2022年智能控制讲义第三章模糊控制的数学基础.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆第 3 章 模糊掌握的数学基础3.1 概述模糊数学为模糊系统与模糊掌握的进展供应了起点和基本语言;模糊数学本 身就是一个庞大的领域, 其原理是由用模糊集合的概念取代经典数学理论中的集 合概念而进展来的;依据这种方式,全部的经典数学分支都可以被“ 模糊化”,于是产生了模糊测度理论、模糊拓扑、模糊算数和模糊分析等等分支;明显,模糊数学中仅有一部分可以应用到工程中去;所用到的相关内容;本章仅仅介绍后续模糊掌握器设计中在现实生活中, 人们接触过很多概念; 任何一个概1 A u 念都有着其内涵和外延; 概念的内涵是这一概念的本质
2、属性,而概念的外延是指符合这一概念的对象范畴;当我们谈论某一个概念的外延时, 总离不开肯定的争论范围;如我们争论 “ 工业掌握运算机” 这一概念时,自然我们不会去考虑那些风马牛不相及的事物,如汽车、机0 a A b u 图 3-1 Contor 集合的特点函床或老鼠、 大象等;我们争论的这个范畴称为 “ 论域” ,论域中的每个对象称为“ 元素”;而具有某些特定属性的元素的全体构成了该论域上的一个集合;对于这些明 确的概念,我们可以用德国数学家康托 Contor Georg, A u 1845-1918提出的经典集合来表示; 对于这种具有明确 外延的概念, 即对于一个详细的对象来说, 它要么属于
3、 这个概念的范畴, 要么不属于这个概念的范畴; 集合的 特点函数描述了这个明确的外延;然而,在现实生活中,有很多问题不能用Contor图 3-2 模糊集合的特点函数集合来描述, 即,这些概念没有明确的外延; 这种没有 明确外延的概念我们称之为模糊概念;如,青年人、老年人、高个子、好人等概念;1965 年美国自动掌握理论专家 类概念的描述;模糊集合理论将L.A.Zadeh 提出了模糊集合理论, 解决了对这 Contor 集合论中的概念拓展,即,把特点函数的取值范畴从 0,1 扩充到 0,1,不再把论域中的某个对象说成是属于这个集 合仍是不属于这个集合,而是说某个对象隶属于这个集合的程度是多少;名
4、师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆3.2 一般集合及其运算性质一、集合的基本概念 表 3-1 给出了一般集合的最基本概念;1 论域表 3-1 集合的基本概念由被考虑对象的全部元素的全体组成的基本集合称为论域,用大写字母 U、E 等表示;2 元素论域中的每个对象,称为元素,用小写字母a、b 等表示;给定一个论域,其中具有某种共同属性的、确定的、彼此间可以区分的元素的全体称为集合;它是指具有同一本质属性的全体事物的总和,用3 集合大写字母 A、B 等表示;对于论域 U 中的元素 a 及任意一个集
5、合于与不属于,表示为aA,或aA;A,它们的关系只有两种,属4 空集集合中不包含任何元素,这样的集合称为空集,表示为 ;5 全集集合中包含论域里的全部元素,这样的集合称为全集,表示为E;6 包含设 A、B 是论域 U 的两个集合,如xAxB,就称集合B 包含集合 A,表示为BA,或称 A 包含于 B,表示为AB;7 相等设 A、B 是论域 U 的两个集合,如AB与BA同时成立,就称A=B,表示为AB;8 子集设 A、B 是论域 U 的两个集合,如集合B 中的全部元素是由集合A 中的部分元素或全部元素组成,就称集合 B 是集合 A 的子集; 表示为BA幂集或AB;空集是任意集合的子集;9 给定集
6、合 A,以它的全体子集为元素组成的集合称为A 的幂集;表示为 P(A),即, P(A)= B 是 A 的子集 ;10 并集设有任意两个集合A 和集合 B,如集合 C 是由全部属于集合A 或集合B 的元素组成的集合,就C 称为 A 和 B 的并集;表示为:AB,并被11 交集定义为:CABxxA xB ;设有任意两个集合A 和集合 B,如集合 C 是由同时属于集合A 和集合B 的元素组成的集合,就C 称为 A 和 B 的交集;表示为:AB,并被定义为:CABxxA xB ;设集合 A 为论域 E 上的一个集合, 由论域 E 中不属于 A 的全部元素组名师归纳总结 12 补集成 的 集 合 称 为
7、A的 补 集 ; 表 示 为 :Ac; 定 义 为 :第 2 页,共 25 页AcEAxxA xE;- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆幂集举例:设集合 A=3 ,6,8 ,求其对应的幂集;解:依据幂集的定义,可知集合 A 的幂集为P(A)= ,3 ,6 ,8 ,3 ,6 ,3,8 ,6 ,8 ,3 ,6,8 ,即集合 A 的幂集有 8 个元素;二、集合的运算性质 设集合 A、B、C. E,其交、并、补运算具有如下性质:1 幂等律:表 3-2 集合运算性质AA=A, AA=A;2 交换律:AB= BA, AB= BA;3 结合律
8、:(AB) C=A( BC),(AB) C=A(BC);4 安排律:A( BC)=(AB)(AC),A(B C) =(AB)( AC);5 同一律:A =,A=A,AE=A,AE=E;6 吸取律:A( BA)=A,A(BA)=A;7 互补律:AAc= ,AAc=E;8 仍原律:(Ac)c=A;9 对偶律:(AB)c=A cB c,(AB)c=A cB c;三、集合的表示方法下面给出集合常用的表示方法;1 列举法 当集合中的元素个数为有限时,可将其中的元素一一列出,例如:A= a, b, c, d ,表示集合 A 由 4 个元素构成;2 描述法 当集合中的元素数目为无限时,可通过元素的定义来表示
9、集合;例如:A= x | px ,(3-1)表示由满意 px的全部 x 构成集合 A;3 特点函数法名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆设 A 是论域 U 上的集合,记Ax,0 when xA(3-2),1 when xA为集合 A 的特点函数;4 文氏图法 用任意一个封闭的图形如圆、椭圆、矩形等表示一个集合;例如图 3-3 表示 了论域 U 上集合 A、B 及其它们的交与并;U A AB图 3-3 文氏图法B A B3.3 模糊集合论基础一、模糊集合(一)模糊集合的概念依据集合的概念,我们
10、知道,对于任意一个一般集合A 而言,其论域中的元素 x 要么属于这个集合,此时Ax 1,要么不属于该集合,此时A x 0,即存在非此即彼的概念;然而,在现实生活中,有大量的事物具有模糊的特点,无法用一般集合来描述;例如,“ 中年人” ,就是一个模糊概念;由于“ 中年人” 这个概念涉及两个问题: 中年人的外延问题, 即,年龄界限是多少?当一个人的年龄在这个界限内,那么他是否完全属于中年人的范畴?对于这样的问题,不同的人完全可以给出不同的回答;现在,假设中年人的年龄界限为35-50;如有 3 个人的年龄分别是 36、45、55,那么他们三人属于中年人的程度是否一样?通常,人们会认为 45 岁相对于
11、 36 岁其隶属于中年人的程度要大;而对于55 岁的人,尽管他已经开头进入老年,但他同时仍旧隶属于中年人,仅仅相对于 45 岁的人而言,其隶属程度比较小而已;由此,我们可以发觉,前面假设的中年人年龄界限 35-50岁,实际应用中是不能够精确描述人们的熟悉和观念的,用大致为 35-50 岁左右来描述中年人的年龄界限(没有清楚的外延)好像更合理;因此,对于一个模糊名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆概念来说,其特点是外延不清楚;又如,概念“ 头发多”,也是一个模糊概念,单位面积上究竟有多少根头发
12、时才可以称为头发多呢?假设每平方厘米有 200 根头发时为多,那当一个人他的头发是平均每平方厘米199 根,那他的头发仍多仍是少呢?而对于此类问题在实际中也不行能去精确量化;诸如此类的这种模糊概念在日常生活中处处可以碰 到;为此,凡是外延不明确的集合都称之为模糊集合;由于模糊集合往往是某个论域的子集,所以,在争论模糊集合时,经常称它为模糊子集;通常用大写字母下加或上加波浪线来表示;如:A, B;(二)隶属度对于模糊概念不能用一般集合的属于与不属于来描述,必需通过反映某个元素 x 属于模糊集合 A的程度的隶属函数 A x 来描述;A x 表示元素 x 属于模糊集合 A的隶属度,A x 取值范畴在
13、 0,1之间;例 3-1 以年龄为论域,设 E=0,100,Zadeh 给出了模糊集合青年人 A的隶属函数为:1 , 0 x 25 A x x 125 2 , 25 x 100(3-3)15其中, x 代表年龄,当 x 分别为 26、35、55 时,通过上式运算可得到这三个年龄的人分别隶属于模糊集合青年人 A的隶属度为:A 26 .0 96 A 35 0 . 2 A 55 .0 03留意:由描述模糊集合青年人 A的隶属度函数式( 4-3)可知, 0 至 25 岁隶属于模糊集合青年人 A的隶属度均为 1 明显是不尽合理; 这说明该隶属度函数的构造不能够很好地描述青年人这一模糊概念,如修改此隶属函
14、数为下式:x 25 2A x e 10,(3-4)就 4、10、18、25、35 和 55 岁的人隶属于模糊集合青年人 A的隶属度分别为:A 4 0 . 02,A 10 0 . 1 0 5,A 18 .0 613,A 25 1 . 0,A 35 .0 368,A 55 0 . 0 0 0 1;(三)模糊集合的表示方法名师归纳总结 1 Zadeh表示法x 1,x 2,xn时,模糊集合 A可表示为第 5 页,共 25 页(1)论域 U 为离散有限域- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆A Ax 1 Ax 2 Axnin Axi, (3
15、-5)x 1x2xn1x i式中,A x 1并不代表 “ 分数” ,而是表示论域中素ix 属于模糊集合 A 的隶属x 1度 Ax i 和元素 ix 之间的对应关系,称为“ 单点”而是表示论域 U 上全部元素及其隶属于模糊集合;同样“ +” 也不表示“ 求和” ,A的隶属度的总体关系;假如某项的隶属度为零,就该项可不写入;该方法简洁、有用;但它只适用于论域为 有限的情形;(2)假如论域 U 为无限域时,可将式( 3-5)推广到一般形式,如式( 3-6)所示:A U Ax i,(3-6)xi式中,积分符号也不表示求和运算, 而是用来表示各元素与隶属度对应关系的一个总和;2 向量表示法x 1,x 2
16、,xn时,U 上的模糊集合 A仍可以表示成向当论域 U 为离散有限域量形式,即 A Ax 1 Ax 2 Axn;(3-7)但应留意:向量表示法中隶属度为零的项不能省略;例 3-2设某设备运行速度的论域为V;U=200,400,600,800,1000,1200,1400,单位为 r/min,“ 速度高” 是一个模糊概念, “ 速度高” 表示一个模糊集合用 Zadeh表示法表示如下: V002.0 .40.60 .811;200400600800100012001400去掉隶属度为零对应的元素项,又可表示为:V 0 .20.406.0.811;400600800100012001400用向量表示
17、法表示为:V=0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.0 ;此时,对应隶属度为零的元素项不行省略;3 隶属函数表示法A x 来描述,它表示元素x 隶属于模糊集合A模糊集合仍可以用隶属函数的隶属程度;名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学而不思就惘,思而不学就殆例如例 3-1 中的 Ax1x1 12,0x2525x100255和 Ax ex252,10给出了模糊集合青年人A的隶属函数,用以描述该集合的特点;4 用序偶形式表示设论域 U 为离散有限域 x 1 , x 2 , , x n 时,模糊集合 A可表示为A
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