【教学课件】第七章模糊控制理论.ppt

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1、第七章第七章 模糊控制理论模糊控制理论 第七章第七章 模糊控制理论模糊控制理论 7.1 模糊控制原理模糊控制原理 7.2 模糊控制器的种类和设计模糊控制器的种类和设计 7.3 模糊控制的应用模糊控制的应用 7.4 模糊控制规则的调整模糊控制规则的调整 7.1 模糊控制原理模糊控制原理7.1.1 模糊控制原理模糊控制原理 7.1.2 模糊控制器的基本结构和工作原理模糊控制器的基本结构和工作原理 7.1.1 模糊控制原理模糊控制原理 1974年，英国工程师Mamdani首先把模糊集合用于锅炉蒸气机的控制上，这就标志着模糊控制的诞生。一、模糊化一、模糊化 当用模糊控制器来代替人进行模糊控制时，需要把

2、观测值（通常是精确数字）转化为相应的模糊集合，这个转化就是模糊化。二、模糊控制规则的建立和模糊推理模糊控制规则的建立和模糊推理 通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系，然后根据推理合成规则进行模糊推理，输入语言变量被加到一个ifthen 控制规则的集合中去，把各种规则的结果加在一起产生一个“模糊输出”集合。三、解模糊判决三、解模糊判决 重心法 最大隶属度法 在推理结论的模糊集合中取隶属度最大的那个元素作为输出量即可。系数加权平均法 隶属度限幅元素平均法 用所确定的隶属度值对隶属度函数曲线进行切割，再对切割后等于该隶属度的所有元素进行平均，用这个平均值作为输出，这

3、种方法称为隶属度限幅（-cut）元素平均法。7.1.2 模糊控制器的基本结构与工作原理模糊控制器的基本结构与工作原理 图图7.1 模糊控制器的示意图模糊控制器的示意图 图图7.2 模糊控制器的结构模糊控制器的结构 模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口四部分组成，各部分的作用概述如下。1、模糊化接口（、模糊化接口（Fuzzification）模糊化接口接受的输入只有误差信号et，由et再生成误差变化率 ，或误差的差分et，模糊化接口主要完成以下两项功能。论域变换 模糊化 2、知识库（Knowledge Base）知识库中存贮着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的

4、性能，是模糊控制器的核心。数据库（Data Base）数据库中存贮着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识，包括模糊化中的论域变换方法、输入变量各模糊集合的隶属度函数定义等，以及模糊推理算法、解模糊算法、输出变量各模糊集合的隶属度函数定义等。规则库（Rule Base）模糊控制规则集，即以“ifthen”形式表示的模糊条件语句，如 R1：if et*is A1 and *is B1,then u*is C1,R2：if et*is A2 and *is B2,then u*is C2,Rn：if et*is An and *is Bn,then u*is Cn。其中，et*和e&t*就是前面所

5、说的模糊语言变量，A1，A2，An是et*的模糊子集，B1，B2，Bn是e&t*的模糊子集，C1，C2，Cn是u*的模糊子集。规则库中的n条规则是并列的，它们之间是“或”的逻辑关系，整个规则集的总模糊关系为 3、模糊推理机、模糊推理机(Inference Engine)模糊控制应用的是广义前向推理。在t时刻，若输入量为e*和 *，e*X，*Y，且论域X，Y和Z都是离散的，e*在X上对应矢量A，*在Y上对应矢量B，则推理结果是Z上的矢量C,C=(AB)R 4、解模糊接口、解模糊接口(Defuzzification)解模糊 论域反变换 7.2 模糊控制器的种类和设计模糊控制器的种类和设计 7.2.

6、1 模糊控制器的分类模糊控制器的分类 7.2.2 模糊控制器的主要设计因素模糊控制器的主要设计因素 7.2.1 模糊控制器的分类模糊控制器的分类 一、一、D-FC和和C-FC 模糊控制器可以分成D-FC（离散论域的模糊控制器）和C-FC（连续论域的模糊控制器）两大类。二PD，PI，PID型的模糊控制器型的模糊控制器 PID（Proportional Integral Differential）控制是最常用的经典控制方法，控制作用u由偏差e的比例、积分、微分三项之和给出，PD型的模糊控制器输入是e和 ，输出是u，模糊控制器的功能可看作是一个非线性函数 PI型的模糊控制器如果输入仍为e和 ，但输出

7、改为控制的增量 ，则模糊控制器可表示为 上式两边对t积分可得 PID型的模糊控制器 同样的道理，PID型的模糊控制器有两种实现方法，即 7.2.2 模糊控制器的设计方法模糊控制器的设计方法 在设计模糊控制器时需要考虑以下几个方面：选择合适的模糊控制器类型。确定输入输出变量的实际论域。确定e,e,u的模糊集个数及各模糊集的隶属度函数。输出隶属度函数选为单点，可使解模糊简单。设计模糊控制规则集。选择模糊推理方法。解模糊方法。7.3 模糊控制的应用模糊控制的应用 7.3.1 蒸汽发动机的模糊控制系统蒸汽发动机的模糊控制系统 7.3.2 还原炉温度的模糊控制系统还原炉温度的模糊控制系统 7.3.1 蒸

8、汽发动机的模糊控制系统蒸汽发动机的模糊控制系统图图7.3 蒸汽机和锅炉模糊控制系统蒸汽机和锅炉模糊控制系统 (1)模糊控制器的结构模糊控制器的结构 模糊控制器采用以下6个模糊变量：PE（Pressure Error）压力误差 SE（Speed Error）速度误差 CPE（Change in Pressure Error）压力误差的变化 CSE（Change in Speed Error）速度误差的变化 HC（Heat Change）热量变化 TC（Throttle Change）油门变化 其中PE，SE，CPE及CSE为输入模糊变量，而HC及TC为输出模糊变量。(2)模糊变量的论域及其隶属度

9、函数模糊变量的论域及其隶属度函数 把误差（PE，SE）论域量化为14档，即-6,-5,-1,-0,+0,+1,+2,+6 选择误差变量的模糊子集，即PL(正大),PM(正中),PS(正小),PZ(正零),NZ(负零),NS(负小),NM(负中),NL(负大)。表表7.1 误差模糊变量的赋值表误差模糊变量的赋值表-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6PL00000000000.1 0.4 0.8 1.0PM0000000000.2 0.7 1.0 0.7 0.2PS00000000.3 0.8 1.0 0.5 1.000PZ00000001.0 0.6 0.10000NZ000

10、00.1 0.6 1.00000000NS000.1 0.5 1.0 0.8 0.30000000NM0.2 0.7 1.0 0.7 0.2000000000NL1.0 0.8 0.4 0.10000000000 表表7.2 模糊变量的隶属度函数模糊变量的隶属度函数 模糊子集模糊子集 表达式表达式 PL1-exp-(0.5/|1-x|)2.5PM1-exp-(0.25/|0.7-x|2.5)PS1-exp-(0.25/|0.4-x|2.5)PZExp-5|x-0.05|NZExp-5|x+0.05|NS1-exp-(0.25/|-0.4-x|2.5)NM1-exp-(0.25/|-0.7-x|

11、2.5)NL1-exp-(0.5/|-1-x|)2.5表表7.3 误差变化模糊变量的赋值表误差变化模糊变量的赋值表-6-5-4-3-2-1+0+1+2+3+4+5+6PL0000000000.10.40.81.0PM000000000.20.71.00.70.2PS00000000.91.00.70.200Z000000.51.00.500000NS000.20.71.00.90000000NM0.20.71.00.70.200000000NL1.00.80.40.1000000000表表7.4 热量变化模糊变量赋值表热量变化模糊变量赋值表-7-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6

12、+7PL000000000000.10.40.81.0PM0000000000.20.71.00.70.20PS00000000.41.00.80.40.1000Z0000000.21.00.2000000NS0000.10.40.81.00.40000000NM00.20.71.00.70.2000000000NL1.00.80.40.100000000000 表表7.5 油门变化的模糊变量赋值表油门变化的模糊变量赋值表-2-10+1+2PL0000.51.0PS000.51.00.5Z01.00.500NS0.51.00.500NL1.00.5000 (3)模糊控制规则模糊控制规则 两个控

13、制环分别制定两套模糊控制规则如下：压力控制规则 if PE=NL then if CPE=not(NL or NM)then HC=PL or if PE=(NL or NM)then if CPE=NS then NC=PM or if PE=NS then if CPE=(PS or NZ)then HC=PM or if PE=NZ then if CPE=(PL or PM)then HC=PM or if PE=NZ then if CPE=(NL or NM)then HC=NM or if PE=(PZ or NZ)then if CPE=NZ then HC=NZ or if

14、PE=PZ then CPE=(NL or NM)then HC=PM or if PE=PZ then if CPE=(PL or PM)then HC=NM or if PE=PS then if CPE=(PS or NZ)then HC=NM or if PE=(PL or PM)then if CPE=NS then HC=NM or if PE=PL then if CPE=not(NL or NM)then HC=NL or if PE=NZ then if CPE=PS then HC=PS or if PE=NZ then if CPE=NS then HC=NS or if

15、 PE=PZ then if CPE=NS then HC=PS or if PE=PZ then if CPE=PS then HC=NS 速度控制规则 if SE=NL then if CSE=not(NL or NM)then TC=PL or if SE=NM then if CSE=(PL or PM or PS)then TC=PS or if SE=NS then if CSE=(PL or PM)then TC=PS or if SE=NZ then if CSE=PL then TC=PS or if SE=(PZ or NZ)then if CSE=(PS or NS or

16、 NZ)then TC=NZ or if SE=PZ then if CSE=PL then TC=NS or if SE=PS then if CSE=(PL or PM)then TC=NS or if SE=PM then if CSE=(PL or PM or PS)then TC=NS or if SE=PL then if CSE=not(NL or NM)then TC=NL (4)模糊控制的结果模糊控制的结果 图图7.4 阶跃响应曲线阶跃响应曲线 7.4 模糊控制规则的调整模糊控制规则的调整 7.4.1 带有修正因子的模糊控制器带有修正因子的模糊控制器 7.4.2 自适应模糊控制器自适应模糊控制器