智能控制技術(shù)中國計量學(xué)院自動化教研室謝 敏 1智能控制技術(shù)第第3 3章章 模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)3.1 模糊控制系統(tǒng)的組成原理；3.2 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計；3.3 模糊控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計實例。23.1 模糊控制系統(tǒng)的組成原理一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念在自動控制技術(shù)產(chǎn)生之前，人們只能采用手動控制方式；由于生產(chǎn)力的發(fā)展，人們逐漸采用各種自動裝置來部分代替人眼（測量）、腦（控制）、手（執(zhí)行）的作用。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理3一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念經(jīng)典控制理論對解決線性定常系統(tǒng)的控制問題很有效；現(xiàn)代控制理論在解決線性或非線性、定常或時變系統(tǒng)的控制問題方面，獲得了廣泛應(yīng)用。以上方法，都需要事先知道被控對象的精確模型，根據(jù)模型及給定性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理4一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念在客觀的現(xiàn)實世界里，許多對象建立精確數(shù)學(xué)模型是很困難的或根本不可能的，對這類對象，很難用上述方法進(jìn)行自動控制；相反，對于某些復(fù)雜對象，有經(jīng)驗的操作人員進(jìn)行手動控制，卻可以收到令人滿意的效果。面對這樣的事實，人們重新研究人的控制行為的特點，力圖讓計算機(jī)模擬人類控制的特點。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理5一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的組成：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理測量變送器期望值R_偏差E控制器執(zhí)行器被控對象干擾D測量值ZA/DD/A6一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念1、模糊控制系統(tǒng)的定義：模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言變量及模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的負(fù)反饋閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理7二、模糊控制系統(tǒng)的組成2、模糊控制系統(tǒng)的組成：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理測量變送器期望值R_偏差E模糊控制器執(zhí)行器被控對象干擾D測量值ZA/DD/A8二、模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)的組成：被控對象：難以建模的對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器：FLC(Fuzzy Logic Controller)輸入/輸出接口：模糊化與反模糊化環(huán)節(jié)測量裝置3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理9一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3、模糊控制系統(tǒng)的工作原理：例：人用手控制竹竿直立不倒。方法：一邊用眼觀察，一邊用手運動。規(guī)則：竹竿前傾，手向前動，傾一點，動一點，傾得多，動得多；竹竿后倒，手后退。人的控制過程：偏差 判斷 決策 動作3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理觀察推理（大、中、?。ㄇ?、中、后）10一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念3、模糊控制系統(tǒng)的工作原理：計算偏差信號E；將E經(jīng)模糊化后變成模糊量，用相應(yīng)模糊語言表示；將E和推理規(guī)則進(jìn)行合成，得到輸出控制量為：；將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理11一、模糊控制系統(tǒng)的基本概念4、模糊控制系統(tǒng)的特點：不依賴被控對象的精確模型；反映人類思維，且模糊控制規(guī)則可通過學(xué)習(xí)不斷更新；易被人們理解和接受；具有計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理123.1 模糊控制系統(tǒng)的組成原理二、模糊控制的原理模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊邏輯控制器，其組成如下所示：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理知識庫知識庫知識庫模糊推理模糊化接口清晰化接口精確輸入精確輸出13二、模糊控制的原理模糊邏輯控制器的功能：把系統(tǒng)偏差從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模糊量；對該模糊量由給定的規(guī)則進(jìn)行推理；將推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確量。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理143.1 模糊控制系統(tǒng)的組成原理三、模糊邏輯控制器1、模糊化：把輸入空間的精確點x映射成論域中相應(yīng)語言變量的語言值，即模糊集合A的過程。（1）映射成單點：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理15三、模糊邏輯控制器（2）映射成模糊集合：例：系統(tǒng)偏差e，用語言變量E來描述，則T（E）為E的語言值集合。T(E)=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大 =NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理16三、模糊邏輯控制器NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB每一語言值均為模糊集合，可用隸屬度函數(shù)表示。如：經(jīng)驗表明：用三角和梯形的隸屬度函數(shù)在實際應(yīng)用中帶來很多方便。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理e0NBNSZEPSPB17三、模糊邏輯控制器2、知識庫包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。數(shù)據(jù)庫：必要的定義、輸入輸出語言變量的論域、量化因子、隸屬度函數(shù)等。量化因子：為便于計算機(jī)處理，一般將論域離散化為n小段，每段用一個特定的術(shù)語標(biāo)記，形成一個離散域。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理18三、模糊邏輯控制器例：一用于熱處理工藝的加熱器，要求保持爐溫600度恒定不變。爐溫受被處理零件的多少、電網(wǎng)電壓變化、本身保溫性和體積等因素影響而容易波動。用模糊控制代替人工控制，則：輸入量為爐溫的誤差：e=T Td；輸出量為電壓u。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理19三、模糊邏輯控制器輸入、輸出變量的語言值為NB,NS,ZE,PS,PB，設(shè)e的論域為-600，600，u的論域為0，220，把 e 量化為7個等級：-3，-2，-1，0，1，2，3；把 u量化為7個等級：-3，-2，-1，0，1，2，3。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理20三、模糊邏輯控制器設(shè)隸屬度函數(shù)曲線為：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理e0NBNSZEPSPB-3-2-112321三、模糊邏輯控制器則輸入輸出賦值表：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理量化等級隸屬度語言變量-3-2-10123PB000000.51PS000010.50ZE000.510.500NS00.510000NB10.50000022三、模糊邏輯控制器（2）規(guī)則庫：存放模糊控制規(guī)則，一般用if-then語句描述。規(guī)則庫的建立：專家經(jīng)驗法；觀察法；基于過程的模糊模型；基于自組織和學(xué)習(xí)。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理23三、模糊邏輯控制器例：同上爐溫控制系統(tǒng)。假設(shè)爐溫是通過調(diào)節(jié)可控硅的電壓導(dǎo)通角來實現(xiàn)，控制規(guī)則為：低于600度時，升壓，低得越多升壓越高；高于600度時，降壓，高得越多降壓越低；等于600度時，保持不變。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理24三、模糊邏輯控制器總結(jié)控制規(guī)則如下：(1)if e is NB,then u is PB；(2)if e is NS,then u is PS；(3)if e is ZE,then u is ZE；(4)if e is PS,then u is NS；(5)if e is PB,then u is NB。由其量化后的隸屬度，得到規(guī)則的模糊關(guān)系為：R=(NBePBu)(NSePSu)(ZEeZEu)(PSeNSu)(PBeNBu)3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理25三、模糊邏輯控制器3、模糊推理根據(jù)知識庫提供的信息和輸入狀態(tài)模擬人類的推理決策過程，給出合適的控制量。可用前述各種推理方法。推理結(jié)果與多種因素有關(guān)，如合成規(guī)則、蘊涵規(guī)則、連接詞等。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理26三、模糊邏輯控制器4、清晰化把模糊推理得到的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用方法：（1）最大隸屬度函數(shù)法；（2）加權(quán)平均法；（3）重心法。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理27三、模糊邏輯控制器（1）最大隸屬度函數(shù)法：若最大隸屬度的元素有多個，則：3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理28三、模糊邏輯控制器（1）最大隸屬度函數(shù)法：在模糊推理輸出的結(jié)果中，取隸屬度最大的元素作為精確值。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理優(yōu)點：計算簡單；缺點：丟失許多信息。29三、模糊邏輯控制器（2）加權(quán)平均法：將各個取值加權(quán)后求取平均值。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理30三、模糊邏輯控制器（3）重心法將隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積的重心作為模糊推理最終輸出。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理31三、模糊邏輯控制器（3）重心法例：已知由極大極小推理法得到輸出模糊集為：C=0.3/-1+0.8/-2+1/-3+0.5/-4+0.1/-5試由重心法計算此推理結(jié)果的輸出精確值。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理32三、模糊邏輯控制器綜上所述，模糊邏輯控制器的設(shè)計過程分為三步：（1）模糊化：把測得的物理量用某種語言變量描述，語言值構(gòu)成的模糊集合用隸屬度函數(shù)表示。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理33三、模糊邏輯控制器（2）模糊邏輯推理：按制定好的一組模糊控制規(guī)則，運用模糊集合理論進(jìn)行推理，得到輸出的模糊集合；（3）把模糊輸出量轉(zhuǎn)化為能直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成原理34