模糊控制的理论基础精选PPT.ppt

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1、模糊控制的理论基础第1页，此课件共79页哦水塔水位控制 p1731、if（level is okay）then valve is no_change）12、if（level is low）then（valve is open_fast)3、if（level is high）then（valve is close_fast)4、if（level is okay）and(rate is positive)then（valve is open_slow)5、if（level is okay）and(rate is negative)then（valve is open_fast)第2页，此课件共79

2、页哦控制的本意：为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。自动控制自动控制 :在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称 ）,使机器、设备或生产过程（使机器、设备或生产过程（）的某个工作状态或参）的某个工作状态或参数（即数（即 ）自动地按照预定的规律运行。）自动地按照预定的规律运行。控制的定义例例例例1.1.1.1.钢铁轧制钢铁轧制钢铁轧制钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板轧出厚度一致的高精度铁板轧出厚度一致的高精度铁板轧出厚度一致的高精度铁板温度控制温度控制温度控制温度控制,生铁成分控制生铁成分控制生铁成分控制生铁

3、成分控制,厚度控制厚度控制厚度控制厚度控制,张力控制张力控制张力控制张力控制,等等。等等。等等。等等。例例例例2.2.2.2.程控机床程控机床程控机床程控机床:自动进刀切削，加工出预期的几何形自动进刀切削，加工出预期的几何形自动进刀切削，加工出预期的几何形自动进刀切削，加工出预期的几何形状状状状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。等等。等等。等等。控制装置或控制器控制装置或控制器控制装置或控制器控制装置或控制器被控对象被控对象被控对象被控对象被控量被控量被控量被控量第3页，此课件

4、共79页哦模糊控制(1/10)l模糊控制与传统控制的差异：l传统控制的设计，以数学模型来描述受控系统。l模糊控制的设计，只需对系统的操作法则定义区分清楚即可，经过反复的误差修正就可以达到控制结果。第4页，此课件共79页哦模糊控制(2/10)1.模糊控制系統我们关注的控制系统一般指的是反馈控制系统，利用误差（e）和误差的变化率来控制系统。第5页，此课件共79页哦模糊控制(3/10)2.模糊控制器架构模糊化模糊推理（控制规则）反模糊化误差误差变化量模糊化控制信号明确控制信号模糊化誤差模糊化误差变化量第6页，此课件共79页哦三类模糊推理器：1、mamdani型模糊器：用max min运算做推理的运算

5、的模糊推理器。2、larsen型模糊推理器：用乘积算法做模糊蕴含规则的模糊推理器。3、Sugeno型模糊推理器：（0阶和1阶）多条规则合成：第7页，此课件共79页哦MATLAB及其应用 Matlab自身的优越性使其推出后得到各个领域专家学者的广泛关注，各个领域的专家学者相继推出了Matlab工具箱，其中主要有信号处理、控制系统、神经网络、模糊控制、最优系统、系统辨识、通信、图形图像处理、小波分析和样条等工具箱，而且工具箱还在不断增加和完善，这些工具箱给各个领域的工程研究和应用提供了有力的工具。并且，随着计算机软硬件的更新及升级，Matlab这套软件的功能也变得越来越强大与实用，尤其是Simul

6、ink工具平台的出现，使得各个系统的设计和仿真变得相当容易和直观。第8页，此课件共79页哦GUI工具anfisedit打开ANFIS编辑器的GUI(图形用户界面)fuzzy调用基本的FIS编辑器 mfedit隶属度函数编辑器 ruleedit规则编辑器和解析器 ruleview规则观察器和模糊推理方框图 surfview输出曲面观察器 第9页，此课件共79页哦模糊控制系统实例p191Ball Juggler（slbb）魔法小球 Inverse kinematics(invkine)机器人手臂的往复运动 Defuzzification Methods 去模糊化方法 MF gallery 各种模糊

7、函数 Water Tank（sltank）水箱控制 Water Tank with Rule Viewer带观测器的水箱控制 Cart and Pole(slcp)小车上的单摆Cart and two Poles(slcpp1)小车上的双摆 Backing Truck(sltbu)卡车倒车 Shower Model(shower)淋浴温控模型第10页，此课件共79页哦Matlab在仿真中的应用lSimulink快速入门Simulink是一种利用matlab开发的系统仿真软件工具。用来提供系统级的建模和仿真工作平台。它可以建模和仿真线形系统、非线性系统、连续(模拟)系统、离散系统和各类系统的混合

8、系统。可以用动画来观察仿真过程。Simulink是一种工程人员适用的高级仿真工具软件。p177第11页，此课件共79页哦Simulink仿真环境lFilenewmodel新建模型lFileopen打开.mdl文件，打开一个模型。lSimulink打开simulink库，库中有各种仿真可用的元件。包含许多子库（continuous、discrete、function&table、math、nonlinear、signal&system、sinks、sources。）lMatlab能用仿真解决的问题，基本上取决于simulink库。l与模糊控制有关的元件库是fuzzy logic toolbox。

9、第12页，此课件共79页哦应用举例lMissile Guidance Systemldblcart1（双质量-弹簧系统）l建立一个最简单的系统l单质量弹簧系统 M第13页，此课件共79页哦水箱h第14页，此课件共79页哦建立一个复杂的系统l生长在罐中的微生物模型。lVan de pol方程第15页，此课件共79页哦子系统及其封装技术l压缩子系统l创建子系统l建立三辆小车的弹簧质量系统第16页，此课件共79页哦模糊控制具体过程l（以sltank为例）l1、建立被仿真物遵循的数学模型。l2、用simulink表现出上面的模型l3、收集人如何控制系统的经验（输入概念、输出概念、推理规则）l4、建立F

10、IS系统表达出这种经验l5、把这些子系统连起来仿真分析第17页，此课件共79页哦微分方程的建立l列写系统微分方程的一般步骤为：确定系统的输入、输出变量；从输入端开始，按照信号的传递顺序，依据各变量所遵循的物理、化学等定律，列写各变量之间的动态方程，一般为微分方程组；消去中间变量，得到输入、输出变量的微分方程；标准化：将与输入有关的各项放在等号右边，与输出有关的各项放在等号左边，并且分别按降幂排列，最后将系数归化为如时间常数等反映系统动态特性的参数。第18页，此课件共79页哦电阻电阻电容电容电感电感电学：欧姆定理、基尔霍夫定律。微分方程的建立（电学）第19页，此课件共79页哦Example 1l

11、解：设回路电流为i，根据基尔霍夫定理：l消去中间变量i，可以得到：第20页，此课件共79页哦Example 2l列写如下图所示RC网络的微分方程。给定输入电压为系统的输入量，电容上的电压为系统的输出量。l解：设回路电流分别为i1、i2，由基尔霍夫定理得：由基尔霍夫电流定律，电容C1 中的电流为i1-i2，C2为i2，所以第21页，此课件共79页哦第22页，此课件共79页哦机械运动：牛顿定理、能量守恒定理阻尼 B质量 M弹簧 K微分方程的建立（机械运动）第23页，此课件共79页哦1 1）微分方程的系数取决于系统的结构参数）微分方程的系数取决于系统的结构参数2 2）阶次等于独立储能元件的数量）阶次

12、等于独立储能元件的数量！静止（平衡）工作点作为零点，以消除重力的影响。Example 3第24页，此课件共79页哦Example 4第25页，此课件共79页哦第26页，此课件共79页哦微分方程的求解l建立控制系统微分方程的目的之一是为了用数学方法定量研究控制系统的工作特性。当写出系统的微分方程以后，只要给出输入量和初始条件，便可以对微分方程求解，并由此了解系统输出量随时间变化的特性。l线形定常系统的求解方法有：经典法和拉氏变换法。l求解线性定常微分方程的过程可归结为：（1）考虑初始条件，对微分方程中的每一项分别进行拉氏变换，将微分方程转变为变量的代数方程。（2）有代数方程求出输出量拉氏变换函数

13、的表达式。（3）对输出量拉氏变换函数求反变换，得到输出量的时域表达式，即微分方程的解。第27页，此课件共79页哦则函数f(t)的拉普拉氏变换存在，并定义为：式中：s=+j（，均为实数）；F(s)称为函数f(t)的拉普拉氏变换或象函数，;f(t)称为F(s)的原函数，L为拉氏变换的符号。设函数设函数f(t)满足：满足：1）f(t)实函数；2）当t0时，f(t)=0；3）当t0时，f(t)的积分 在s的某一域内收敛拉普拉斯变换第28页，此课件共79页哦l拉氏反变换的定义l其中L1为拉氏反变换的符号。第29页，此课件共79页哦指数函数的拉氏变换指数函数的拉氏变换第30页，此课件共79页哦（尤拉公式）

14、三角函数的拉氏变换第31页，此课件共79页哦洛必达法则单位脉冲函数拉氏变换第32页，此课件共79页哦单位阶跃函数的拉氏变换第33页，此课件共79页哦斜坡函数单位速度函数的拉氏变换第34页，此课件共79页哦抛物线函数单位加速度函数拉氏变换第35页，此课件共79页哦幂函数的拉氏变换第36页，此课件共79页哦线性定理线性定理微分定理微分定理积分定理积分定理位移定理位移定理延时定理延时定理卷积定理卷积定理初值定理初值定理终值定理终值定理2.2.3拉氏变换的定理第37页，此课件共79页哦拉氏反变换l部分分式法Matlab中利用r,p,k=residue(num,den)l留数法第38页，此课件共79页哦

15、Example 5l已知 ，且电容上初始电压 ，初始电流 ，电源电压 。试求电路突然接通时，电容电压的变化规律。l解：由例1中求得系统的微分方程：第39页，此课件共79页哦第40页，此课件共79页哦Example 6第41页，此课件共79页哦控制系统的复域数学模型（传递函数）第42页，此课件共79页哦定义：定义：在零初始条件(输入量施加于系统之前，系统处于稳定的工作状态，即t 0 时，输出量及其各阶导数也均为0)下，线性定常系统输出量的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏变换之比。系统系统(或环节或环节)的输入量的输入量系统系统(或环节或环节)的输出量的输出量1传递函数的定义第43页，此课件共7

16、9页哦初始条件为零时微分方程拉氏变换系统的传递函数!传递函数的直接计算法系统传递函数的一般形式对于线性定常系统第44页，此课件共79页哦l传递函数的性质：传递函数是复变量的有理分式；传递函数只与系统的结构和参数有关，与系统的输入无关；传递函数与系统的微分方程相联系，两者可以相互转换，即 与 替换；传递函数是系统脉冲响应的拉氏变换，当系统在单位脉冲响应 的作用下，那么 ，所以脉冲相应的输出 。传递函数与平面上一定的零极点图相对应。不同的系统可能有相同的传递函数 第45页，此课件共79页哦N(s)=0 N(s)=0 系统的系统的特征方程特征方程，特征根特征根 特征方程决定着系统的动态特性。特征方程

17、决定着系统的动态特性。N(s)N(s)中中s s的最高阶次等于系统的阶次。的最高阶次等于系统的阶次。！从微分方程的角度看，此时相当于所有的导数项都为零。！从微分方程的角度看，此时相当于所有的导数项都为零。K K 系统处于静态时，输出与输入的比值。系统处于静态时，输出与输入的比值。当当s=0s=0时时系统的系统的放大系数放大系数或或增益增益2传递函数的零极点及其对输出的影响有理分式形式有理分式形式第46页，此课件共79页哦M(s)=b0(s-zM(s)=b0(s-z1 1)(s-z)(s-z2 2)(s-z)(s-zmm)=0)=0的根的根s=zs=zi i(i=1,2,m)(i=1,2,m)，

18、称为传递函数的零点。，称为传递函数的零点。N(s)=aN(s)=a0 0(s-p(s-p1 1)(s-p)(s-p2 2)(s-p)(s-pn n)=0)=0的根的根s=pj(j=1,2,n)s=pj(j=1,2,n)，称为传递函数的极点。，称为传递函数的极点。！系统传递函数的极点就是系统的特征根。！系统传递函数的极点就是系统的特征根。！零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。！零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。零点和极点零极点形式零极点形式第47页，此课件共79页哦传递函数的零、极点分布图：将传递函数的零、极点表示在复平面上的图形。零点用“O”表示极点用“”表示零、极点分布图第48

19、页，此课件共79页哦比例环节比例环节一阶微分环节一阶微分环节二阶微分环节二阶微分环节积分环节积分环节惯性环节惯性环节振荡环节振荡环节延迟环节延迟环节！串联纯微分环节纯微分环节时间常数形式时间常数形式第49页，此课件共79页哦2）传递函数的零极点对输出的影响l由于传递函数的极点就是系统微分方程的特征根，因此它们决定了所描述系统自由运动的模态，而且在强迫运动中（即零初始条件响应）也会包含这些自由运动的模态。第50页，此课件共79页哦第51页，此课件共79页哦l传递函数的零点不形成自由运动的模态，但它却影响各模态响应中所占的比重，因而也影响响应曲线的形状。第52页，此课件共79页哦l零点距极点的距离

20、越远，该极点所产生的模态所占比重越大l零点距极点的距离越近，该极点所产生的模态所占比重越小l如果零极点重合该极点所产生的模态为零，因为分子分母相互抵消。第53页，此课件共79页哦 例例 系统如图，被控对象微分方程为系统如图，被控对象微分方程为求系统传递函数求系统传递函数F(F(s)。解解.(1)(1)求求G0(s)(2)(2)由运放由运放 第54页，此课件共79页哦 整理得整理得 第55页，此课件共79页哦问题的提出n对于一个简单的元件或系统，若要求取它的传递函数可先列写出它们的微分方程，然后在零初始条件下，求出传递函数。但如果系统较复杂，中间变量较多，则列写它们的微分方程就很困难，从而求传递

21、函数也就不简单。n复杂系统都由基本元件组成，那么有哪些基本元件呢？n有没有简便的求取方法呢？一种简便的方法就是利用结构图或信号流图。控制系统的结构图或信号流图都是描述系统各元部件之间信号传递的数学图形，它们表示了系统中各变量之间的因果关系以及对各变量所进行的运算。结构图或信号流图的本质是代数方程组各变量之间的关系的一种图形表示。n下面我们分别来讨论第56页，此课件共79页哦运动方程式：运动方程式：传递函数：传递函数：K K 环节的放大系数环节的放大系数例例例例1 1 1 1：齿轮传动：齿轮传动：齿轮传动：齿轮传动例例例例2 2 2 2：晶体管放大器：晶体管放大器：晶体管放大器：晶体管放大器3典

22、型元部件的传递函数比例环节第57页，此课件共79页哦齿轮传动第58页，此课件共79页哦共射极晶体管放大器第59页，此课件共79页哦运动方程式：运动方程式：传递函数：传递函数：K K环节的放大系数环节的放大系数T T环节的时间常数环节的时间常数!储能元件储能元件！输出落后于输入量，！输出落后于输入量，不立即复现突变的输不立即复现突变的输入入例例例例1 1 1 1：弹性弹簧：弹性弹簧：弹性弹簧：弹性弹簧例例例例2 2 2 2：RCRCRCRC惯性环节惯性环节惯性环节惯性环节惯性环节第60页，此课件共79页哦弹性弹簧第61页，此课件共79页哦RC电路第62页，此课件共79页哦运动方程式：传递函数：K

23、 环节的放大系数！记忆！积分输入突然除去积分停止输出维持不变例1：电容充电例2：积分运算放大器积分环节第63页，此课件共79页哦如当输入量为常值如当输入量为常值 A A 时，输出量须经过时间T才能达到输入量在t=0时时的值的值A A。！改善系统的稳态性能！改善系统的稳态性能第64页，此课件共79页哦电容充电第65页，此课件共79页哦积分运算放大器第66页，此课件共79页哦理想微分理想微分实际微分实际微分惯性惯性T T 0 0KT KT 有限有限运动方程式：运动方程式：传递函数：传递函数：传递函数：传递函数：例例1 1：测速发电机：测速发电机例例2 2：RCRC微分网络微分网络例例3 3：理想微

24、分运放：理想微分运放例例4 4：一阶微分运放：一阶微分运放微分环节第67页，此课件共79页哦!无负载时测速发电机第68页，此课件共79页哦RCRC微分网络微分网络第69页，此课件共79页哦理想微分运算放大器理想微分运算放大器第70页，此课件共79页哦一阶微分运算放大器一阶微分运算放大器第71页，此课件共79页哦不同形式不同形式储能元件储能元件能量转换能量转换振荡振荡运动方程式：运动方程式：传递函数：传递函数：环节的阻尼比环节的阻尼比K K环节的放大系数环节的放大系数T T 环节的时间常数环节的时间常数00 1 1 产生振荡产生振荡1 1 两个串联的惯性环节两个串联的惯性环节例例1 1：机械平移

25、系统：机械平移系统例例2 2：RLCRLC串联网络串联网络振荡环节第72页，此课件共79页哦机械平移系统第73页，此课件共79页哦RLCRLC串联网络电路串联网络电路第74页，此课件共79页哦运动方程式：运动方程式：传递函数：传递函数：1 1 两个串联的一阶微分环节两个串联的一阶微分环节 环节的阻尼比环节的阻尼比K K 环节的放大系数环节的放大系数T T 环节的时间常数环节的时间常数二阶微分环节第75页，此课件共79页哦运动方程式：传递函数：环节的时间常数环节的时间常数超越函数近似处理例1：水箱进水管的延滞滞后环节第76页，此课件共79页哦l惯性环节从输入开始时刻起就已有输出，仅由于惯性，输出要滞后一段时间才接近所要求的输出值。l延迟环节从输入开始之初，在0 时间内没有输出，但t=之后，输出完全等于输入。延迟环节与惯性环节的区别第77页，此课件共79页哦水箱进水管的延滞水箱进水管的延滞第78页，此课件共79页哦系统建立过程第79页，此课件共79页哦