定義為：1/8,1/4,1/2,1,2,4,81/8,1/4,1/2,1,2,4,8；l 語言值定義為：語言值定義為： ( (高縮高縮) )、( (中縮中縮) )、( (低縮低縮) )、( (不變不變) )、( (低放低放) )、( (中放中放) )、( (高放高放) ) ； N N的隸屬函數(shù)分布

47、的隸屬函數(shù)分布 50 總結(jié)專家控制規(guī)則及其蘊涵的模糊關(guān)系總結(jié)專家控制規(guī)則及其蘊涵的模糊關(guān)系 N N的調(diào)整規(guī)則表的調(diào)整規(guī)則表 根據(jù)規(guī)則表蘊涵的模糊關(guān)系，經(jīng)過模糊推理和清晰根據(jù)規(guī)則表蘊涵的模糊關(guān)系，經(jīng)過模糊推理和清晰化操作，可以總結(jié)出相應的模糊參數(shù)調(diào)整查詢表?；僮?，可以總結(jié)出相應的模糊參數(shù)調(diào)整查詢表。 51參數(shù)自校正模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整算法參數(shù)自校正模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整算法 參數(shù)自校正模糊控制系統(tǒng)原理圖參數(shù)自校正模糊控制系統(tǒng)原理圖 52參數(shù)自調(diào)整步驟可描述為參數(shù)自調(diào)整步驟可描述為: : （1 1）以原始的以原始的Ke和和Kec對對e和和ec進行量化得到進行量化得到E、EC；（2）由）

48、由E、EC查模糊參數(shù)調(diào)整查詢表得出調(diào)整倍數(shù)查模糊參數(shù)調(diào)整查詢表得出調(diào)整倍數(shù)N;（3）令）令Ke =KeN， Kec =KecN ， Ku =Ku/N ；（4）用調(diào)整后的）用調(diào)整后的Ke 、 Kec 對對e和和ec重新量化；重新量化；（5）用重新量化的）用重新量化的E、EC查模糊控制表查模糊控制表,得出控制量得出控制量U。（6）用比例因子）用比例因子Ku 乘以乘以U獲得控制量獲得控制量u。 53規(guī)則自校正模糊控制器規(guī)則自校正模糊控制器 模糊控制要有更好的效果，其前提必須具有較完模糊控制要有更好的效果，其前提必須具有較完善與合理的控制規(guī)則，但控制規(guī)則和查詢表都是在人善與合理的控制規(guī)則，但控制規(guī)則和查詢表都是在人工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的，因而難免帶有主觀因素，工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的，因而難免帶有主觀因素，使控制規(guī)則往往在某種程度上顯得精度不高或不完善，使控制規(guī)則往往在某種程度上顯得精度不高或不完善，并且當對象的動態(tài)特性發(fā)生變化，或受到隨機干擾的并且當對象的動態(tài)特性發(fā)生變化，或受到隨機干擾的影響時，都會影響到模糊控制的效果。因此需要對控影響時，都會影響到模糊控制的效果。因此需要對控制規(guī)則和查詢表不斷及時地進行修正。制規(guī)則和查詢表不斷及時地進行修正。1 1）為什么進行規(guī)則