智能控制模糊控制设计总结优缺点及改进

1、智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 模糊控制的优缺点模糊控制的优缺点 设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌 握人类的控制经验。握人类的控制经验。 系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统 的控制的控制 n优点：优点： 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 模糊控制的优缺点模糊控制的优缺点 模糊化和反模糊化过程缺乏系统的方法，主要靠经验和模糊化和反模糊化过程缺乏系统的方法，主要靠经验和 试凑。试凑。 总结模糊控制规则有时比较困难。总结模糊控制规则有时比较困难。 控制规则一旦确定，不能

2、在线调整，不能很好地适应情控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情 况的变化。况的变化。 模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。 n缺点：缺点： 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 模糊控制的改进方法模糊控制的改进方法 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 Why? n模糊控制的特点 可以实现人的控制策略可以实现人的控制策略 易于实现易于实现 在平衡点附近会产生振荡，稳态精度较差在平衡点附近会产生振荡，稳态精度较差 提高控制精度必须以多分档为代价，因此使提高控制精度必须以多分档为代价，因此使 得规则数和计算量大大增加得规则

3、数和计算量大大增加 vPID控制的特点：控制的特点： 运用普遍运用普遍 参数对控制性能具有较大影响参数对控制性能具有较大影响 模糊PID 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 3.3.2 模糊控制与模糊控制与PID控制的结合控制的结合 - 双模控制双模控制 双模控制器由模糊控制器和双模控制器由模糊控制器和PI控制器并联组成。控制开关在系统误差较大时控制器并联组成。控制开关在系统误差较大时 接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通PI控控 制器来消除稳态误差。制器来消除稳态误差。 控制开关的控制规则可以描述为：

4、控制开关的控制规则可以描述为： AePI AeFC u | , | , 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 基于切换方式实现的模糊基于切换方式实现的模糊PID控制器控制器 Fuzzy控制器控制器 PID控制器控制器 |e|E r - y e 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 基于切换方式实现的模糊基于切换方式实现的模糊PID控制器控制器 nExample: 4 ( ) 301 G s s 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 Simulink仿真实现 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 Switch介绍 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 控制效果 模糊模糊PID PID

5、Kp=2, Ki=1, Kd=0 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 基于参数自整定的模糊PID控制器 PID控制器控制器 r - y e Fuzzy控制器控制器 dkpdkidkd de/dt 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 确定输入、输出变量 n 输入变量：e、de n 输出变量： , pid dkdkdk PID控制器控制器 r - y e dkpdkidkd de e Fuzzy控制器控制器 ; ; ; ppp iii ddd kkdk kkdk kkdk 参数整定 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 讨论：PID对控制系统的影响 n比例系数（现在）：比例系数（现在）：

6、加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。 Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超 调，甚至导致系统不稳定。Kp 取值过小，则会降低调节精度，使 响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 n积分系数（过去）：积分系数（过去）：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的稳态误 差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象， 从而引起响应过程的较大超调。若Ki过小，将使系统稳态误差难以 消除，影响系统的调节精度。 n微分系数（未来）：微分系数（未来）：改善系统的动态特性。其作用主要是能反应 偏差信号的变化趋势。并能在偏差信号值变得太大之前，引入一 个有

7、效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时 间。 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 模糊规则表 dKp,dKi, dKd NBNMNSZOPSPMPB NBPB,NB, PS PB,NB, NS PM,NM, NB PM,NM, NB PS,NS, NB ZO,ZO, NM ZO,ZO, PS NMPB,NB, PS PB,NB, NS PM,NM, NB PS,NS, NM PS,NS, NM ZO,ZO, NS NS,ZO, ZO NSPM,NB, ZO PM,NM, NS PM,NS, NM PS,NS, NM ZO,ZO, NS NS,PS, NS NS,PS, ZO

8、ZOPM,NM, ZO PM,NM, NS PS,NS, NS ZO,ZO, NS NS,PS, NS NM,PM, NS NM,PM, ZO PSPS,NM, ZO PS,NS, ZO ZO,ZO, ZO NS,PS, ZO NS,PS, ZO NM,PM, ZO NM,PB, ZO PMPS,ZO, PB ZO,ZO, NS NS,PS, PS NM,PS, PS NM,PM, PS NM,PB, PS NB,PB, PB PBZO,ZO, PB ZO,ZO, PM NM,PS, PM NM,PM, PM NM,PM, PS NB,PB, PS NB,PB, PB e ec 智能控制模糊控

9、制设计总结优缺点及改 进 参考论文 n模糊自整定PID控制器的设计及其应用，吴振 顺，姚建均，岳东海，哈尔滨工业大学学报， 2004年11月。 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 3.3 模糊控制的改进方法 n 串联控制串联控制 当当|E|1时时, 系统的误差系统的误差e和模糊控制器的输出和模糊控制器的输出u的和作为的和作为PI控制器的输入控制器的输入, 克克 服不确定性因素的影响服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用且有较强的控制作用; 当当|E|1时时, 模糊控制器输出断开模糊控制器输出断开,仅有仅有e加到加到PI控制器的输入控制器的输入, 消除稳态误差。消除稳态误差。 智能控制模糊

10、控制设计总结优缺点及改 进 3.3 模糊控制的改进方法 n 并联控制并联控制 当当|E|1时，模糊控制器开关闭合，时，模糊控制器开关闭合，PI控制器的输出和模糊控制器的输出的和作控制器的输出和模糊控制器的输出的和作 为被控对象的输入为被控对象的输入, 克服不确定性因素的影响克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用；且有较强的控制作用； 当当|E|1时时, 模糊控制器输出断开，仅有模糊控制器输出断开，仅有PI控制器控制对象控制器控制对象, 消除稳态误差。消除稳态误差。 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 3.3.3 自校正模糊控制自校正模糊控制 普通模糊控制器的参数和控制规则在系统运行时无

11、法在普通模糊控制器的参数和控制规则在系统运行时无法在 线调整，自适应能力差线调整，自适应能力差 自校正模糊控制器通常分为两种：自校正模糊控制器通常分为两种： n 参数参数自校正模糊控制器自校正模糊控制器 n 规则规则自校正模糊控制器自校正模糊控制器 自校正模糊控制器自校正模糊控制器 在线修正模糊控制器的参数或控制规则，在线修正模糊控制器的参数或控制规则， 增强模糊控制器的自适应能力增强模糊控制器的自适应能力 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 参数自校正模糊控制器参数自校正模糊控制器 1）量化因子量化因子e、ec和比例因子和比例因子u对控制性能的影响对控制性能的影响 如果如果E、EC、U的

12、论域和控制规则是确定的，那么模糊查询表是确定的，的论域和控制规则是确定的，那么模糊查询表是确定的， 也就是说，也就是说，E、EC和和U的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为：的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为： U(k)=f E(k),EC(k) )()(keKkE e )()(kecKkEC ec )()(kUKku u )(),()(kecKkeKfKku eceu 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 2）Ke、Kec、Ku的调整方法的调整方法 系统状态系统状态性能要求性能要求参数调整的要求参数调整的要求原因原因 e和和ec较大较大 尽快消除误差，尽快消除误差， 加快响应速

13、度加快响应速度 降低降低Ke和和Kec； 加大加大Ku v降低降低KeKe和和KecKec可以降低对可以降低对 e e和和ecec输入量的分辨率输入量的分辨率, ,使使 得得e e、ecec的减少不致于使的减少不致于使 控制器的减少太多。控制器的减少太多。 v加大比例因子加大比例因子Ku,Ku,可以获可以获 得较大的控制量得较大的控制量, ,使响应使响应 加快。加快。 e和和ec较小较小 系统已经接近系统已经接近 稳态稳态,此时要求此时要求 提高系统精度提高系统精度, 减少超调量减少超调量 加大加大Ke和和Kec； 降低降低Ku v增大增大KeKe和和KecKec可以提高对输可以提高对输 入变

14、化的分辨率，使得控制入变化的分辨率，使得控制 器可以对微小的误差做出反器可以对微小的误差做出反 应，提高稳态的精度应，提高稳态的精度 v减少减少KuKu，以减小超调量，以减小超调量 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 3.3 参数自校正模糊控制器 根据上述参数自调整的原则和思想，可以设计一个模糊参数调整器，在线根据上述参数自调整的原则和思想，可以设计一个模糊参数调整器，在线 地根据偏差地根据偏差e e和偏差变化和偏差变化ecec来调整来调整KeKe、KecKec、KuKu的取值。的取值。 在不影响控制效果的前提下，可以取在不影响控制效果的前提下，可以取KeKe、KecKec增加的倍数与输出

15、的比例因增加的倍数与输出的比例因 子子KuKu减小的倍数相同。减小的倍数相同。 确定模糊控制器的输入变量和输出变量；确定模糊控制器的输入变量和输出变量； 该模糊参数调整器的输入与模糊控制器的输入相同，为偏差该模糊参数调整器的输入与模糊控制器的输入相同，为偏差E和偏差和偏差 变化变化EC；输出为；输出为Ke、Kec的增加倍数的增加倍数N（即（即Ku的减小倍数）。的减小倍数）。 n模糊参数调整器的设计模糊参数调整器的设计 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 参数自校正模糊控制器 E、EC的隶属函数分布的隶属函数分布 确定输入，输出的论域、语言取值及其隶属函数；确定输入，输出的论域、语言取值及其

16、隶属函数； l输入输入E、EC的论域都定义为的论域都定义为:E、EC-6, -5, , -1, 0, 1, , 5, 6 l语言值定义为：语言值定义为：PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 参数自校正模糊控制器 l N的论域定义为：的论域定义为：1/8,1/4,1/2,1,2,4,8； l 语言值定义为：语言值定义为：(高缩高缩)、(中缩中缩)、(低缩低缩)、(不变不变)、(低低 放放)、(中放中放)、(高放高放) ； N的隶属函数分布的隶属函数分布 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 参数自校正模糊控制器 总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系总结

17、专家控制规则及其蕴涵的模糊关系 N的调整规则表的调整规则表 根据规则表蕴涵的模糊关系，经过模糊推理和清晰化操作，可以总结出相根据规则表蕴涵的模糊关系，经过模糊推理和清晰化操作，可以总结出相 应的模糊参数调整查询表。应的模糊参数调整查询表。 CH(高缩高缩)、CM(中缩中缩)、CL(低缩低缩)、 OK(不变不变)、 AL(低放低放)、AM(中放中放)、AH(高放高放) 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 参数自校正模糊控制器 参数自校正模糊控制系统原理图参数自校正模糊控制系统原理图 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 参数自校正模糊控制器实现步骤 （1）以原始的以原始的Ke和和Kec对对

18、e和和ec进行量化得到进行量化得到E、EC； （2）由）由E、EC查模糊参数调整查询表得出调整倍数查模糊参数调整查询表得出调整倍数N; （3）令）令Ke =KeN， Kec =KecN ， Ku =Ku/N ； （4）用调整后的）用调整后的Ke 、 Kec 对对e和和ec重新量化；重新量化； （5）用重新量化的）用重新量化的E、EC查模糊控制表查模糊控制表,得出控制量得出控制量U。 （6）用比例因子）用比例因子Ku 乘以乘以U获得控制量获得控制量u。 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 规则规则自校正模糊控制器自校正模糊控制器 u控制规则和查询表都是在人工经验的基础上设计控制规则和查询表都

19、是在人工经验的基础上设计 出来的，因而难免带有主观因素，使控制规则往往出来的，因而难免带有主观因素，使控制规则往往 在某种程度上显得精度不高或不完善在某种程度上显得精度不高或不完善; ; u当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的 影响时，需要对控制规则和查询表及时进行修正。影响时，需要对控制规则和查询表及时进行修正。 1）为什么要进行规则校正）为什么要进行规则校正? 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 规则规则自校正模糊控制器自校正模糊控制器 对于一个二维模糊控制器，当输入变量偏差对于一个二维模糊控制器，当输入变量偏差E E、偏差变化、偏差变化

20、ECEC和输出控制量和输出控制量 U U的论域等级划分相同时，则其控制查询表可以近似归纳为：的论域等级划分相同时，则其控制查询表可以近似归纳为： () / 2, () / 2, EU EU UEE C UEE C 和的 极 性 相 同 时 -和的 极 性 相 反 时 在上式的基础上引入一个调整因子，则可得到一种带有调整因子的控制规在上式的基础上引入一个调整因子，则可得到一种带有调整因子的控制规 则：则： 的极性相反时和 的极性相同时和 UE ECEU UE ECEU ,)1 ( ,)1 ( 为调整因子或加权因子，它反映了误差为调整因子或加权因子，它反映了误差E和误差变化和误差变化EC对控制输出

21、对控制输出 量量U的加权程度，通过调整的加权程度，通过调整值，可以达到改变控制规则的目的。值，可以达到改变控制规则的目的。 2）如何进行规则的校正？）如何进行规则的校正？ 智能控制模糊控制设计总结优缺点及改 进 规则规则自校正模糊控制器自校正模糊控制器 n的调整对控制性能的影响的调整对控制性能的影响 l当误差较大时，控制系统的主要任务是当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差消除误差，加快响应速度，加快响应速度， 这时对误差的加权应该大些；这时对误差的加权应该大些； l当误差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系当误差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系 统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起的统尽快稳定，减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起的 作用大些，即对误差变化的加权大些。作用大些，即对误差变化的加权大些。 因此，在不同的误差范围时，可以通过调整加权因子，因此，在不同的误差范围时，可以通过调整加权因子， 来实现