1、模糊數(shù)學(xué),谷云東 華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院 信息與計(jì)算科學(xué)教研室,第15講 模糊控制,7.4 自組織模糊控制 7.4.1參數(shù)自適應(yīng)模糊控制 7.4.2規(guī)則自調(diào)整模糊控制器 2 自組織模糊控制,7.4 自組織模糊控制7.4.1參數(shù)自適應(yīng)模糊控制,模糊控制器的設(shè)計(jì)依賴于人的經(jīng)驗(yàn)。由于人們對(duì)控制過(guò)成認(rèn)識(shí)的局限，很難總結(jié)、表述出完整、準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)，以致影響控制效果。因此，研究在運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)修改、調(diào)整控制策略，使控制系統(tǒng)性能不斷改善，直到達(dá)到預(yù)期的效果。這樣的控制器就是自組織(自適應(yīng))模糊控制器。,在自調(diào)整模糊控制器中，可以調(diào)整規(guī)則，調(diào)整參數(shù)。如調(diào)整語(yǔ)言變量數(shù)量，隸屬函數(shù)賦值等等。 前面已經(jīng)講到，為了提高響

2、應(yīng)速度，基本推理規(guī)則，也即輸入論域到輸出論域的模糊關(guān)系可以提前計(jì)算，所得結(jié)果稱為響應(yīng)表。,輸入輸出響應(yīng)關(guān)系可以表述為一類函數(shù),表7-6 初始控制規(guī)則表,7.4.2規(guī)則自調(diào)整模糊控制器,改變模糊控制性能的方法有多種。例如，改變語(yǔ)言變量賦值、改變量化因子、比例因子等。本段介紹通過(guò)修改規(guī)則改善系統(tǒng)性能的自調(diào)整、自修正模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。,由于增設(shè)性能測(cè)量、控制量校正和控制規(guī)則修正這三部分同時(shí)具有系統(tǒng)辨識(shí)和修正控制策略的功能，因此即使初始控制器模型（規(guī)則）不太精確，之后也可以借助控制器的自組織功能，不斷修改模糊控制規(guī)則，使模型逐步趨于完善，最終使控制系統(tǒng)滿足預(yù)期的要求。,7.4.2.1性能測(cè)量,7.

3、4.2.2控制量校正,7.4.2.3規(guī)則修正,自修正模糊控制器的其它部分與基本模糊控制器一樣，這里就不再贅述了。 目前已有各種各樣的模糊控制器，讀者可以參閱有關(guān)專著和文獻(xiàn)。,7.5 模糊控制實(shí)例,下面例子是模糊控制在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，資料來(lái)源見文獻(xiàn)7 。 （1）變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng) 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（Variable Air Volume Air Condition System, VAV），是一種通過(guò)改變送風(fēng)量而不是送風(fēng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)和控制某一空調(diào)區(qū)域溫度的空調(diào)系統(tǒng)。,某建筑工程總建筑面積約為5萬(wàn)平方米，建筑物高度為98米，為一類高層建筑。在前期的需求分析過(guò)程中，業(yè)主基于該建筑物在用途上的特殊要求

4、，對(duì)室內(nèi)溫度的控制提出了較高的要求。分析發(fā)現(xiàn)目前樓宇自控產(chǎn)品均采用傳統(tǒng)的PID控制，它們均不能取得符合項(xiàng)目和業(yè)主要求的效果，因此利用模糊控制理論設(shè)計(jì)了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。它是一種送風(fēng)量隨負(fù)荷變化的系統(tǒng)。,根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的不同，有多種設(shè)計(jì)方案可供選擇，典型的單風(fēng)道VAV系統(tǒng)如圖7-6所示。 系統(tǒng)管路由VAV空調(diào)箱，新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)閥門，VAV末端裝置及管網(wǎng)組成，控制回路由室溫控制，送風(fēng)量控制，送風(fēng)溫度控制及新風(fēng)、回風(fēng)和排風(fēng)閥門聯(lián)動(dòng)控制等部分組成。,（2）變風(fēng)量模糊控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),第一步：模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模糊控制系統(tǒng)如圖7-7所示。控制器設(shè)為二維模糊控制器，其中輸入變量為溫度誤差和誤差變

5、化率，輸出變量為控制風(fēng)量的變量，即送風(fēng)風(fēng)閥開啟程度的變化。,第二步：輸入輸出量得確定,2 輸出量的選取及量化,3 輸入、輸出量的模糊化（語(yǔ)言變量賦值）,輸入/輸出變量的模糊集（確定語(yǔ)言值變量），其次對(duì)輸入/輸出變量選定隸屬函數(shù)(對(duì)語(yǔ)言變量賦值) 按照人們的思維習(xí)慣，對(duì)事物大小的描述，通常分為大中小三個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)又可以用正負(fù)兩個(gè)方向表示，再加上取為零狀態(tài)的中間狀態(tài)，即可以定義7個(gè)模糊子集，即負(fù)大（NL）、負(fù)中（NM）、?。∟S）、零（ZE）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PL）。,對(duì)于 、 和 而言,NL表示負(fù)偏差(變化率)很大，NM表示負(fù)偏差(變化率、中大，NS表示負(fù)偏差(變化率、偏很

6、小，ZE表示偏差(變化率)接近于零，PS表示正偏差(變化率)很小，PM表示正偏差(變化率)中大，PL表正偏差(變化率)很大。 NL表示風(fēng)閥閥開負(fù)向大開，NM表示風(fēng)閥閥門負(fù)向中開，NS表示風(fēng)閥閥門負(fù)向小開，ZE表示風(fēng)閥閥門穩(wěn)定狀態(tài)，PS表示風(fēng)閥閥門正表示風(fēng)閥閥門正向中開，PL表示風(fēng)閥正向大開。,第三步：模糊控制規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì),第四步：模糊推理,模糊規(guī)則確定后，接著進(jìn)行模糊推理。模糊推理是根據(jù)已知條件，推出結(jié)論的過(guò)程，因此要進(jìn)行模糊推理，首先要確定條件和結(jié)論之間的模糊關(guān)系。模糊關(guān)系是根據(jù)由專家知識(shí)總結(jié)出的控制規(guī)則確定的。 這是多重復(fù)合蘊(yùn)含模糊推理，推理句的真域可按式（7-30）確定。,第五步：控制輸

7、出的確定,第六步：模糊控制輸出量的模糊判決,按上面的合成推理規(guī)則得出的結(jié)果都是模糊值，不能直接用于控制被控對(duì)象，需要先轉(zhuǎn)化為一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以執(zhí)行的精確量。 這一轉(zhuǎn)化過(guò)程一般稱為模糊判決(解模糊過(guò)程)，可以看作是模糊空間到清晰空間的一種映射。 模糊判決的目的是根據(jù)模糊推理的結(jié)果，求得最能反映控制量的真實(shí)分布。 在變風(fēng)量控制系統(tǒng)中，由于隸屬函數(shù)形式簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)過(guò)程中宜選擇最大隸屬度函數(shù)法。,第七步：模糊控制表,從模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程可以看出，對(duì)于模糊控制器來(lái)說(shuō)，要完成一次控制動(dòng)作，只要將觀測(cè)值輸入模糊控制器，經(jīng)模糊化、模糊推理和模糊判決，得到一個(gè)確切控制量并作用在被控對(duì)象上。 然而采用在線實(shí)時(shí)計(jì)算

8、會(huì)增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且計(jì)算速度會(huì)影響控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所以，往往通過(guò)離線計(jì)算，形成以觀測(cè)值和與之相對(duì)應(yīng)的控制值為內(nèi)容的模糊控制表。,這樣一來(lái)，,模糊控制表確定后，模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要部分就完成了。在都是離線計(jì)算出模糊控制表，將其存放到變風(fēng)量控制系統(tǒng)的微處理器中。在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)模糊控制的過(guò)程便轉(zhuǎn)化為計(jì)算量不大的查找模糊控制表的過(guò)程。這樣可以大大減少在線計(jì)算量，從而提高控制的實(shí)時(shí)性。這樣一來(lái)，模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也大大簡(jiǎn)化了，簡(jiǎn)化后的模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7-9所示。,結(jié)果分析,綜上所述，采用模糊PID復(fù)合控制，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、最大超調(diào)量等參數(shù)均優(yōu)越于傳統(tǒng)的PID控制算法。該復(fù)合控制既具有制靈活、響應(yīng)快和適應(yīng)性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID