1、智能控制,4.5 專家控制與基于專家經(jīng)驗的模糊控制,-,4. 模糊數(shù)學與模糊控制,4.5 專家控制與基于專家經(jīng)驗的模糊控制,4.5.1 專家控制系統(tǒng),4.5.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,4.5.3 仿真算例,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,對象模型可以是未知的,模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu),對象模型可以是未知的,存在一定程度的關(guān)于被控對象的控制知識,如果溫度很高 & 濕度很大 則空調(diào)制冷量大,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu),如果溫度不高 & 濕度很大 則空調(diào)制冷量中,如果溫度很低 & 濕度很小 則空調(diào)制冷量小,模糊化方法的確定,清晰化方法的確定,控制規(guī)則的確定,推理方

2、法的選取,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制系統(tǒng)設計方案,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制系統(tǒng)設計方案,模糊化方法的確定,清晰化方法的確定,控制規(guī)則的確定,推理方法的選取,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制系統(tǒng)設計方案,模糊控制器對模糊變量(不同于一般變量)進行處理，因而必須將輸入精確量轉(zhuǎn)化為模糊矢量。,完成從輸入信號(如偏差e及偏差的變化率ec）的精確值到模糊量的模糊化過程。,溫度,模糊化,溫度,清晰量的模糊化方法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,精確 的 測量 輸出 信號,模糊 的 測量 輸出 信號,

3、隸屬度函數(shù),清晰量的模糊化方法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,清晰量的模糊化方法,測量輸出信號的語言變量分檔,正高,正中,正低,零,負低,負中,負高,較高,高,中,低,較低,高,中,低,三檔,五檔,七檔,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,清晰量的模糊化方法,測量輸出信號的語言變量分檔,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,分檔越多，對事物描述越細、越準確，制定控制規(guī)則更靈活，控制效果越好。但太多可能使控制變得復雜，編程困難，占用存儲量大；,分檔太少，規(guī)則變少，效果較差。,b. 隸屬函數(shù)的形狀,一般可選用三角形、梯形隸屬函數(shù)，優(yōu)點是數(shù)學表達和運算較簡單，所占內(nèi)存空間小，在輸入值變化時，比正

4、態(tài)分布或鐘形分布具有更大的靈敏性，當存在偏差時，能很快反應產(chǎn)生一個相應的調(diào)整量輸出。三角形隸屬函數(shù)的形狀與直線斜率有關(guān)，適合于隸屬函數(shù)在線調(diào)整的自適應模糊控制,清晰量的模糊化方法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,幅寬窄，模糊子集形狀較陡，稱為高分辨率，輸出變化劇烈，控制靈敏度高,幅寬寬，模糊子集形狀較平緩，稱為低分辨率，輸出變化緩慢，穩(wěn)定性好,在偏差較小或接近于0的區(qū)域，最好采用窄幅寬的隸屬函數(shù) ；而偏差較大時采用寬幅寬 的隸屬函數(shù),清晰量的模糊化方法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,隸屬度函數(shù)的選取,研究表明，隸屬函數(shù)的形狀在達到控制要求方面差別不大，幅寬大小對性能影響較大,清晰量的

5、模糊化方法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,正高,正中,正低,零,負低,負中,負高,溫度,模糊化,正高,正中,正低,零,負低,負中,負高,1.0,0.8,0.4,0.0,0.0,0.0,0.0,25攝氏度,清晰量的模糊化方法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,溫度,模糊化,正高,正中,正低,零,負低,負中,負高,0.2,0.6,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,5攝氏度,清晰量的模糊化方法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制系統(tǒng)設計方案,模糊化方法的確定,清晰化方法的確定,控制規(guī)則的確定,推理方法的選取,專家控制規(guī)則（

6、模糊條件語句） 采用語言描述的形式： IFTHEN,控制規(guī)則的確定,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，控制規(guī)則是人們對受控過程認識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗的總結(jié)，控制器的性能很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確定及其可調(diào)整性。選擇控制規(guī)則應注意的問題：規(guī)則的條數(shù)及質(zhì)量。,控制規(guī)則的獲取方法,經(jīng)驗歸納法,推理合成法,在通用控制規(guī)則的基礎上，進行適當修正，作為系統(tǒng)的控制規(guī)則。,模糊規(guī)則的形成依靠人的直覺和經(jīng)驗，一般沒有成熟而 固定的設計過程和方法,控制規(guī)則的確定,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制系統(tǒng)設

7、計方案,模糊化方法的確定,清晰化方法的確定,控制規(guī)則的確定,推理方法的選取,測量 輸出 信號 對應 的 模糊量,控制 信號 對應 的 模糊集,模糊推理,推理方法的確定,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,推理機是模糊控制器，根據(jù)輸入模糊量和知識庫（數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫）完成模糊推理并求解模糊關(guān)系方程，從而獲得模糊控制量的功能部分。,模糊推理有多種實現(xiàn)方法，如基于模糊關(guān)系矩陣的Mamdani推理合成法，Mamdani直接推理法，拉森推理法，Baldwin推理法，模糊推理直接法，精確值直接推理法，強度轉(zhuǎn)移法等。推理的結(jié)果是一個模糊向量(模糊集),推理方法的確定,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,Mam

8、dani推理合成法中控制規(guī)則所蘊含的關(guān)系,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,推理方法的確定,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制系統(tǒng)設計方案,模糊化方法的確定,清晰化方法的確定,控制規(guī)則的確定,推理方法的選取,精確 的 控制 信號,清晰化,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,清晰化方法的確定,控制 信號 對應 的 模糊集,經(jīng)過模糊推理得到的控制輸出，是一個模糊隸屬函數(shù)或模糊子集。必須將模糊輸出隸屬函數(shù)中求出最能代表這個模糊集合作用的精確控制量,常用的清晰化(模糊判決)方法有：,最大隸屬度法,加權(quán)平均法,重心法,中位數(shù)法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,清晰化方法

9、的確定,在推理結(jié)論的模糊集合中，取隸屬度最大的那個元素作為輸出量。如果所得到的隸屬函數(shù)曲線是平頂?shù)?，則其具有最大隸屬度的元素不止一個，需要對這些最大隸屬度的元素求平均值。這種方法具有簡單、方便、易實現(xiàn)以及實時性好等優(yōu)點，但丟掉了隸屬度較小的元素，忽略了模糊椎理結(jié)果的隸屬函數(shù)形狀寬窄和分布情況，所概括的信息量較少，所以這種方法應用于實時性要求高但控制精度要求低的控制系統(tǒng)中。,最大隸屬度法,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,清晰化方法的確定,控制作用按下式求得：,系數(shù)ki應根據(jù)實際情況加以選擇，不同取法將直接影響 系統(tǒng)性能，所以可通過選擇和調(diào)整該系數(shù)來改善系統(tǒng) 性能，具有較大的靈活性,加權(quán)平均法

10、,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,清晰化方法的確定,如何避免模糊控制中的大量在線計算？,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,當控制規(guī)則個數(shù)增多時，進行在線模糊推理的計算復雜度會快速升高，影響模糊控制器的在線實現(xiàn),對測量輸出信號進行量化(從無限轉(zhuǎn)為有限)，進而將所有可能的模糊輸入輸出關(guān)系進行離線計算，其結(jié)果作為模糊控制表供在線控制時查詢使用,問題及原因,解決方案,精確 的 測量 輸出 信號,模糊 的 測量 輸出 信號,隸屬度函數(shù)表,截取,量化,如何避免模糊控制中的大量在線計算？,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,關(guān)于溫度的隸屬度函數(shù)表,如何避免模糊控制中的大量在線計算？,4.2.2 基于專

11、家經(jīng)驗的模糊控制,關(guān)于濕度的隸屬度函數(shù)表,如何避免模糊控制中的大量在線計算？,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,模糊規(guī)則表,如何避免模糊控制中的大量在線計算？,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,溫度,濕度,控制量,如何避免模糊控制中的大量在線計算？,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,模糊控制表,如何避免模糊控制中的大量在線計算？,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,模糊控制表,基于現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。模糊控制對那些數(shù)學模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非

12、常適用。,模糊控制算法是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制方法-優(yōu)勢,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制方法-應用案例,1975 年, 英國工程師 Mamdani和和Assilian 創(chuàng)立了模糊控制器的的基本框架, 并將模糊控制器用于控制蒸汽機,1978年, 丹麥Holmblad和和Qstergaard 開發(fā)出了模糊水泥窯控制器,20世紀80年代初, 來自于日立公司的 Yasunobu和Miyamoto 開始給仙臺地鐵開發(fā)模糊系統(tǒng)。他們于1987年結(jié)束了該項目, 并創(chuàng)造了世界上最先進的地鐵系統(tǒng),20世紀90年代初, 帶“模糊控制器” 的空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、洗碗機等家用電器風靡日本,4.2.2 基于專家經(jīng)驗的模糊控制,(基于專家經(jīng)驗的)模糊控制方法-應用案例,（基于專家經(jīng)驗的）模糊控制具有先天的不嚴謹性，這是由于模糊是傳統(tǒng)邏輯的一種擴展，整個過程是“定義”出來的。當然每一種“定義”都有其優(yōu)勢或者特點，