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先进控制技术先进控制技术第1页，共46页，编辑于2022年，星期四经典控制理论经典控制理论PIDPID控制和直接数宁控制对解决一般控制和线性定常系控制和直接数宁控制对解决一般控制和线性定常系统问题十分有效。但是，在许多控制系统中，一些复杂被控对象统问题十分有效。但是，在许多控制系统中，一些复杂被控对象(或过程或过程)的特性很难用一般的物理或化学规律来描述，也没有适当的测试手段的特性很难用一般的物理或化学规律来描述，也没有适当的测试手段进行测试，并为具建立数学模型。对于这类被控对象进行测试，并为具建立数学模型。对于这类被控对象(或过程或过程)，用传统，用传统控制理论或现代控制理论很难取得满意的控制效果。然而，这类被控对象控制理论或现代控制理论很难取得满意的控制效果。然而，这类被控对象(或过程或过程)在人工操作下却往往能正常运行，并达到一定预期的效果。在人工操作下却往往能正常运行，并达到一定预期的效果。人的手动控制策略是通过操作者的学习、试验及长期经验积累而形人的手动控制策略是通过操作者的学习、试验及长期经验积累而形成的，它通过人的自然语言来叙述，例如，用自定性的、不精确的及模成的，它通过人的自然语言来叙述，例如，用自定性的、不精确的及模糊的条件语句来表达：若炉温偏高，则减少燃料：若蓄水塔水位偏低，糊的条件语句来表达：若炉温偏高，则减少燃料：若蓄水塔水位偏低，则加大进水流量；若燃烧废气中含氧量偏向，则减小助燃风量等。则加大进水流量；若燃烧废气中含氧量偏向，则减小助燃风量等。由于自然语言具有模糊性，所以，这种语言控制也被称为模糊语言控制，由于自然语言具有模糊性，所以，这种语言控制也被称为模糊语言控制，简称模糊控制。简称模糊控制。第2页，共46页，编辑于2022年，星期四6.1 6.1 模糊控制技术模糊控制技术6.1.1 6.1.1 模糊控制的数学基础模糊控制的数学基础6.1.2 6.1.2 模糊控制原理模糊控制原理6.1.3 6.1.3 模糊控制器设计模糊控制器设计“较少较少较少较少”、“较多较多较多较多”、“小一些小一些小一些小一些”、“很少很少很少很少”等模糊语言来进行描述和控制问题。等模糊语言来进行描述和控制问题。等模糊语言来进行描述和控制问题。等模糊语言来进行描述和控制问题。“模糊模糊模糊模糊”是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。“模模模模糊糊糊糊”比比比比“清晰清晰清晰清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授L.A.ZadehL.A.ZadehL.A.ZadehL.A.Zadeh于于于于1965196519651965年首年首年首年首先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人工智能领域中模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人工智能领域中模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人工智能领域中模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支。的一个重要分支。的一个重要分支。的一个重要分支。1974197419741974年，英国伦敦大学教授年，英国伦敦大学教授年，英国伦敦大学教授年，英国伦敦大学教授E.H.MamdaniE.H.MamdaniE.H.MamdaniE.H.Mamdani研制成功第一个模糊控制器，充分展示研制成功第一个模糊控制器，充分展示研制成功第一个模糊控制器，充分展示研制成功第一个模糊控制器，充分展示了模糊控制技术的应用前景。了模糊控制技术的应用前景。了模糊控制技术的应用前景。了模糊控制技术的应用前景。第3页，共46页，编辑于2022年，星期四6.1.1 6.1.1 模糊控制的数学基础模糊控制的数学基础1.1.1.1.模糊集合模糊集合模糊集合模糊集合有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延，只有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延，只有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延，只有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延，只能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合(或经典集合或经典集合或经典集合或经典集合)。如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作 ，表示元素属，表示元素属，表示元素属，表示元素属于模糊集合于模糊集合于模糊集合于模糊集合A A A A的程度。的程度。的程度。的程度。由隶属函数来表征，在由隶属函数来表征，在由隶属函数来表征，在由隶属函数来表征，在0 0 0 0，1 1 1 1区间内连续取值。区间内连续取值。区间内连续取值。区间内连续取值。的大小反映了元素的大小反映了元素的大小反映了元素的大小反映了元素x x x x 对于模糊集合对于模糊集合对于模糊集合对于模糊集合A A A A 的隶属程度。的隶属程度。的隶属程度。的隶属程度。第4页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.2.2.模糊集合的运算模糊集合的运算模糊集合的运算模糊集合的运算(1)(1)(1)(1)相等：相等：相等：相等：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称A A A A与与与与B B B B 相等，记作相等，记作相等，记作相等，记作 。(2)(2)(2)(2)补集：补集：补集：补集：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称B B B B是是是是A A A A 的补集，记作的补集，记作的补集，记作的补集，记作 。(3)(3)(3)(3)包含：包含：包含：包含：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称A A A A包含包含包含包含B B B B，记作，记作，记作，记作 。(4)(4)(4)(4)并集：并集：并集：并集：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称C C C C是是是是A A A A与与与与B B B B的并集，记作的并集，记作的并集，记作的并集，记作 。(5)(5)(5)(5)交集：交集：交集：交集：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称C C C C是是是是A A A A与与与与B B B B的交集，记作的交集，记作的交集，记作的交集，记作 。第5页，共46页，编辑于2022年，星期四3.3.3.3.模糊关系模糊关系模糊关系模糊关系(1)(1)(1)(1)关系：描写事物之间联系的数学模型关系：描写事物之间联系的数学模型关系：描写事物之间联系的数学模型关系：描写事物之间联系的数学模型 R R R R为由集合为由集合为由集合为由集合X X X X到集合到集合到集合到集合Y Y Y Y的普通关系，则对任意都只能有以下两种情况：的普通关系，则对任意都只能有以下两种情况：的普通关系，则对任意都只能有以下两种情况：的普通关系，则对任意都只能有以下两种情况：x x x x与与与与y y y y有某种关系，即有某种关系，即有某种关系，即有某种关系，即 xRy xRy xRy xRy；x x x x或或或或y y y y与无某种关系，即与无某种关系，即与无某种关系，即与无某种关系，即 xRy xRy xRy xRy；直积集：在集直积集：在集直积集：在集直积集：在集X X X X与集与集与集与集Y Y Y Y中各取出一元素排成序对，所有这样序对的集合中各取出一元素排成序对，所有这样序对的集合中各取出一元素排成序对，所有这样序对的集合中各取出一元素排成序对，所有这样序对的集合叫做叫做叫做叫做X X X X和和和和Y Y Y Y的直积集的直积集的直积集的直积集(也称笛卡尔乘积集也称笛卡尔乘积集也称笛卡尔乘积集也称笛卡尔乘积集)，记为，记为，记为，记为 R R R R集是集是集是集是X X X X和和和和Y Y Y Y的直积集的一个子集的直积集的一个子集的直积集的一个子集的直积集的一个子集 几个常见的关系几个常见的关系几个常见的关系几个常见的关系 自返性自返性自返性自返性(同族关系同族关系同族关系同族关系)、对称性、对称性、对称性、对称性(兄弟关系和朋友关系兄弟关系和朋友关系兄弟关系和朋友关系兄弟关系和朋友关系)和传递性和传递性和传递性和传递性(兄弟关系和兄弟关系和兄弟关系和兄弟关系和朋友关系朋友关系朋友关系朋友关系)。父子关系？父子关系？具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容关系称为等价具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容关系称为等价具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容关系称为等价具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容关系称为等价关系。关系。关系。关系。(2)(2)(2)(2)模糊关系模糊关系模糊关系模糊关系 模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。第6页，共46页，编辑于2022年，星期四(3)(3)(3)(3)模糊矩阵模糊矩阵模糊矩阵模糊矩阵模糊矩阵的一般形式为模糊矩阵的一般形式为模糊矩阵的一般形式为模糊矩阵的一般形式为其中其中其中其中 ，矩阵，矩阵，矩阵，矩阵A A A A可记为可记为可记为可记为 。矩阵中的 表示集合X中第i个元素和集合Y中第j个元素隶属于模糊关系的程度，记为第7页，共46页，编辑于2022年，星期四对于模糊矩阵，有下面四种预算：对于模糊矩阵，有下面四种预算：并：并：cij=maxaij,bij=aijbij 交：交：cij=minaij,bij=aijbij 补：补：-aij 乘：乘：Cij=maxminaik,bkj=aikbkj 第8页，共46页，编辑于2022年，星期四4 4模糊逻辑模糊逻辑 二二二二值值值值逻逻逻逻辑辑辑辑：建建建建立立立立在在在在取取取取真真真真“1”1”1”1”和和和和取取取取假假假假“0”0”0”0”二二二二值值值值基基基基础础础础上上上上的的的的数数数数理理理理逻逻逻逻辑辑辑辑，是计算机科学的基础理论。是计算机科学的基础理论。是计算机科学的基础理论。是计算机科学的基础理论。模模模模糊糊糊糊逻逻逻逻辑辑辑辑：模模模模糊糊糊糊逻逻逻逻辑辑辑辑的的的的真真真真值值值值x x x x在在在在区区区区间间间间0,10,10,10,1中中中中连连连连续续续续取取取取值值值值，x x x x越越越越接接接接近近近近1 1 1 1，说明真的程度越大。，说明真的程度越大。，说明真的程度越大。，说明真的程度越大。模模模模糊糊糊糊逻逻逻逻辑辑辑辑是是是是二二二二值值值值逻逻逻逻辑辑辑辑的的的的直直直直接接接接推推推推广广广广，因因因因此此此此，模模模模糊糊糊糊逻逻逻逻辑辑辑辑是是是是无无无无限限限限多多多多值值值值逻逻逻逻辑辑辑辑，也也也也就就就就是是是是连连连连续续续续值值值值逻逻逻逻辑辑辑辑。模模模模糊糊糊糊逻逻逻逻辑辑辑辑仍仍仍仍有有有有二二二二值值值值逻逻逻逻辑辑辑辑的的的的逻逻逻逻辑辑辑辑并并并并(析析析析取取取取)、逻逻逻逻辑辑辑辑交交交交(合合合合取取取取)、逻辑补、逻辑补、逻辑补、逻辑补(否定否定否定否定)的运算。的运算。的运算。的运算。第9页，共46页，编辑于2022年，星期四5 5模糊推理模糊推理 应用模糊理论，可以对模糊命题进行模糊的演绎推理和归纳推应用模糊理论，可以对模糊命题进行模糊的演绎推理和归纳推理。本节主要讨论假言推理和条件语句。理。本节主要讨论假言推理和条件语句。假言推理假言推理模糊假言推理模糊假言推理模糊条件语句模糊条件语句第10页，共46页，编辑于2022年，星期四(1)(1)假言推理假言推理基本规则：如果已知命题基本规则：如果已知命题A A（即可以分辨真假的陈述句）蕴涵命题（即可以分辨真假的陈述句）蕴涵命题B B，即即ABAB（若（若A A则则B B）；如今确实）；如今确实A A，则可以得到结论为，则可以得到结论为B B，其逻辑结构为，其逻辑结构为 若若A A，则，则B B；如今如今A A；-结论结论B B。举例：如果举例：如果A A看成看成“小王住院小王住院”，B B看成看成“小王生病小王生病”；则若；则若“小王住院小王住院”真，真，“小王生病小王生病”也真。也真。第11页，共46页，编辑于2022年，星期四（2 2）模糊假言推理）模糊假言推理 命题命题A A，B B均为精确命题，在模糊情况下，均为精确命题，在模糊情况下，与与 均为模糊命题，均为模糊命题，代表模糊事件，要用模糊假言推理来进行推理。代表模糊事件，要用模糊假言推理来进行推理。设设X X和和Y Y是两个各自具有基础变量是两个各自具有基础变量x x和和y y的论域，其中模的论域，其中模糊集合：糊集合：的隶属函数分别为的隶属函数分别为从从X到到Y的一个模糊关系的一个模糊关系 ，表示，表示XY论域上，描述模糊条件语句论域上，描述模糊条件语句“若若 则则 ”的模糊关系，其隶属函数为的模糊关系，其隶属函数为第12页，共46页，编辑于2022年，星期四模糊条件语句模糊条件语句第13页，共46页，编辑于2022年，星期四6.1.2 6.1.2 模糊控制原理模糊控制原理 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等五个部分组成，如下图所示。机构、测量装置和被控对象等五个部分组成，如下图所示。机构、测量装置和被控对象等五个部分组成，如下图所示。机构、测量装置和被控对象等五个部分组成，如下图所示。第14页，共46页，编辑于2022年，星期四模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口四个部分，如下图所示。清晰化接口四个部分，如下图所示。清晰化接口四个部分，如下图所示。清晰化接口四个部分，如下图所示。1.1.1.1.模糊化接口模糊化接口模糊化接口模糊化接口2.2.2.2.知识库知识库知识库知识库3.3.3.3.推理机推理机推理机推理机4.4.4.4.清晰化接口清晰化接口清晰化接口清晰化接口第15页，共46页，编辑于2022年，星期四6.1.3 6.1.3 模糊控制器设计模糊控制器设计 设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。1 1 1 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器的结构设计模糊控制器的结构设计 (1)(1)(1)(1)单输入单输出结构单输入单输出结构单输入单输出结构单输入单输出结构 一维模糊控制器一维模糊控制器一维模糊控制器一维模糊控制器 二维模糊控制器二维模糊控制器二维模糊控制器二维模糊控制器 (2)(2)(2)(2)多输入多输出结构多输入多输出结构多输入多输出结构多输入多输出结构第16页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.2.2.模糊规则的选择和模糊推理模糊规则的选择和模糊推理模糊规则的选择和模糊推理模糊规则的选择和模糊推理 (1)(1)(1)(1)模糊规则的选择模糊规则的选择模糊规则的选择模糊规则的选择 模糊语言变量的确定模糊语言变量的确定模糊语言变量的确定模糊语言变量的确定 语言值隶属函数的确定语言值隶属函数的确定语言值隶属函数的确定语言值隶属函数的确定 模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立 (2)(2)(2)(2)模糊推理模糊推理模糊推理模糊推理 一维形式一维形式一维形式一维形式 二维形式二维形式二维形式二维形式3.3.3.3.清晰化清晰化清晰化清晰化4.4.4.4.模糊控制器论域及比例因子的确定模糊控制器论域及比例因子的确定模糊控制器论域及比例因子的确定模糊控制器论域及比例因子的确定5.5.5.5.编写模糊控制器的算法程序编写模糊控制器的算法程序编写模糊控制器的算法程序编写模糊控制器的算法程序第17页，共46页，编辑于2022年，星期四6.6.双输入单输出模糊控制器设计双输入单输出模糊控制器设计 (1)(1)模糊控制器的基本结构模糊控制器的基本结构 (2)(2)模糊化模糊化 (3)(3)模糊控制规则、模糊关系和模糊推理模糊控制规则、模糊关系和模糊推理 (4)(4)清晰化清晰化第18页，共46页，编辑于2022年，星期四6.1.4 模糊控制的特点模糊控制的特点模糊控制理论是控制领域中非常有发展前途的一个模糊控制理论是控制领域中非常有发展前途的一个分支，这是由于模糊控制具行许多传统控制制无法比拟分支，这是由于模糊控制具行许多传统控制制无法比拟的优点，主要优点如下：的优点，主要优点如下：n n不需要精确数学模型不需要精确数学模型n n容易学习容易学习n n使用方便使用方便n n适应性强适应性强n n控制程序简短控制程序简短n n速度快速度快n n开发方便开发方便n n可靠性高可靠性高n n性能优良性能优良第19页，共46页，编辑于2022年，星期四6.1.5 模糊控制的应用模糊控制的应用近年来，模糊控制得到了广泛的应用。下面简单介绍一些模糊控制的应近年来，模糊控制得到了广泛的应用。下面简单介绍一些模糊控制的应用领域：用领域：1)1)航天航空：模糊控制现在已应用于各种导航系统中。航天航空：模糊控制现在已应用于各种导航系统中。2)2)工业过程控制：工业过程控制的需要是控制性术发展的主要动力。工业过程控制：工业过程控制的需要是控制性术发展的主要动力。3)3)家用电器家用电器:全自动洗衣机、电饭煲、空调等。全自动洗衣机、电饭煲、空调等。4)4)汽车和交通运输：防抱死刹车系统，基于模糊控制的无级变速汽车和交通运输：防抱死刹车系统，基于模糊控制的无级变速器，模糊发动机控制和自动驾驶控制系统等。器，模糊发动机控制和自动驾驶控制系统等。5)5)其控制场合：其控制场合：电梯控制器、工业机器人、核反应控制、医疗仪器等。除控制应电梯控制器、工业机器人、核反应控制、医疗仪器等。除控制应用以外，还应用于图像识别、计算机图像处理、金融和其他专家系统用以外，还应用于图像识别、计算机图像处理、金融和其他专家系统中。中。第20页，共46页，编辑于2022年，星期四6.1.6 6.1.6 模糊控制的现状与发展模糊控制的现状与发展 模糊集合的引入将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式模糊集合的引入将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维直接表达出来，从而使对复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为最初模糊控制器的形成奠定了基础。方式的处理成为可能，为最初模糊控制器的形成奠定了基础。19741974年，英国的年，英国的MamdamMamdam使用模糊控制语言构成的控制器来控制锅炉蒸使用模糊控制语言构成的控制器来控制锅炉蒸汽机，取得了良好的效果，他的试验和研究标志着模糊控制的诞生；汽机，取得了良好的效果，他的试验和研究标志着模糊控制的诞生；模糊拌制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、模糊拌制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非线性复杂系统扩展。从现有的控制系统来看，它具有易于掌握、输出非线性复杂系统扩展。从现有的控制系统来看，它具有易于掌握、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好控制效果等优点；量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好控制效果等优点；近年来，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、近年来，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是对模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是对复杂系统的自学习与参数复杂系统的自学习与参数(或规则）自调整模糊系统方向的研究，受到或规则）自调整模糊系统方向的研究，受到各国学者的重视。人们将神经网络和模糊控制技术相结合，形成了一种各国学者的重视。人们将神经网络和模糊控制技术相结合，形成了一种模糊神经网络技术，它可以组成一组更接近于人脑的智能信息处理系统，模糊神经网络技术，它可以组成一组更接近于人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分广阔。其发展前景十分广阔。第21页，共46页，编辑于2022年，星期四模糊控制的发展模糊控制的发展 模糊控制器采用与人脑思维方法相似的控制原理，因此它具有很人的模糊控制器采用与人脑思维方法相似的控制原理，因此它具有很人的灸活性，可以目据实际控制对象的不同，修改基本的模糊控制器，从而实灸活性，可以目据实际控制对象的不同，修改基本的模糊控制器，从而实现对不同对象的模糊控制。现对不同对象的模糊控制。虽然经典模糊控制理论已在许多工程应用上获得了成功，但目虽然经典模糊控制理论已在许多工程应用上获得了成功，但目前它仍处于发展过程的初前它仍处于发展过程的初级阶段，还存在大量需要解决的问题。目前而临的丰要任务如下。级阶段，还存在大量需要解决的问题。目前而临的丰要任务如下。建立一套系统的模糊控制理论。模糊控制联论研究还期待着坚实的、建立一套系统的模糊控制理论。模糊控制联论研究还期待着坚实的、系统的和奠基性的内容，用以解决模糊拧制的机理、稳定性分析，系统化系统的和奠基性的内容，用以解决模糊拧制的机理、稳定性分析，系统化设计方法，新型自适应模糊控制系统、专家模糊控制系统、神经模糊控制设计方法，新型自适应模糊控制系统、专家模糊控制系统、神经模糊控制系统和多变量模糊控制系统的分析与设计等一系列问题。系统和多变量模糊控制系统的分析与设计等一系列问题。模糊集成控制系统设计方法的研究。随着被控对象的门益复杂，模糊集成控制系统设计方法的研究。随着被控对象的门益复杂，忙往需要两种或多种控制策略的集成，通过动态控制特性亡的互补来获忙往需要两种或多种控制策略的集成，通过动态控制特性亡的互补来获得满意的控制效果。现代控制理论、神经得满意的控制效果。现代控制理论、神经网络理论与模糊控制的相互结合、渗透，可构成所谓的模糊集成控制系网络理论与模糊控制的相互结合、渗透，可构成所谓的模糊集成控制系统。为其建方一套完咎的分析与设计力池也是模糊控制理论研究的一个统。为其建方一套完咎的分析与设计力池也是模糊控制理论研究的一个重要方向。重要方向。模糊控制在非线性复杂系统中的模糊建模，以及模糊规则的建立和推理模糊控制在非线性复杂系统中的模糊建模，以及模糊规则的建立和推理算法的深算法的深A4A4好究。好究。自学习模糊控制策略和智能化系统的实现。自学习模糊控制策略和智能化系统的实现。常规模糊控制系统稳态性能的改善。常规模糊控制系统稳态性能的改善。把已经取得的研究成果应蝴到工程过程中，尽快把其转化为生产力。把已经取得的研究成果应蝴到工程过程中，尽快把其转化为生产力。因此，需加快实施简学实用的模糊集成芯片和模糊控制装置，以及通用模因此，需加快实施简学实用的模糊集成芯片和模糊控制装置，以及通用模糊控制系统的开发与报糊控制系统的开发与报J”J”应用。应用。综上所述，模糊控制在工业中的应用是一个相对迅速发展的领综上所述，模糊控制在工业中的应用是一个相对迅速发展的领域。随着模糊控制理论的不断发展和应用模糊控制技术将为工业域。随着模糊控制理论的不断发展和应用模糊控制技术将为工业过程控制开辟新的应用途径，而且前景十分光明。过程控制开辟新的应用途径，而且前景十分光明。第22页，共46页，编辑于2022年，星期四6.2 6.2 神经网络控制技术神经网络控制技术神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学模型的先神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学模型的先神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学模型的先神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学模型的先进控制方法，比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的进控制方法，比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的进控制方法，比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的进控制方法，比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和学习功能。控制对象，并具有较强的适应和学习功能。控制对象，并具有较强的适应和学习功能。控制对象，并具有较强的适应和学习功能。第23页，共46页，编辑于2022年，星期四6.2.1 神经网络基础1.1.1.1.生物神经元模型生物神经元模型生物神经元模型生物神经元模型人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间相互连人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间相互连人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间相互连人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间相互连接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如下图所示。接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如下图所示。接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如下图所示。接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如下图所示。第24页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.人工神经元模型人工神经元模型人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模拟生人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模拟生人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模拟生人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模拟生物神经网络的某些结构和功能。下图是最典型的人工神物神经网络的某些结构和功能。下图是最典型的人工神物神经网络的某些结构和功能。下图是最典型的人工神物神经网络的某些结构和功能。下图是最典型的人工神经元模型。经元模型。经元模型。经元模型。第25页，共46页，编辑于2022年，星期四人工神经网络人工神经网络 下图表示了两个典型的神经网络结构，图下图表示了两个典型的神经网络结构，图下图表示了两个典型的神经网络结构，图下图表示了两个典型的神经网络结构，图a)a)a)a)为前馈型为前馈型为前馈型为前馈型网络，图网络，图网络，图网络，图b)b)b)b)为反馈型网络。为反馈型网络。为反馈型网络。为反馈型网络。第26页，共46页，编辑于2022年，星期四6.2.2 6.2.2 神经网络控制神经网络控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制（或称或称或称或称神经网络学习控制神经网络学习控制神经网络学习控制神经网络学习控制）、）、）、）、神经网络自适应控制神经网络自适应控制神经网络自适应控制神经网络自适应控制 （自校正、模型自校正、模型自校正、模型自校正、模型参考控制参考控制参考控制参考控制，含直接与间接自适应控制含直接与间接自适应控制含直接与间接自适应控制含直接与间接自适应控制）、）、）、）、神经网络内模控神经网络内模控神经网络内模控神经网络内模控制制制制、神经网络预测控制等。神经网络预测控制等。神经网络预测控制等。神经网络预测控制等。第27页，共46页，编辑于2022年，星期四1.1.神经网络监督控制神经网络监督控制例如，例如，例如，例如，我们我们我们我们可以可以可以可以考虑在传统控制器考虑在传统控制器考虑在传统控制器考虑在传统控制器，如如如如PIDPIDPIDPID控制器基控制器基控制器基控制器基础上础上础上础上，再增加一个神经网络控制器再增加一个神经网络控制器再增加一个神经网络控制器再增加一个神经网络控制器,如如如如下下下下图所示图所示图所示图所示，此时神经此时神经此时神经此时神经网络控制器实际是一个前馈控制器网络控制器实际是一个前馈控制器网络控制器实际是一个前馈控制器网络控制器实际是一个前馈控制器，因此它建立的是被控因此它建立的是被控因此它建立的是被控因此它建立的是被控对象的逆模型。对象的逆模型。对象的逆模型。对象的逆模型。第28页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.神经网络直接神经网络直接逆控制逆控制 下图下图下图下图给出了两种结构方案。在图给出了两种结构方案。在图给出了两种结构方案。在图给出了两种结构方案。在图a)a)a)a)中中中中,NN1,NN1,NN1,NN1和和和和NN2NN2NN2NN2具具具具有完全相同的网络结构（逆模型）有完全相同的网络结构（逆模型）有完全相同的网络结构（逆模型）有完全相同的网络结构（逆模型），并且采用相同的学并且采用相同的学并且采用相同的学并且采用相同的学习算法，即习算法，即习算法，即习算法，即NN1NN1NN1NN1和和和和NN2NN2NN2NN2的连接权都沿的连接权都沿的连接权都沿的连接权都沿 的负梯的负梯的负梯的负梯度方向进行修正度方向进行修正度方向进行修正度方向进行修正。上述评价函数也可采用其他更一般的上述评价函数也可采用其他更一般的上述评价函数也可采用其他更一般的上述评价函数也可采用其他更一般的加权形式加权形式加权形式加权形式，这时的结构方案如图这时的结构方案如图这时的结构方案如图这时的结构方案如图b)b)b)b)所示。所示。所示。所示。第29页，共46页，编辑于2022年，星期四3.3.神经网络自适应控制神经网络自适应控制（1 1 1 1）神经网络自校正控制神经网络自校正控制神经网络自校正控制神经网络自校正控制 1)1)1)1)直接自校正控制直接自校正控制直接自校正控制直接自校正控制 2)2)2)2)间接自校正控制间接自校正控制间接自校正控制间接自校正控制 神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如下图神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如下图神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如下图神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如下图所示。所示。所示。所示。第30页，共46页，编辑于2022年，星期四（2 2）神经网络模型参考控制神经网络模型参考控制 a)a)直接直接模型参考模型参考控制控制 b)b)间接模型参考控制间接模型参考控制第31页，共46页，编辑于2022年，星期四4.4.神经网络内模控制神经网络内模控制 在内模控制中在内模控制中在内模控制中在内模控制中，系统的正向模型与实际系统并联系统的正向模型与实际系统并联系统的正向模型与实际系统并联系统的正向模型与实际系统并联,两者输出之差被用作反馈信号两者输出之差被用作反馈信号两者输出之差被用作反馈信号两者输出之差被用作反馈信号，此反馈信号又由前向通此反馈信号又由前向通此反馈信号又由前向通此反馈信号又由前向通道的滤波器及控制器进行处理。道的滤波器及控制器进行处理。道的滤波器及控制器进行处理。道的滤波器及控制器进行处理。下下下下图给出了内模控制的图给出了内模控制的图给出了内模控制的图给出了内模控制的神经网络实现。其中神经网络实现。其中神经网络实现。其中神经网络实现。其中，被控对象的正向模型及控制器被控对象的正向模型及控制器被控对象的正向模型及控制器被控对象的正向模型及控制器（逆逆逆逆模型模型模型模型）均由神经网络实现均由神经网络实现均由神经网络实现均由神经网络实现，滤波器仍然是常规的线性滤波器仍然是常规的线性滤波器仍然是常规的线性滤波器仍然是常规的线性滤波器滤波器滤波器滤波器。第32页，共46页，编辑于2022年，星期四6.3 专家控制技术6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 专家系统专家系统专家系统专家系统 1.1.1.1.专家系统结构专家系统结构专家系统结构专家系统结构 右图为理想专家右图为理想专家右图为理想专家右图为理想专家系统的结构图，主要系统的结构图，主要系统的结构图，主要系统的结构图，主要包括接口、知识库、包括接口、知识库、包括接口、知识库、包括接口、知识库、黑板、解释器、推理黑板、解释器、推理黑板、解释器、推理黑板、解释器、推理机等部分。机等部分。机等部分。机等部分。第33页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.建造专家系统的步骤建造专家系统的步骤 建立专家系统的步骤一般如下：建立专家系统的步骤一般如下：1 1）设计初始数据库）设计初始数据库 (1)(1)问题知识化问题知识化 (2)(2)知识概念化知识概念化 (3)(3)概念形式化概念形式化 (4)(4)形式规则化形式规则化 (5)(5)规则合法化规则合法化 2 2）原型机的开发与试验）原型机的开发与试验 3 3）知识库的改进与归纳）知识库的改进与归纳第34页，共46页，编辑于2022年，星期四6.3.2 6.3.2 专家控制专家控制介绍介绍 专家控制系统大致可以分为以下几类：专家控制系统大致可以分为以下几类：专家控制系统大致可以分为以下几类：专家控制系统大致可以分为以下几类：1.1.1.1.基于规则的专家自整定控制基于规则的专家自整定控制基于规则的专家自整定控制基于规则的专家自整定控制 基于规则的自整定控制器结构如下图所示。基于规则的自整定控制器结构如下图所示。基于规则的自整定控制器结构如下图所示。基于规则的自整定控制器结构如下图所示。第35页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.2.2.专家监督控制专家监督控制专家监督控制专家监督控制 如下图所示为专家监督控制系统结构框图。如下图所示为专家监督控制系统结构框图。如下图所示为专家监督控制系统结构框图。如下图所示为专家监督控制系统结构框图。3.3.3.3.混合型专家控制混合型专家控制混合型专家控制混合型专家控制4.4.4.4.仿人智能控制仿人智能控制仿人智能控制仿人智能控制第36页，共46页，编辑于2022年，星期四6.3.3 专家控制基本思想 1.1.1.1.专家控制的知识表示专家控制的知识表示专家控制的知识表示专家控制的知识表示 知识表示方法有以下几种知识表示方法有以下几种知识表示方法有以下几种知识表示方法有以下几种:1 1 1 1）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：IF IF IF IF 条件条件条件条件l AND l AND l AND l AND 条件条件条件条件2 AND 2 AND 2 AND 2 AND 条件条件条件条件N N N N THEN THEN THEN THEN 结论或动作结论或动作结论或动作结论或动作 2 2 2 2）框架表示法）框架表示法）框架表示法）框架表示法 3)3)3)3)状态空间表示法：状态空间可表示为三元组状态空间表示法：状态空间可表示为三元组状态空间表示法：状态空间可表示为三元组状态空间表示法：状态空间可表示为三元组 ,其中其中其中其中 表示初始状态集合，表示初始状态集合，表示初始状态集合，表示初始状态集合，表示操作集合，表示操作集合，表示操作集合，表示操作集合，表示表示表示表示目标状态集合。目标状态集合。目标状态集合。目标状态集合。4 4 4 4）混合表示法：混合表示法包括两种结合）混合表示法：混合表示法包括两种结合）混合表示法：混合表示法包括两种结合）混合表示法：混合表示法包括两种结合:框架与规则相结框架与规则相结框架与规则相结框架与规