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1、模糊逻辑控制及其应用（选 修）上海交通大学 谢康林2005-2006学年 第1学期11/12/20221第三章模糊逻辑控制工作原理第三章第三章模糊逻辑控制工作原理模糊逻辑控制工作原理2第三章模糊逻辑控制工作原理第三章第三章模糊逻辑控制工作原理模糊逻辑控制工作原理3-1传统控制方法与模糊逻辑控制方法传统控制方法与模糊逻辑控制方法3-2模糊逻辑控制的工作原理模糊逻辑控制的工作原理3传统控制方法3-1传统控制方法与模糊逻辑控制方法传统控制方法与模糊逻辑控制方法一传统控制方法一传统控制方法1传统控制系统的结构与设计方传统控制系统的结构与设计方法法传统控制方法的基本结构可分为：传统控制方法的基本结构可分
2、为：开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统它们以它们以被控对象的状态变量是否以负被控对象的状态变量是否以负反馈引入到控制器反馈引入到控制器来予以区分。来予以区分。4开环控制系统（1）开环控制系统开环控制系统仅采集被控对象的状态信息。仅采集被控对象的状态信息。人人（操操作作者者）作作为为控控制制器器与与被被控控对对象象的中间环节。的中间环节。人人控制器控制器被控对象被控对象数据采集系统数据采集系统显示打印（输出结果）显示打印（输出结果）开环控制系统简单。开环控制系统简单。适适用用于于控控制制对对象象变变化化缓缓慢慢，或或不不能能建建立立系系统统数数学学模模型型的的，控控制制精精度度要
3、要求求不不高高的的场合。场合。5闭环控制系统（2）闭环控制系统）闭环控制系统它是一个负反馈系统。它是一个负反馈系统。从被控对象检测出状态变量值，并从被控对象检测出状态变量值，并以此检测值与目标期望值（给定值）以此检测值与目标期望值（给定值）进行比较，以进行比较，以偏差值偏差值作为控制器的输作为控制器的输入量，由控制器按某种数学模型进行入量，由控制器按某种数学模型进行运算后的结果，作为控制量。运算后的结果，作为控制量。6闭环控制系统显示打印显示打印显示打印显示打印被控被控被控被控对象对象对象对象控制器控制器控制器控制器反反馈馈量量给给定定值值偏偏差差信信号号e控制量控制量比比较较器器+-输输出出
4、信信号号u u7计计算算机机闭环控制系统计算机闭环控制系统计算机闭环控制系统如如果果用用计计算算机机作作为为比比较较器器和和控控制制器器，则构成则构成计算机闭环控制系统计算机闭环控制系统。控控制制器器输输出出与与偏偏差差信信号号之之间间的的函函数数关系称为关系称为调节规律调节规律。常常见见的的调调节节规规律律是是比比例例积积分分微微分分(PID)调调节节（ProportionalIntegralandDifferential）。）。8传统控制方法的局限性2传统控制方法的局限性传统控制方法的局限性若用计算机实现传统控制方法：若用计算机实现传统控制方法：A.首先要设定控制目标值。首先要设定控制目标
5、值。B.根据被控对象的特性变化和环根据被控对象的特性变化和环境变化，通过负反馈原理，不断进行境变化，通过负反馈原理，不断进行调节，以跟踪所设定的目标值。调节，以跟踪所设定的目标值。C.设计一个满足控制目标的控制设计一个满足控制目标的控制器，必须要有数学模型。器，必须要有数学模型。实实际际上上，对对复复杂杂的的非非线线性性系系统统和和多多因素的时变系统因素的时变系统有很大困难有很大困难。9模糊逻辑控制方法二模糊逻辑控制方法及其限制二模糊逻辑控制方法及其限制1.模糊逻辑控制方法模糊逻辑控制方法把模糊数学理论应用于自动控制领域，把模糊数学理论应用于自动控制领域，从而产生的控制方法称为模糊逻辑控制方法
6、。从而产生的控制方法称为模糊逻辑控制方法。传统控制传统控制依赖于被控系统的依赖于被控系统的数学模型数学模型模糊逻辑控制模糊逻辑控制依赖于被控系统的依赖于被控系统的物理特性物理特性物理特性物理特性的提取要依靠人的直觉和经验。的提取要依靠人的直觉和经验。人的经验是一系列含有语言变量值的条件人的经验是一系列含有语言变量值的条件和规则；和规则；模糊集合理论能十分恰当地表达模糊性的模糊集合理论能十分恰当地表达模糊性的语言变量和条件语句。语言变量和条件语句。10优点2模糊逻辑控制的优点及不足之处模糊逻辑控制的优点及不足之处（1）优点）优点A.无需预先知道被控对象的精无需预先知道被控对象的精确数学模型；确数
7、学模型；B.模糊逻辑控制方法容易学习模糊逻辑控制方法容易学习和掌握（规则由人的经验总和掌握（规则由人的经验总结出来、以条件语句表示）；结出来、以条件语句表示）；C.有利于人机对话和系统知识有利于人机对话和系统知识处理（以人的自然语言形式处理（以人的自然语言形式表示控制知识）。表示控制知识）。11不足之处（2）不足之处）不足之处A.精度不够高；精度不够高；B.自适应能力有限；自适应能力有限；C.系统较难优化。系统较难优化。12模糊逻辑控制过程3-2模糊逻辑控制的工作原理模糊逻辑控制的工作原理一模糊逻辑控制过程一模糊逻辑控制过程它由给定输入它由给定输入R、模糊控制器、模糊控制器、被控对象、偏差被控
8、对象、偏差e（反馈信号与反馈信号与给定输入的比较环节）组成。给定输入的比较环节）组成。模糊逻辑控制系统结构图如下：模糊逻辑控制系统结构图如下：13模模糊糊逻逻辑辑控控制制系系统统结结构构模糊控制器模糊控制器模糊控制器模糊控制器被控对象被控对象被控对象被控对象反馈信号反馈信号反馈信号反馈信号给给定定值值R偏偏差差e+-输输出出u14基本结构数字量转化数字量转化为模糊量为模糊量模糊量转化模糊量转化为数字量为数字量模糊模糊逻辑逻辑推理推理模糊化模糊化解模糊化解模糊化模糊控制器的基本结构：模糊控制器的基本结构：15精确输入量的模糊化1精确输入量的模糊化精确输入量的模糊化：（1）根据系统的实际输出值与设
9、定的期望值相比较）根据系统的实际输出值与设定的期望值相比较的偏差值（以及偏差的变化率）来决定对系统的偏差值（以及偏差的变化率）来决定对系统的调整控制。（精确的输入值）。的调整控制。（精确的输入值）。（2）把精确的输入量转换成模糊集合的隶属函数。）把精确的输入量转换成模糊集合的隶属函数。常用三角形、梯形等。常用三角形、梯形等。（3）标准化设计：通常把偏差）标准化设计：通常把偏差e的变化范围设定在的变化范围设定在-6，+6区间，将它的连续变化量离散化为区间，将它的连续变化量离散化为13个个整数元素的离散集合：整数元素的离散集合：-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6（4）把
10、在）把在-6，+6之间变化的连续量，根据需要分成之间变化的连续量，根据需要分成若干等级，分别对应一个模糊子集合或隶属函数。若干等级，分别对应一个模糊子集合或隶属函数。*对于输出变量的模糊化，方法同上。对于输出变量的模糊化，方法同上。16规则的形成和推理2模糊控制规则的形成和推理模糊控制规则的形成和推理：模糊控制规则的形成：模糊控制规则的形成：根根据据有有经经验验的的操操作作人人员员或或专专家家的的知知识识和和经经验验，制制定定出出若若干干个个模模糊糊逻逻辑辑控控制制规规则则，并并加加以以形形式式化化数数字字处处理理以以后后，存存入入计算机。计算机。这些规则可以用自然语言来表达。这些规则可以用自
11、然语言来表达。根根据据模模糊糊集集合合和和模模糊糊关关系系理理论论，对对于于不不同同类类型型的的模模糊糊规规则则，可可以以用用不不同同的的模模糊推理方法。糊推理方法。17解模糊判决3解模糊判决（反模糊化）解模糊判决（反模糊化）经经过过模模糊糊逻逻辑辑推推理理得得到到的的控控制制输输出出，是一个是一个模糊隶属函数模糊隶属函数或或模糊子集模糊子集。必必须须从从模模糊糊输输出出隶隶属属函函数数中中找找出出一一个个最最能能代代表表这这个个模模糊糊集集合合作作用用的的精精确确量，这就是解模糊判决。量，这就是解模糊判决。18状态估计模糊控制法二模糊逻辑控制方式二模糊逻辑控制方式1状态估计模糊控制法状态估计
12、模糊控制法根据现行状态与控制目标的偏差根据现行状态与控制目标的偏差e来决定控制指令的方法，即一种直接来决定控制指令的方法，即一种直接用被控对象的状态反馈作为依据来实用被控对象的状态反馈作为依据来实现控制的方法。但由于环境和系统本现控制的方法。但由于环境和系统本身的变化，在某些情况下，可能出现身的变化，在某些情况下，可能出现不稳定现象。不稳定现象。状态估计模糊控制法：状态估计模糊控制法：知识工程学知识工程学+模糊推理模糊推理19预测型模糊控制法2预测型模糊控制法预测型模糊控制法知识工程学知识工程学+模糊推理模糊推理+通过对被控对象动态特性的通过对被控对象动态特性的模拟而建立的系统模型。模拟而建立
13、的系统模型。即：即：预测型模糊控制法预测型模糊控制法=状态估计模糊控制法状态估计模糊控制法+通过对被控对象动态特性的通过对被控对象动态特性的模拟而建立的系统模型。模拟而建立的系统模型。20推理方法三模糊逻辑控制规则的推理方法三模糊逻辑控制规则的推理方法合成模糊逻辑推理法合成模糊逻辑推理法（Mamdani玛达尼推理法）；玛达尼推理法）；间接模糊逻辑推理法间接模糊逻辑推理法；后件为线性函数的模糊逻辑推理法后件为线性函数的模糊逻辑推理法。21合成模糊逻辑推理法合成模糊逻辑推理法合成模糊逻辑推理法（Mamdani玛达尼推理法）玛达尼推理法）（例）（例）22合成模糊推理法的推理过程合成模糊逻辑推理的推理
14、过程合成模糊逻辑推理的推理过程x0 0 x0 0y0 0y0 0 xy yu uy yxu uu uA1A1A2A2B1B1B2B2C1C1C2C2u0 01122C0C0 23第四章模糊逻辑控制器（FLC）第四章第四章模糊逻辑控制器（模糊逻辑控制器（FLC）24第四章模糊逻辑控制器（FLC）第四章第四章模糊逻辑控制器模糊逻辑控制器（FLC）4-1模糊逻辑控制器的结构模糊逻辑控制器的结构4-2模糊逻辑控制器设计步骤模糊逻辑控制器设计步骤4-3模糊逻辑控制器的设计方法模糊逻辑控制器的设计方法25目标控制器的目标控制器的目标：对对于于给给定定的的输输入入量量，能能产产生生所所期期望望的输出控制作用
15、的输出控制作用。对对于于模模糊糊逻逻辑辑控控制制，要要决决定定是是用用硬硬件实现，还是用软件实现。件实现，还是用软件实现。目目前前在在通通用用单单片片微微机机上上运运行行模模糊糊控控制制算算法法软软件件，实实现现大大部部分分模模糊糊逻逻辑辑控控制制应应用用。在在少少数数非非常常复复杂杂和和在在时时间间上上有有苛苛刻刻要要求求的的场场合合，才才需需要要专专用用的的模模糊糊逻逻辑辑硬件芯片。硬件芯片。26模糊逻辑控制器4-1模糊逻辑控制器的结构模糊逻辑控制器的结构一模糊逻辑控制器的基本结构一模糊逻辑控制器的基本结构模糊逻辑控制器模糊逻辑控制器（FLCFuzzyLogicController）是一种
16、用模糊逻辑是一种用模糊逻辑来模仿人的逻辑思维，从而对难以建来模仿人的逻辑思维，从而对难以建立数学模型的系统实现控制的设备。立数学模型的系统实现控制的设备。简称为简称为模糊控制器模糊控制器。27基本结构模糊逻辑控制器的基本结构：模糊逻辑控制器的基本结构：主要由主要由三大部分组成三大部分组成：模糊化接口模糊化接口 模糊推理机模糊推理机 解模糊化接口解模糊化接口有时可能加上：有时可能加上：规则修改模块；规则修改模块；隶属函数修改模块；隶属函数修改模块；控制状态显示模块；控制状态显示模块；PID控制模块；控制模块；进行系统优化的模拟模块进行系统优化的模拟模块等。等。28模糊化接口二模糊逻辑控制各部分的
17、功能二模糊逻辑控制各部分的功能1模糊化接口模糊化接口（1）测量输入变量值。）测量输入变量值。（2）完成将输入变量量值的范围）完成将输入变量量值的范围向相应论域变换的比例映射。向相应论域变换的比例映射。（3）实现模糊化，将输入数据转）实现模糊化，将输入数据转换成相应语言变量的项，并换成相应语言变量的项，并构成模糊集合。构成模糊集合。29模糊推理机2模糊推理机模糊推理机（1）知识库）知识库包括应用领域的知识和相应包括应用领域的知识和相应控制目标的知识，由控制目标的知识，由数据库数据库和和语言控制规则库语言控制规则库组成。组成。（2）模糊推理决策逻辑）模糊推理决策逻辑是是FLC的核心的核心。它能模仿
18、人的模糊概念它能模仿人的模糊概念,运用模糊蕴涵运算，运用模糊蕴涵运算，模糊逻辑推理规则，模糊逻辑推理规则，对模糊控制作用的推理进行对模糊控制作用的推理进行决策。决策。30解模糊接口3解模糊化接口解模糊化接口（1）比例映射：将输出变量的量值范）比例映射：将输出变量的量值范围转化为相应的论域。围转化为相应的论域。（2）解模糊化：从推理所得的模糊输）解模糊化：从推理所得的模糊输出集合中产生精确的控制量值。出集合中产生精确的控制量值。4模糊规则修改、隶属函数修改和控模糊规则修改、隶属函数修改和控制状态显示模块制状态显示模块5PID控制模块控制模块6模拟模块模拟模块31模糊逻辑控制过程三三模糊逻辑控制过
19、程模糊逻辑控制过程模糊逻辑控制过程的三个步骤：模糊逻辑控制过程的三个步骤：模糊化模糊化;模糊逻辑推理模糊逻辑推理;解模糊判决。解模糊判决。分别通过上述模糊逻辑控制器的分别通过上述模糊逻辑控制器的状态接口（模糊化器）状态接口（模糊化器）;模糊推理机模糊推理机;控制接口（解模糊化器）控制接口（解模糊化器）来完成模糊逻辑控制完成模糊逻辑控制。32控制规则的设计原则4-2模糊逻辑控制器设计步骤模糊逻辑控制器设计步骤依依靠靠人人的的直直觉觉和和经经验验，没没有有成成熟而固定的设计过程和方法。熟而固定的设计过程和方法。1定义输入和输出变量及其个数定义输入和输出变量及其个数2定义所有变量的模糊化条件定义所有
20、变量的模糊化条件3设计控制规则库设计控制规则库4设计模糊推理结构设计模糊推理结构5选择解模糊判决方法选择解模糊判决方法33设计方法4-3模糊逻辑控制器的设计方法模糊逻辑控制器的设计方法一根据一根据专家的知识和经验专家的知识和经验设计设计FLC。设计的依据设计的依据是专家的知识和经验。是专家的知识和经验。二通过二通过建立熟练操作工控制模型建立熟练操作工控制模型设计设计FLC。通过熟练操作员的实际操作，通过熟练操作员的实际操作，建立熟练操作员的操作模型。建立熟练操作员的操作模型。34设计方法一一根据一根据专家的知识和经验专家的知识和经验设计设计FLC设计的依据：设计的依据：专家的知识和经验专家的知
21、识和经验35设计方法二二通过二通过建立熟练操作工控制模型建立熟练操作工控制模型设计设计FLC。通过熟练操作员的实际操作，通过熟练操作员的实际操作，建立熟练操作员的操作模型建立熟练操作员的操作模型36第五章模糊逻辑控制系统设计第五章第五章模糊逻辑控制系统设计模糊逻辑控制系统设计37第五章模糊逻辑控制系统设计第五章第五章模糊逻辑控制系统设计模糊逻辑控制系统设计5-1模糊逻辑控制系统的一般设计模糊逻辑控制系统的一般设计过程过程5-2模糊逻辑控制系统设计举例模糊逻辑控制系统设计举例38一般设计过程5-1模糊逻辑控制系统的一般设计过程模糊逻辑控制系统的一般设计过程通常分成通常分成四个部分四个部分：1模糊
22、逻辑控制系统的结构设计；模糊逻辑控制系统的结构设计；2模糊化设计；模糊化设计；3模糊逻辑控制算法设计；模糊逻辑控制算法设计；4解模糊化设计。解模糊化设计。39结构形式一模糊逻辑控制系统的结构设计一模糊逻辑控制系统的结构设计1模糊逻辑控制系统的结构形式模糊逻辑控制系统的结构形式（1）从输入、输出量来分：）从输入、输出量来分：SISO结构结构MISO结构结构MIMO结构结构（2）从控制机理来分：）从控制机理来分：单纯型模糊逻辑控制器单纯型模糊逻辑控制器复合型模糊逻辑控制器复合型模糊逻辑控制器（3）从控制功能来分：）从控制功能来分：变结构型模糊逻辑控制器变结构型模糊逻辑控制器自校正型模糊逻辑控制器自
23、校正型模糊逻辑控制器40系统结结构构设计原则一2模糊逻辑控制系统的设计原则模糊逻辑控制系统的设计原则（1）被被控控对对象象是是一一个个控控制制精精度度要求不要求不高的系统高的系统一般可采用：一般可采用：SISO系统系统41系统结结构构设计原则二（2）被被控控对对象象是是一一个个控控制制精精度度要要求较求较高的系统高的系统通常可采用：通常可采用：二维模糊逻辑控制器；二维模糊逻辑控制器；三维模糊逻辑控制器；三维模糊逻辑控制器；变结构型模糊逻辑控制器；变结构型模糊逻辑控制器；复合型模糊逻辑控制器。复合型模糊逻辑控制器。42系统结结构构设计原则三（3）被被控控对对象象是是一一个个控控制制精精度度要要求
24、求较较高高、且对环境有较好的适应性的系统且对环境有较好的适应性的系统可采用：可采用：PID参数自校正模糊逻辑控制器；参数自校正模糊逻辑控制器；比例因子自校正模糊逻辑控制器；比例因子自校正模糊逻辑控制器；神经网络自学习模糊逻辑控制器；神经网络自学习模糊逻辑控制器；等等。等等。43系统结结构构设计原则四（4）被被控控对对象象是是一一个个多多输输入入、多多输出系统输出系统可根据对象情况，可根据对象情况，参参照照上上述述（1）（3）原原则则进进行设计。行设计。44模糊化设计二模糊化设计二模糊化设计主要包括两个部分：主要包括两个部分：输输入入（出出）变变量量模模糊糊划划分分设设计计和和模模糊糊量量隶隶属
25、函数设计属函数设计。1模糊划分设计模糊划分设计：对对于于一一个个语语言言变变量量，其其论论域域的的模模糊糊量量通通常由经验给出。常由经验给出。一般模糊划分取一般模糊划分取5-9个。个。较较多多采采用用线线性性划划分分，有有时时也也采采用用非非线线性性划分。划分。2模糊量隶属函数设计模糊量隶属函数设计：在在实实际际应应用用中中，采采用用单单点点、三三角角形形、梯梯形和正态分布函数等几种隶属函数曲线。形和正态分布函数等几种隶属函数曲线。45控制算法设计三模糊逻辑控制算法设计三模糊逻辑控制算法设计模糊逻辑控制算法一般可分成：模糊逻辑控制算法一般可分成：查表法查表法公式法（解析式法）公式法（解析式法）
26、推理算法等。推理算法等。各种算法的运算速度和运算精度各种算法的运算速度和运算精度有所不同。有所不同。46推理算法举例例：例：推理算法推理算法FLC系统：两输入（系统：两输入（E、E）、一输出（一输出（u）E和和E各有三个模糊划分：各有三个模糊划分：大（大（L）、）、中（中（M）、）、小（小（S）。）。且为三角形隶属函数曲线。且为三角形隶属函数曲线。共有九条推理规则：共有九条推理规则：R1：ifE=SandE=Sthenu=LR2：ifE=SandE=Mthenu=LR3：ifE=SandE=Lthenu=MR4：ifE=MandE=Sthenu=LR5：ifE=MandE=Mthenu=MR6
27、：ifE=MandE=Lthenu=SR7：ifE=LandE=Sthenu=MR8：ifE=LandE=Mthenu=SR9：ifE=LandE=Lthenu=S47推理算法举例(续)1.当当T1时刻时刻:E=a1E=b1只有只有R2起作用起作用:R2：ifE=SandE=Mthenu=L2.当当T2时刻时刻:E=a1E=b2只有只有R1和和R2起作用起作用:R1：ifE=SandE=Sthenu=LR2：ifE=SandE=Mthenu=L3.当当T3时刻时刻:E=a2E=b2有有R1、R2、R4和和R5起作用起作用:R1：ifE=SandE=Sthenu=LR2：ifE=SandE=Mt
28、henu=LR4：ifE=MandE=Sthenu=LR5：ifE=MandE=Mthenu=M48解模糊化设计四解模糊化设计四解模糊化设计解模糊算法常用的有：解模糊算法常用的有：重心法重心法最大隶属度法最大隶属度法系数加权平均法系数加权平均法隶属度限幅（隶属度限幅（-Cut）元素平均法元素平均法等等。等等。49系统设计举例5-2模糊逻辑控制系统设计举例模糊逻辑控制系统设计举例电动机转速调节电动机转速调节模糊逻辑控制系统设计模糊逻辑控制系统设计50系统结构设计模糊控制器模糊控制器模糊控制器模糊控制器电机电机电机电机转速反馈转速反馈转速反馈转速反馈uee1系统结构设计系统结构设计：二维二维单纯型
29、模糊逻辑控制器单纯型模糊逻辑控制器n给给定定值值no51模糊化设计2.模糊化设计模糊化设计：电机转速电机转速偏差（偏差（e e）模糊化模糊化：电机转速负偏差（电机转速负偏差（NE），），电机转速正偏差（电机转速正偏差（PE）；）；电机转速电机转速偏差变化率（偏差变化率（ee）模糊化模糊化：电机转速电机转速负偏差变化率（负偏差变化率（NE）电机转速电机转速正偏差变化率（正偏差变化率（PE）；）；电机电压电机电压控制量增量（控制量增量（uu）模糊化模糊化：电机电机控制电压负增量（控制电压负增量（NU）电机电机控制电压零增量（控制电压零增量（ZU）电机电机控制电压正增量（控制电压正增量（PU）52偏
30、偏差差模模糊糊化化电机转速电机转速偏差（偏差（e e）模糊化模糊化0 0-5-5+5+5e e1.01.00.50.5+3+30.20.20.80.8PEPENENE53偏偏差差变变化化率率模模糊糊化化电机转速电机转速偏差变化率（偏差变化率（ee）模糊化模糊化-3-30 0+3+3ee1.01.00.330.330.670.67P PE EN NE E+1+154控控制制量量增增量量模模糊糊化化电机电压控制量增量（电机电压控制量增量（uu）模糊化模糊化0 07 7-7-71.01.0uuNUPUZU55控制规则设计3控制规则设计控制规则设计：（例）（例）ife=NEande=NEthenU=ZUife=NEande=PEthenU=NUife=PEande=NEthenU=PUife=PEande=PEthenU=ZU(例：设某一时刻例：设某一时刻e=3,e=1)56反模糊化设计和运行结果4反模糊化设计反模糊化设计：重心法（列举法）重心法（列举法）5运行结果的输出状态曲线运行结果的输出状态曲线：有一定的超调量，有一定的超调量，系统的响应速度不够快。系统的响应速度不够快。57