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1、模糊控制系统课件本讲稿第一页，共二十二页模糊控制器的设计主要考虑以下几项主要内容：模糊控制器的设计主要考虑以下几项主要内容：模糊控制器的设计主要考虑以下几项主要内容：模糊控制器的设计主要考虑以下几项主要内容：确确定定模模糊糊控控制制器器的的输输入入变变量量和和输输出出变变量量(即即控控制制量量)；设计模糊控制器的控制规则；设计模糊控制器的控制规则；确立模糊化和解模糊的方法；确立模糊化和解模糊的方法；选选择择模模糊糊控控制制器器的的输输入入变变量量及及输输出出变变量量的的论论域域，并并确确定定模模糊糊控控制制器器的的参参数数(如如量量化化因因子子、比比例例因因子子等等)；编制模糊控制算法的应用程
2、序。编制模糊控制算法的应用程序。本讲稿第二页，共二十二页4.1 模糊控制器的基本结构及主要类型模糊控制器的基本结构及主要类型4.1.1 模糊控制器的基本结构模糊控制器的基本结构（1 1）模糊化接口（）模糊化接口（）模糊化接口（）模糊化接口（FuzzificationFuzzification）所谓所谓模糊化模糊化模糊化模糊化，就是通过传感器把被控对象的相关物理量，就是通过传感器把被控对象的相关物理量电量，电量，若传感器的输出量是连续的模拟量若传感器的输出量是连续的模拟量 数字量作为计算机的输入数字量作为计算机的输入测量值测量值标准化处理（即把其变化范围映射到相应内部论域中，然后标准化处理（即把
3、其变化范围映射到相应内部论域中，然后将内部论域中该输入数据转换成相应语言变量的概念，并构成模糊集将内部论域中该输入数据转换成相应语言变量的概念，并构成模糊集合）。合）。本讲稿第三页，共二十二页 这样就把输入的精确量变换成用模糊集合隶属函数表示的某一模糊这样就把输入的精确量变换成用模糊集合隶属函数表示的某一模糊变量的值。完成这部分功能的模块就称作变量的值。完成这部分功能的模块就称作模糊化接口模糊化接口模糊化接口模糊化接口。模糊化接口的主要功能：模糊化接口的主要功能：模糊化接口的主要功能：模糊化接口的主要功能：将输入变量的精确值将输入变量的精确值其对应论域上其对应论域上自然语言描述的模糊集合，以便
4、进行模糊推理和决策。自然语言描述的模糊集合，以便进行模糊推理和决策。具体包括：具体包括：测量输入变量。传感器的输出。测量输入变量。传感器的输出。论域变换，即实际论域论域变换，即实际论域内部论域。内部论域。实际论域也就是精确量的基本论域，它可以通过实验或理论指实际论域也就是精确量的基本论域，它可以通过实验或理论指导来确定，它在控制过程中往往是不变化的。导来确定，它在控制过程中往往是不变化的。本讲稿第四页，共二十二页例例例例：以两输入单输出模糊控制系统为例，设误差的基本论域为：以两输入单输出模糊控制系统为例，设误差的基本论域为 ，误，误差变化的基本论域为差变化的基本论域为 ，控制量的变化范围为，控
5、制量的变化范围为 。类似地，类似地，设误差的模糊论域为设误差的模糊论域为误差变化的论域为误差变化的论域为控制量的论域为控制量的论域为 一般来说，论域的量化等级越细，控制精度也越高。但过细一般来说，论域的量化等级越细，控制精度也越高。但过细的量化等级将使算法复杂化，而且也没有必要。确定了变量的的量化等级将使算法复杂化，而且也没有必要。确定了变量的基本论域和模糊集论域后，比例因子也就确定了。基本论域和模糊集论域后，比例因子也就确定了。本讲稿第五页，共二十二页量化因子：量化因子：，比例因子：比例因子：注：误差和误差变化这两个变量的连续值与其论域中的离散值并不是注：误差和误差变化这两个变量的连续值与其
6、论域中的离散值并不是一一对应的。一一对应的。本讲稿第六页，共二十二页本讲稿第七页，共二十二页（2 2）模糊推理机（）模糊推理机（）模糊推理机（）模糊推理机（Inference engineInference engine）模糊推理机由知识库（数据库和规则库）与模糊推理决模糊推理机由知识库（数据库和规则库）与模糊推理决策逻辑构成。这是基本部分。策逻辑构成。这是基本部分。知识库（知识库（Knowledge baseKnowledge base）=数据库（数据库（Date baseDate base）+语言控制规则库（语言控制规则库（Rule baseRule base）模糊控制器的核心。模糊控制器
7、的核心。模糊推理机模糊推理机 主要功能：模仿人的思维特征，根据模糊控制规则，主要功能：模仿人的思维特征，根据模糊控制规则，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理。运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理。本讲稿第八页，共二十二页（3 3）解模糊接口（）解模糊接口（）解模糊接口（）解模糊接口（DefuzzificationDefuzzification）原因：模糊推理得出的原因：模糊推理得出的模糊输出量模糊输出量不能直接去控制执行机不能直接去控制执行机构，必须确定一个最具有代表性的值作为构，必须确定一个最具有代表性的值作为真正的输出真正的输出控制量控制量，即解模糊判决。，即解模糊判决。主要
8、功能：主要功能：比例映射：内部论域比例映射：内部论域实际论域。实际论域。解模糊：模糊控制量解模糊：模糊控制量精确的控制作用，模糊化的反精确的控制作用，模糊化的反过程。过程。本讲稿第九页，共二十二页本讲稿第十页，共二十二页本讲稿第十一页，共二十二页4.1.2 4.1.2 常用的几种模糊控制器常用的几种模糊控制器常用的几种模糊控制器常用的几种模糊控制器简单模糊控制器及其特性（二维模糊控制器）简单模糊控制器及其特性（二维模糊控制器）简单模糊控制器及其特性（二维模糊控制器）简单模糊控制器及其特性（二维模糊控制器）方法：方法：根据被控对象，确定、根据被控对象，确定、e e、u u的隶属函数及模糊控制规则
9、表的隶属函数及模糊控制规则表查询表查询表（例：表（例：表3.5 P473.5 P47）实际应用时，输入变量实际应用时，输入变量内部论域，查表，得出内部论域，查表，得出uu执行机构执行机构优点：优点：二维模糊控制器，比一维模糊控制器控制效果好。二维模糊控制器，比一维模糊控制器控制效果好。设计简单，性能好，适应能力强。设计简单，性能好，适应能力强。缺点：不同被控对象，控制规则不变，控制效果不好。缺点：不同被控对象，控制规则不变，控制效果不好。图4.3 简单模糊控制器的结构本讲稿第十二页，共二十二页模糊自调整控制器模糊自调整控制器模糊自调整控制器模糊自调整控制器-二维模糊控制器中加入修正因子二维模糊
10、控制器中加入修正因子 （规（规则自调整模糊控制器）则自调整模糊控制器）低阶控制系统：低阶控制系统：0.5 0.5 高阶控制系统：高阶控制系统：0.5 0.5 当当误差较大误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，加快响应速度，时，控制系统的主要任务是消除误差，加快响应速度，这时对误差的加权应该大些；这时对误差的加权应该大些；当当误差较小误差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起系统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起的作用大些，即对误差变化率的加权大些。的作用大些，
11、即对误差变化率的加权大些。因此，在不同的误差范围时，可通过调整因此，在不同的误差范围时，可通过调整 来实现控制规来实现控制规则的自调整。则的自调整。本讲稿第十三页，共二十二页变结构模糊控制器变结构模糊控制器-多个模糊控制器的组合 不同状态，不同要求下，多个软件（具有不同参数、规则），根据情况选择不同的控制器。如：温度、压力、流量，同时控制。本讲稿第十四页，共二十二页本讲稿第十五页，共二十二页模糊自组织控制器模糊自组织控制器模糊自组织控制器模糊自组织控制器 经验不足者、没有完整的模糊规则、时变系统且规则需要变经验不足者、没有完整的模糊规则、时变系统且规则需要变化化实时自动修改、完善和调整规则实时
12、自动修改、完善和调整规则模糊自适应控制器模糊自适应控制器模糊自适应控制器模糊自适应控制器-在线辨识在线辨识模糊控制规则的自调整模糊控制规则的自调整模糊控制规则的自调整模糊控制规则的自调整 基本思想基本思想-系统的控制误差是评价控制器性能最为直接有效的系统的控制误差是评价控制器性能最为直接有效的指标。根据系统误差估计控制量的校正值，再由这个控制量的指标。根据系统误差估计控制量的校正值，再由这个控制量的校正值来修改模糊控制规则。校正值来修改模糊控制规则。规则自调整模糊控制器规则自调整模糊控制器规则自调整模糊控制器规则自调整模糊控制器=常规模糊控制器常规模糊控制器常规模糊控制器常规模糊控制器+规则自
13、调整功能规则自调整功能规则自调整功能规则自调整功能。模糊规则的修改过程可以看作是模糊控制器的学习过程，模糊规则的模糊规则的修改过程可以看作是模糊控制器的学习过程，模糊规则的自调整是以语义形式实现的，在一定程度上体现了人的认识过程。自调整是以语义形式实现的，在一定程度上体现了人的认识过程。本讲稿第十六页，共二十二页4.1.34.1.3模糊控制器的设计模糊控制器的设计模糊控制器的设计模糊控制器的设计模糊控制器的实现方法：模糊控制器的实现方法：由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器；由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器；用通用单片机组成硬件系统：用通用单片机组成硬件系统：PLCPLC、IPCIPC
14、、DSPDSP等等 在模糊控制中，模糊控制器是整个控制系统的核心，模糊在模糊控制中，模糊控制器是整个控制系统的核心，模糊控制器的设计实质上是设计模糊控制算法。根据模糊控制原理，控制器的设计实质上是设计模糊控制算法。根据模糊控制原理，按以下步骤来设计模糊控制器：按以下步骤来设计模糊控制器：1)1)确定模糊控制器的结构确定模糊控制器的结构 2)2)输入、输出变量的模糊化输入、输出变量的模糊化 3)3)模糊推理决策算法的设计模糊推理决策算法的设计 4)4)对输出模糊量进行解模糊判决对输出模糊量进行解模糊判决本讲稿第十七页，共二十二页思考题：思考题：思考题：思考题：1 1、模糊控制器的基本结构？各部分
15、的主要功能？、模糊控制器的基本结构？各部分的主要功能？2 2、实际论域（基本论域）、模糊论域（内部论域）的概念、实际论域（基本论域）、模糊论域（内部论域）的概念？3 3、常用的模糊控制器有哪些？、常用的模糊控制器有哪些？4 4、二维、二维FCFC的工作原理？优缺点？的工作原理？优缺点？5 5、FCFC设计的两种实现方式及其特点？设计的两种实现方式及其特点？6 6、设计模糊控制器的步骤？、设计模糊控制器的步骤？本讲稿第十八页，共二十二页4.24.2模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计 4.2.14.2.1模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计模糊控制
16、器的结构设计模糊控制器的结构设计实质：模糊控制器实质：模糊控制器输入语言变量输入语言变量及及输出语言变量输出语言变量的选取和模糊控制器的不同组合与扩的选取和模糊控制器的不同组合与扩展问题。展问题。模糊控制系统可分为单变量控制系统、多变量控制系统。本书讨论单变量模糊控模糊控制系统可分为单变量控制系统、多变量控制系统。本书讨论单变量模糊控制系统，输入就是系统的给定值，输出就是系统的输出值。制系统，输入就是系统的给定值，输出就是系统的输出值。模糊控制的维数：模糊控制器输入变量的个数。模糊控制的维数：模糊控制器输入变量的个数。一维模糊控制器一维模糊控制器 If e then u If e then u
17、 常用于一阶被控对象。系统的动态控制性能不佳。常用于一阶被控对象。系统的动态控制性能不佳。二维模糊控制器二维模糊控制器 If e and If e and e then ue then u 以误差以误差e e和误差变化和误差变化e e为输入变量，以控制量为输入变量，以控制量u u的变化为输出变量，这种结构反映的变化为输出变量，这种结构反映模糊控制器具有模糊控制器具有PDPD控制规律，有利于保证系统的稳定性，并可减少系统地超调量，削控制规律，有利于保证系统的稳定性，并可减少系统地超调量，削弱系统的振荡现象。这种模糊控制器较常用，另外，也可取系统地误差弱系统的振荡现象。这种模糊控制器较常用，另外，
18、也可取系统地误差e e和误差的和和误差的和 作为输入变量，这种结构反映的是作为输入变量，这种结构反映的是PIPI控制规律。这样就确定了模糊控制器的结构。控制规律。这样就确定了模糊控制器的结构。本讲稿第十九页，共二十二页多维模糊控制器多维模糊控制器多维模糊控制器多维模糊控制器 If e and If e and e and e and 2e then u2e then u 三维模糊控制器，由于模糊控制器输入的维数增多，控制规则的三维模糊控制器，由于模糊控制器输入的维数增多，控制规则的选取也越来越困难，相应的控制算法越来越复杂。处理速度下降，造选取也越来越困难，相应的控制算法越来越复杂。处理速度下
19、降，造成滞后，大滞后环节，这也是三维或多维模糊控制器的应用成滞后，大滞后环节，这也是三维或多维模糊控制器的应用“瓶颈瓶颈”。小结：小结：考虑系统的精度、速度，二维考虑系统的精度、速度，二维FCFC用的比较多。用的比较多。本讲稿第二十页，共二十二页图 4.5 常见模糊控制器的结构类型(a)一维模糊控制器；(b)二维模糊控制器；(c)三维模糊控制器本讲稿第二十一页，共二十二页4.2.2 4.2.2 一般设计方法一般设计方法一般设计方法一般设计方法（1 1）模糊控制器的设计原则）模糊控制器的设计原则）模糊控制器的设计原则）模糊控制器的设计原则 1 1）模糊语言变量的语言值分档和模糊论域分级的选取）模
20、糊语言变量的语言值分档和模糊论域分级的选取 2 2）量化因子和模糊语言变量值分档范围的确定）量化因子和模糊语言变量值分档范围的确定 3 3）模糊论域上模糊集合隶属函数的确定及其表示方法）模糊论域上模糊集合隶属函数的确定及其表示方法 4 4）模糊控制规则及算法结构的确定）模糊控制规则及算法结构的确定 5 5）实时精确量的量化及模糊化）实时精确量的量化及模糊化（2 2）模糊控制器的设计途径）模糊控制器的设计途径）模糊控制器的设计途径）模糊控制器的设计途径 1 1）以专家的知识和经验作为依据的设计方法）以专家的知识和经验作为依据的设计方法 2 2）通过建立熟练操作者控制模型的设计方法）通过建立熟练操作者控制模型的设计方法 3 3）建立被控对象模糊模型的设计方法）建立被控对象模糊模型的设计方法本讲稿第二十二页，共二十二页