第五模糊控制演示文稿第1頁(yè)，共22頁(yè)。（優(yōu)選）第五模糊控制第2頁(yè)，共22頁(yè)。二、模糊控制系統(tǒng)的工作過(guò)程給定值與被控制量之間的偏差為模糊控制器的輸入量。這是一個(gè)精確量，為了增強(qiáng)系統(tǒng)控制能力，方便調(diào)節(jié)控制性能，同時(shí)也為模糊化處理做準(zhǔn)備，對(duì)精確量進(jìn)行量化，然后經(jīng)過(guò)模糊化處理轉(zhuǎn)化為模糊量，用相應(yīng)的模糊子集表示。再由和模糊控制規(guī)則（即模糊關(guān)系），根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量，即。由于實(shí)際被控對(duì)象的控制量是精確量，因此需要將模糊控制量進(jìn)行反模糊化處理變成精確量，再經(jīng)過(guò)輸出量化處理得到實(shí)際輸出值，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。這樣周而復(fù)始的循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了被控過(guò)程的模糊控制。第3頁(yè)，共22頁(yè)。模糊控制器的控制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)的，具體步驟如下：（1）根據(jù)本次采樣值得到模糊控制器的輸入量，并進(jìn)行輸入量化處理；（2）量化后的變量進(jìn)行模糊化處理，得到模糊量；（3）根據(jù)輸入的模糊量及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量（輸出的模糊量）；（4）對(duì)得到的模糊輸出量進(jìn)行反模糊化處理，得到控制量的精確量，并進(jìn)行輸出量化處理，得到實(shí)際控制量。第4頁(yè)，共22頁(yè)。三、模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器的輸入變量一般選為偏差及其變化率，輸出變量通常為作用于被控對(duì)象的控制量。輸入變量的個(gè)數(shù)稱(chēng)為模糊控制器的維數(shù)，根據(jù)輸入變量的個(gè)數(shù)不同，模糊控制器一般有三種結(jié)構(gòu)，如圖5-2所示。（a）一維模糊控制器（b）二維模糊控制器（c）三維模糊控制器圖5-2基本模糊控制器的幾種結(jié)構(gòu)第5頁(yè)，共22頁(yè)。第二節(jié)模糊控制器的設(shè)計(jì)一、模糊控制的基礎(chǔ)知識(shí)1．模糊集合與隸屬函數(shù)模糊控制器是一種模擬人的思維推理過(guò)程的控制器，采用語(yǔ)言變量來(lái)描述輸入輸出數(shù)據(jù)。語(yǔ)言變量是自然語(yǔ)言中的詞或句，它的取值不是通常的數(shù)，而是用如長(zhǎng)、短、大、小、年輕、年老等模糊語(yǔ)言表示的模糊集合。例如，將“青年”看作是一個(gè)集合，則它就是一個(gè)模糊集合。若認(rèn)為小于40歲的人可稱(chēng)為“青年”，那么35歲的人應(yīng)毫無(wú)疑問(wèn)地屬于“青年”，如果對(duì)此加以量化，則可設(shè)其屬于“青年”的程度為1，39歲的人屬于“青年”的程度為0.7，40歲的人屬于的程度為0.5，41歲的人屬于的程度為0.3等等。這種屬于的程度值可在0～1之間連續(xù)變化，稱(chēng)為隸屬度函數(shù)（也叫隸屬函數(shù)）。第6頁(yè)，共22頁(yè)。用大寫(xiě)字母表示模糊集合，用表示隸屬函數(shù)，中的元素用表示，則表示元素屬于模糊集合的程度。定義：所謂給定論域上的一個(gè)模糊集合是指都存在一個(gè)數(shù)與對(duì)應(yīng)，這個(gè)數(shù)叫做對(duì)的隸屬度，即存在映射隸屬度表示了隸屬于模糊集合的程度，當(dāng)為有限集合時(shí)，可以采用下面的表達(dá)方法表示模糊集合。式中，并不表示分?jǐn)?shù)，而是表示論域中的元素與其隸屬度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；“＋”也不表示“求和”，而是表示模糊集合在論域上的整體。第7頁(yè)，共22頁(yè)。2．幾種典型的隸屬函數(shù)（1）高斯型隸屬函數(shù)圖5-3高斯型隸屬函數(shù)第8頁(yè)，共22頁(yè)。（2）S形隸屬函數(shù)圖5-4S形隸屬函數(shù)第9頁(yè)，共22頁(yè)。（3）梯形隸屬函數(shù)圖5-5梯形隸屬函數(shù)第10頁(yè)，共22頁(yè)。（4）三角形隸屬函數(shù)圖5-6三角形隸屬函數(shù)第11頁(yè)，共22頁(yè)。（5）Z形隸屬函數(shù)圖5-7Z形隸屬函數(shù)第12頁(yè)，共22頁(yè)。3．隸屬函數(shù)的確定方法（1）模糊統(tǒng)計(jì)法隸屬函數(shù)可以通過(guò)模糊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法來(lái)確定。即根據(jù)所提出的模糊概念進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，提出與之對(duì)應(yīng)的模糊集合，通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，確定不同元素屬于的程度，如式（5-7）所示。（2）例證法例證法的主要思想是從已知有限個(gè)的值來(lái)估計(jì)論域上的模糊集合的隸屬函數(shù)。（3）專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法就是根據(jù)專(zhuān)家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，再加上必要的數(shù)學(xué)處理而得到隸屬函數(shù)的方法。第13頁(yè)，共22頁(yè)。二、論域的確定及輸入輸出量化所謂論域就是被考慮客體所有元素的集合。在模糊控制系統(tǒng)中，把模糊控制器的輸入變量偏差及其變化率的實(shí)際范圍稱(chēng)為這些變量的基本論域。基本論域內(nèi)的量為精確量，需要對(duì)它們進(jìn)行量化處理。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，需要通過(guò)所謂量化因子進(jìn)行量化處理，實(shí)現(xiàn)論域變換。量化因子的定義為：對(duì)于系統(tǒng)輸出量，基于量化因子的概念，定義為其比例因子：第14頁(yè)，共22頁(yè)。模糊控制器的量化因子和比例因子對(duì)系統(tǒng)的控制品質(zhì)有很大的影響。從理論上講，增大，相當(dāng)于縮小了偏差的基本論域，增大了偏差變量的控制作用。因此，量化因子選得越大，系統(tǒng)超調(diào)越大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)，但穩(wěn)態(tài)控制精度高；變小，可減小超調(diào)，但會(huì)增大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。量化因子對(duì)系統(tǒng)超調(diào)的抑制作用十分明顯，選擇較大時(shí)，超調(diào)量減小，但會(huì)減慢系統(tǒng)響應(yīng)速度。輸出比例因子的大小也影響模糊控制的特性。選擇過(guò)小會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，而選擇過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。第15頁(yè)，共22頁(yè)。三、模糊化處理模糊控制器的輸入數(shù)據(jù)都是精確量，而模糊控制器是采用人的思維，也就是語(yǔ)言規(guī)則進(jìn)行推理，因此需要將輸入數(shù)據(jù)(如溫度910℃)變換成語(yǔ)言值(如溫度“低”、“中”、“高”)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為模糊化的過(guò)程。對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理是模糊控制器設(shè)計(jì)必不可少的一步。1．確定輸入輸出變量的模糊集合模糊控制器中常用正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大等模糊語(yǔ)言描述輸入的偏差。因此，若將“偏差”看成是一個(gè)模糊語(yǔ)言變量，則它的取值不是具體的偏差大小，而是諸如“正大”、“正小”、“負(fù)中”、“零”等用模糊語(yǔ)言表示的模糊集合。一個(gè)模糊集合通常有三種等級(jí)劃分方法：（1）{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}五個(gè)等級(jí)；（2）{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}七個(gè)等級(jí)；（3）{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零負(fù)，零正，正小，正中，正大}八個(gè)等級(jí)。第16頁(yè)，共22頁(yè)。2．確定隸屬函數(shù)輸入變量偏差、偏差變化率和輸出控制量的模糊集合以及論域確定后，需要確定模糊語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)。一般是根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行確定。3．模糊化處理所謂模糊化，就是根據(jù)模糊集合的隸屬函數(shù)，對(duì)輸入的數(shù)值找出相應(yīng)的隸屬度的過(guò)程。在確定模糊變量隸屬函數(shù)以后，就可以根據(jù)所選擇的隸屬函數(shù)確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度值，即所謂對(duì)模糊變量賦值。第17頁(yè)，共22頁(yè)。四、模糊控制規(guī)則的建立與模糊推理1．模糊控制規(guī)則的建立模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制規(guī)則是至關(guān)重要的問(wèn)題。模糊控制規(guī)則的生成大致有四種方法：（1）根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)或過(guò)程知識(shí)生成控制規(guī)則；（2）根據(jù)過(guò)程模糊模型生成控制規(guī)則；（3）根據(jù)對(duì)手工控制操作的系統(tǒng)觀察和測(cè)量生成控制規(guī)則；（4）根據(jù)學(xué)習(xí)算法生成控制規(guī)則。實(shí)際工程中，通常采用第一種方法來(lái)確定控制規(guī)則，并在試驗(yàn)過(guò)程中不斷進(jìn)行修改和完善。規(guī)則的形式常采用類(lèi)似于計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的條件語(yǔ)句：第18頁(yè)，共22頁(yè)。2．模糊蘊(yùn)含關(guān)系運(yùn)算在應(yīng)用模糊集合論進(jìn)行模糊推理時(shí)，用模糊蘊(yùn)含關(guān)系表示模糊規(guī)則或模糊條件句，這樣就將推理判斷過(guò)程轉(zhuǎn)化為模糊蘊(yùn)含關(guān)系的運(yùn)算，即對(duì)隸屬度的合成及運(yùn)算過(guò)程。模糊控制中的控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上就是模糊蘊(yùn)含關(guān)系。（1）模糊蘊(yùn)含最小運(yùn)算（2）模糊蘊(yùn)含積運(yùn)算利用MATLAB軟件中的模糊控制工具箱可以方便的完成上述運(yùn)算。第19頁(yè)，共22頁(yè)。3．模糊推理模糊推理就是利用某種模糊推理算法和模糊規(guī)則進(jìn)行推理，得出最終的控制量。模糊推理算法與模糊規(guī)則直接相關(guān)。它的復(fù)雜性依賴(lài)于模糊規(guī)則語(yǔ)句中模糊集合隸屬函數(shù)的確定。選擇一些簡(jiǎn)單的又能反映模糊推理結(jié)果的隸屬函數(shù)可以大大簡(jiǎn)化模糊推理的計(jì)算過(guò)程。（1）廣義前向推理（GMP）：對(duì)于GMP推理，（2）廣義反向推理（GMT）：對(duì)于GMT推理，第20頁(yè)，共22頁(yè)。五、反模糊化處理通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果仍然是一個(gè)模糊量，但實(shí)際應(yīng)用中，控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是精確量。因此要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，這一過(guò)程稱(chēng)為反模糊化。從工程應(yīng)用的角度看，需要使用代表性好、算法簡(jiǎn)單的反模糊化方法。1．最大隸屬度法