模糊控制自学

1、4-2 4-2 模糊控制模糊控制 第四章第四章 连续系统控制连续系统控制 4.2.1 模糊控制的工作原理模糊控制的工作原理 将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊集理论将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊集理论进行量化，转化为可数学实现的控制器，从而实现对进行量化，转化为可数学实现的控制器，从而实现对被控对象的控制。被控对象的控制。 人类（专家）的控制经验是如何转化为数字控制器的人类（专家）的控制经验是如何转化为数字控制器的 ？控制思想：控制思想：水温偏高，就把阀门关小；水温偏高，就把阀门关小；水温偏低，就把阀门开大。水温偏低，就把阀门开大。模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想模仿人类的

2、调节经验，可以构造一个模糊控制系统来模仿人类的调节经验，可以构造一个模糊控制系统来实现对水温的控制实现对水温的控制。 n 用一个温度传感器来替代左手进行对水温的测量，传感器用一个温度传感器来替代左手进行对水温的测量，传感器的测量值经的测量值经A/DA/D变换后送往控制器。变换后送往控制器。 n 电磁阀代替右手和机械阀作为执行机构，电磁阀的开度由电磁阀代替右手和机械阀作为执行机构，电磁阀的开度由控制器的输出经控制器的输出经D/A变换后控制。变换后控制。 n 构造控制器，使其能够模拟人类的操作经验。构造控制器，使其能够模拟人类的操作经验。人类的控制规则人类的控制规则如果水温比期望值如果水温比期望值

3、高高，就把燃气阀关，就把燃气阀关小小；如果水温比期望值如果水温比期望值低低，就把燃气阀开，就把燃气阀开大大。描述了输入（水温与期望值的偏差描述了输入（水温与期望值的偏差 e e）和输出（阀门开度）和输出（阀门开度的增量的增量 u u）之间的模糊关系）之间的模糊关系R R输入输入e e输出输出u u模糊模糊推理推理规则库规则库R RD/AD/A电磁阀电磁阀热水器热水器温度温度传感器传感器A/DA/D期望值期望值e eu u模糊值模糊值模糊值模糊值精确值精确值精确值精确值模糊化模糊化去模糊化去模糊化热水器水温模糊控制系统结构热水器水温模糊控制系统结构 模糊控制器的基本工作原理模糊控制器的基本工作原

4、理 将测量得到的被控对象的状态经过模糊化接将测量得到的被控对象的状态经过模糊化接口转换为用人类自然语言描述的模糊量，而后根口转换为用人类自然语言描述的模糊量，而后根据人类的语言控制规则，经过模糊推理得到输出据人类的语言控制规则，经过模糊推理得到输出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再经过清控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再经过清晰化接口转换为执行机构能够接收的精确量。晰化接口转换为执行机构能够接收的精确量。 4.2.2 模糊控制器的结构和设计模糊控制器的结构和设计4.2.2.1 模糊化接口模糊化接口 模糊化就是通过在控制器的输入、输出论模糊化就是通过在控制器的输入、输出论域上定义语言变量，来

5、将精确的输入、输出值域上定义语言变量，来将精确的输入、输出值转换为模糊的语言值。转换为模糊的语言值。 模糊化接口的设计事实上就是定义语言模糊化接口的设计事实上就是定义语言变量的过程。变量的过程。4.2.2.1 模糊化接口模糊化接口 1) 1) 语言变量的确定语言变量的确定 针对模糊控制器每个输入、输出空间，各自针对模糊控制器每个输入、输出空间，各自定义一个语言变量。定义一个语言变量。 通常取系统的误差值通常取系统的误差值e e和误差变化率和误差变化率ecec为模糊为模糊控制器的两个输入，在控制器的两个输入，在e e的论域上定义语言变量的论域上定义语言变量“误差误差E E”，在，在ecec的论域

6、上定义语言变量的论域上定义语言变量“误差变误差变化化ECEC”；在控制量；在控制量u u的论域上定义语言变量的论域上定义语言变量“控制控制量量U U”。 2)2)语言变量论域的设计语言变量论域的设计 在模糊控制器的设计中，通常就把语言变量的论在模糊控制器的设计中，通常就把语言变量的论域定义为有限整数的离散论域。例如，可以将域定义为有限整数的离散论域。例如，可以将E E的论域的论域定义为定义为-m, -m+1, , -1, 0, 1, , m-1, m ；将；将ECEC的论域的论域定义为定义为-n, -n+1, , -1, 0, 1, , n-1, n ；将；将U U的论域定的论域定义为义为-l

7、, -l+1, , -1, 0, 1, , l-1, l 。? ? 为了提高实时性，模糊控制器常常以控制查询表为了提高实时性，模糊控制器常常以控制查询表的形式出现。该表反映了通过模糊控制算法求出的模的形式出现。该表反映了通过模糊控制算法求出的模糊控制器输入量和输出量在给定离散点上的对应关系。糊控制器输入量和输出量在给定离散点上的对应关系。为了能方便地产生控制查询表，在模糊控制器的设计为了能方便地产生控制查询表，在模糊控制器的设计中，通常就把语言变量的论域定义为有限整数的离散中，通常就把语言变量的论域定义为有限整数的离散论域。论域。 如何实现实际的连续域到有限整数离散域的转换？如何实现实际的连续

8、域到有限整数离散域的转换？ 通过引入量化因子通过引入量化因子ke、kec和比例因子和比例因子ku来实现来实现 ke kec d/dt模糊模糊控制器控制器ku期望值期望值yeecEECUu假设在实际中，误差的连续取值范围是假设在实际中，误差的连续取值范围是e=eL,eH，eL表示低限值，表示低限值，eH表示高限值。则：表示高限值。则： LHeeemk2同理，假如误差变化率的连续取值范围是同理，假如误差变化率的连续取值范围是ec=ecL,ecH ，控制量的连续取值范围是控制量的连续取值范围是u=uL,uH ，则量化因子，则量化因子kec和和比例因子比例因子ku可分别确定如下：可分别确定如下：LHe

9、cececnk2luukLHu2在确定了量化因子和比例因子之后，误差在确定了量化因子和比例因子之后，误差e和误差变和误差变化率化率ec可通过下式转换为模糊控制器的输入可通过下式转换为模糊控制器的输入E和和EC： )2(LHeeeekE)2(LHececececkEC式中，式中，代表取整运算。代表取整运算。 模糊控制器的输出模糊控制器的输出U U可通过下式转换为实际的输出值可通过下式转换为实际的输出值u u： 2LHuuuUku3) 3) 定义各语言变量的语言值定义各语言变量的语言值 通常在语言变量的论域上，将其划分为有限的几档。通常在语言变量的论域上，将其划分为有限的几档。例如，可将例如，可将

10、E E、ECEC和和U U的划分为的划分为“正大（正大（PBPB）”，“正中正中(PM)”(PM)”，“正小（正小（PSPS）”，“零（零（ZOZO）”，“负小（负小（NSNS）”，“负中（负中（NMNM）”，“负大（负大（NBNB）” 七档。七档。 n 档级多，规则制定灵活，规则细致，但规则多、复档级多，规则制定灵活，规则细致，但规则多、复杂，编制程序困难，占用的内存较多；杂，编制程序困难，占用的内存较多；n 档级少，规则少，规则实现方便，但过少的规则会档级少，规则少，规则实现方便，但过少的规则会使控制作用变粗而达不到预期的效果。使控制作用变粗而达不到预期的效果。因此在选择模糊状态时要兼顾简

11、单性和控制效果。因此在选择模糊状态时要兼顾简单性和控制效果。 4)4)定义各语言值的隶属函数定义各语言值的隶属函数 隶属函数的类型隶属函数的类型 正态分布型正态分布型 （高斯基函数（高斯基函数 ）22)()(iiibaxAex其中，其中，ai i为函数的中心值，为函数的中心值，bi i为函数的宽度。为函数的宽度。假设与假设与PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB对应的对应的高斯基函数的中心值分别为高斯基函数的中心值分别为6，4，2，0，-2，-4，-6，宽度均为，宽度均为2。隶属函数的形状和分布如图所示。隶属函数的形状和分布如图所示。 -6 -4 -2 0 2 4 6 0 0.5 1 NB

12、NM NS ZO PS PM PB x 三角型三角型 else 0 ),(1 ),(1)(cxbcucbbxaaxabxiA 梯型梯型 else , 0 dxc , , 1 ,)(cdxdcxbbxaabaxxiA隶属函数确定时需要考虑的几个问题隶属函数确定时需要考虑的几个问题 隶属函数曲线形状对控制性能的影响。隶属函数曲线形状对控制性能的影响。 隶属函数形状较尖时，分辨率较高，输入引起的输出变隶属函数形状较尖时，分辨率较高，输入引起的输出变化比较剧烈，控制灵敏度较高；化比较剧烈，控制灵敏度较高； 曲线形状较缓时、分辨率较低，输入引起的输出变化不曲线形状较缓时、分辨率较低，输入引起的输出变化不

13、那么剧烈，控制特性也较平缓，具有较好的系统稳定性。那么剧烈，控制特性也较平缓，具有较好的系统稳定性。 因而，通常在输入较大的区域内采用低分辨率曲线（形因而，通常在输入较大的区域内采用低分辨率曲线（形状较缓），在输入较小的区域内采用较高分辨率曲线（形状状较缓），在输入较小的区域内采用较高分辨率曲线（形状较尖），当输入接近零则选用高分辨率曲线（形状尖）。较尖），当输入接近零则选用高分辨率曲线（形状尖）。 隶属函数曲线的分布对控制性能的影响隶属函数曲线的分布对控制性能的影响兼顾控制灵敏度和鲁棒性兼顾控制灵敏度和鲁棒性相邻两曲线交点对应的隶属度值较小时，控制灵敏度相邻两曲线交点对应的隶属度值较小时，控

14、制灵敏度较高，但鲁棒性不好；值较大时，控制系统的鲁棒性较高，但鲁棒性不好；值较大时，控制系统的鲁棒性较好，但控制灵敏度将降低。较好，但控制灵敏度将降低。清晰性清晰性 相邻隶属函数之间的区别必须是明确的。相邻隶属函数之间的区别必须是明确的。 不清晰的隶属函数分布不清晰的隶属函数分布 清晰的隶属函数分布清晰的隶属函数分布 完备性完备性 属函数的分布必须覆盖语言变量的整个论域，属函数的分布必须覆盖语言变量的整个论域，否则，将会出现否则，将会出现“空档空档”，从而导致失控。，从而导致失控。 不完备的隶属函数分布不完备的隶属函数分布 模糊化过程小结：模糊化过程小结：经过经过1 1）4 4）步的定义可以在

15、输入输出空间定义语言）步的定义可以在输入输出空间定义语言变量，从而将输入输出的精确值转换为相应的模糊值。变量，从而将输入输出的精确值转换为相应的模糊值。具体的步骤如下：具体的步骤如下： 第一步：第一步： 将实际检测的系统误差和误差变化率量化将实际检测的系统误差和误差变化率量化为模糊控制器的输入。为模糊控制器的输入。 假设实际检测的系统误差和误差变化率分别为假设实际检测的系统误差和误差变化率分别为e*和和ec*，可以通过量化因子将其量化为模糊控制器的输入可以通过量化因子将其量化为模糊控制器的输入E*和和EC*。 )2(*LHeeeekE)2(*LHececececkEC第二步：第二步： 将模糊控

16、制器的精确输入将模糊控制器的精确输入E*和和EC*通过模糊通过模糊化接口转化为模糊输入化接口转化为模糊输入A*和和B*。 将将E*和和EC*所对应的隶属度最大的模糊值当作当前所对应的隶属度最大的模糊值当作当前模糊控制器的模糊输入量模糊控制器的模糊输入量A*和和B*。 605040302010001020304055 . 061* NBA假设假设E*=6，系统误差系统误差采用三角形隶属函数来采用三角形隶属函数来进行模糊化。进行模糊化。 E E* *属于属于NBNB的隶属度最大（为的隶属度最大（为1 1），），则此时，相对应的模糊则此时，相对应的模糊控制器的模糊输入量为：控制器的模糊输入量为： 对

17、于某些输入精确量，有对于某些输入精确量，有时无法判断其属于哪个模糊值时无法判断其属于哪个模糊值的隶属度更大，例如当的隶属度更大，例如当E*=-5时，时，其属于其属于NB和和NM的隶属度一样的隶属度一样大。此时有两种方法进行处理：大。此时有两种方法进行处理：1 1）在隶属度最大的模糊值之间任取一个；）在隶属度最大的模糊值之间任取一个；例如当例如当E E* *=-5=-5时，时，A A* *NBNB或或NMNM。2 2）重新定义一个模糊值，该）重新定义一个模糊值，该模糊值对于当前输入精确量模糊值对于当前输入精确量的隶属度为的隶属度为1 1，对于其它精确，对于其它精确量的隶属度为量的隶属度为0 0。

18、60504030201000102030405160*A4.2.2.2 规则库规则库规则库的描述规则库的描述 规则库由若干条控制规则组成，这些控制规则根规则库由若干条控制规则组成，这些控制规则根据人类控制专家的经验总结得出，按照据人类控制专家的经验总结得出，按照 IF is AND is THEN isIF is AND is THEN is的形式表达。的形式表达。 R1 : IF E is A1 1 AND EC is B1 1 THEN U is C1 1 R2 : IF E is A2 2 AND EC is B2 2 THEN U is C2 2 Rn : IF E is An n A

19、ND EC is Bn n THEN U is Cn n 其中，其中，E、EC是输入语言变量是输入语言变量“误差误差”，“误差误差变化率变化率”；U是输出语言变量是输出语言变量“控制量控制量”。 Ai i 、 Bi i 、 Ci i是第是第i条规则中与条规则中与E、EC、U对应的语言值。对应的语言值。 规则库也可以用矩阵表的形式进行描述。规则库也可以用矩阵表的形式进行描述。 例如在模糊控制直流电机调速系统中，模糊控制例如在模糊控制直流电机调速系统中，模糊控制器的输入为器的输入为E E（转速误差）、（转速误差）、ECEC（转速误差变化率），（转速误差变化率），输出为输出为U U（电机的力矩电流值

20、）。（电机的力矩电流值）。 在在E E、ECEC、U U的论域上各定义了的论域上各定义了7 7个语言子集：个语言子集：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NBPB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB 对于对于E E、ECEC可能的每种取值，进行专家分析和总结可能的每种取值，进行专家分析和总结后，则总结出的控制规则为：后，则总结出的控制规则为： 规则库蕴涵的模糊关系规则库蕴涵的模糊关系 规则库中第规则库中第i i条控制规则条控制规则: : Ri: IF E is Ai AND EC is Bi THEN U is Ci蕴含的模糊关系为：蕴含的模糊关系为： )(iiiiCBAR 控制规则库中的控制

21、规则库中的n条规则之间可以看作是条规则之间可以看作是“或或”，也就是也就是“求并求并”的关系，则整个规则库蕴涵的模糊关的关系，则整个规则库蕴涵的模糊关系为：系为： iiRRU规则库的产生规则库的产生 模糊控制规则的提取方法在模糊控制器的设计中起着举模糊控制规则的提取方法在模糊控制器的设计中起着举足轻重的作用，它的优劣直接关系着模糊控制器性能的好坏，足轻重的作用，它的优劣直接关系着模糊控制器性能的好坏，是模糊控制器设计中最重要的部分。是模糊控制器设计中最重要的部分。 模糊控制规则的生成方法归纳起来主要有以下几种：模糊控制规则的生成方法归纳起来主要有以下几种：l 根据专家经验或过程控制知识生成控制

22、规则。这种方根据专家经验或过程控制知识生成控制规则。这种方法通过对控制专家的经验进行总结描述来生成特定领域的法通过对控制专家的经验进行总结描述来生成特定领域的控制规则原型，经过反复的实验和修正形成最终的规则库。控制规则原型，经过反复的实验和修正形成最终的规则库。l 根据过程的模糊模型生成控制规则。这种方法通过用根据过程的模糊模型生成控制规则。这种方法通过用模糊语言描述被控过程的输入输出关系来得到过程的模糊模糊语言描述被控过程的输入输出关系来得到过程的模糊模型，进而根据这种关系来得到控制器的控制规则。模型，进而根据这种关系来得到控制器的控制规则。l 根据学习算法获取控制规则。应用自适应学习算法根

23、据学习算法获取控制规则。应用自适应学习算法（神经网络、遗传算法等）对控制过程的样本数据进行分（神经网络、遗传算法等）对控制过程的样本数据进行分析和聚类，生成和在线优化较完善的控制规则。析和聚类，生成和在线优化较完善的控制规则。 模糊控制规则的总结要注意以下几个问题模糊控制规则的总结要注意以下几个问题：l 规则数量合理规则数量合理控制规则的增加可以增加控制的精度，但是会影响系统控制规则的增加可以增加控制的精度，但是会影响系统的实时性；控制规则数量的减少会提高系统的运行速度，的实时性；控制规则数量的减少会提高系统的运行速度，但是控制的精度又会下降。所以，需要在控制精度和实但是控制的精度又会下降。所

24、以，需要在控制精度和实时性之间进行权衡。时性之间进行权衡。l 规则要具有一致性规则要具有一致性控制规则的目标准则要相同。不同的规则之间不能出现控制规则的目标准则要相同。不同的规则之间不能出现相矛盾的控制结果。如果各规则的控制目标不同，会引相矛盾的控制结果。如果各规则的控制目标不同，会引起系统的混乱。起系统的混乱。l完备性要好完备性要好控制规则应能对系统可能出现的任何一种状态进行控制。控制规则应能对系统可能出现的任何一种状态进行控制。否则，系统就会有失控的危险。否则，系统就会有失控的危险。 4.2.2.3 4.2.2.3 模糊推理模糊推理 推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模推理是模糊控制器

25、中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考虑获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。最到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。最基本的有基本的有ZadehZadeh近似推理，它包含有正向推理和逆近似推理，它包含有正向推理和逆向推理两类。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理两类。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。 根据模糊输入和规则库中蕴涵的输入输出关系，

26、根据模糊输入和规则库中蕴涵的输入输出关系，通过模糊推理方法得到模糊控制器的输出模糊值。通过模糊推理方法得到模糊控制器的输出模糊值。 *)(RBAC 推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模能已经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换功能作用的部分称为解模糊接口。把输出端具有转换功能作用的部分称为解模糊接口。 综上所述，模糊

27、控制器实际上就是依靠微机综上所述，模糊控制器实际上就是依靠微机（或单片机）来构成的。它的绝大部分功能都是由（或单片机）来构成的。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和计算机程序来完成的。随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功开发，也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。能。4.2.2.4 4.2.2.4 清晰化接口清晰化接口 由模糊推理得到的模糊输出值由模糊推理得到的模糊输出值C C* *是输出论域上是输出论域上的模糊子集，只有其转化为精确控制量的模糊子集，只有其转化为精确控制量u，才能施，才能施加于对象。这种转化的方法叫做清晰化加于

28、对象。这种转化的方法叫做清晰化/去模糊化去模糊化/模糊判决。模糊判决。 (1) (1) 最大隶属度方法最大隶属度方法 把把C*中隶属度最大的元素中隶属度最大的元素U*作为精确输出控制量。作为精确输出控制量。 60504030201000102035 . 04155 . 060*C上式中，元素上式中，元素4 4对应的隶属度最大，则根据最大隶对应的隶属度最大，则根据最大隶属度法得到的精确输出控制量为属度法得到的精确输出控制量为4 4。 4*U(1) (1) 最大隶属度方法最大隶属度方法 若模糊输出量的元素隶属度有几个相同的最大值，若模糊输出量的元素隶属度有几个相同的最大值，则取相应诸元素的平均值，

29、并进行四舍五入取整，作则取相应诸元素的平均值，并进行四舍五入取整，作为控制量。上式中，元素为控制量。上式中，元素4 4、3 3、2 2对应的隶属对应的隶属度均为度均为1 1，则精确输出控制量为，则精确输出控制量为33)2() 3()4(*U6050403020100015 . 021314155 . 060*C（2 2）加权平均法（重心法）加权平均法（重心法） 该方法对模糊输出量中各元素及其对应的隶属度该方法对模糊输出量中各元素及其对应的隶属度求加权平均值，并进行四舍五入取整，来得到精确输求加权平均值，并进行四舍五入取整，来得到精确输出控制量。出控制量。iiCiiiCUUUU)()(*式中，式

30、中，代表四舍五入取整操作。代表四舍五入取整操作。6050403020100015 . 021314155 . 060*C25 . 01115 . 0) 1(5 . 0)2(1) 3(1)4(1)5(5 . 0*U 清晰化处理后得到的模糊控制器的精确输出量清晰化处理后得到的模糊控制器的精确输出量U*，经过比例因子可以转化为实际作用于控制对象的控制经过比例因子可以转化为实际作用于控制对象的控制量。量。2*LHuuuUku4.2.2.5 4.2.2.5 模糊查询表模糊查询表模糊控制器的工作过程模糊控制器的工作过程: : 模糊控制器实时检测系统的误差和误差变模糊控制器实时检测系统的误差和误差变化率化率

31、e*和和ec*； 通过量化因子通过量化因子ke e和和kecec将将e*和和ec*量化为控制量化为控制器的精确输入器的精确输入E*和和EC*； E*和和EC*通过模糊化接口转化为模糊输入通过模糊化接口转化为模糊输入A*和和B*； 将将A A* *和和B B* *根据规则库蕴涵的模糊关系进行根据规则库蕴涵的模糊关系进行模糊推理，得到模糊控制输出量模糊推理，得到模糊控制输出量C C* *； 对对C*进行清晰化处理，得到控制器的精确进行清晰化处理，得到控制器的精确输出量输出量U*；通过比例因子通过比例因子ku u将将U*转化为实际作用于控转化为实际作用于控制对象的控制量制对象的控制量u*。 将（将（

32、3 3）（）（5 5）步离线进行运算，步离线进行运算，对于每一种可能对于每一种可能出现的出现的E E和和ECEC取取值，计算出相应值，计算出相应的输出量的输出量U U，并，并以表格的形式储以表格的形式储存在计算机内存存在计算机内存中，这样的表格中，这样的表格称为模糊查询表。称为模糊查询表。 如果如果E E、ECEC和和U U的论域均为的论域均为-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6，则生成的模糊查询表具有如下形式则生成的模糊查询表具有如下形式 UEC-6-5-4-3-2-10123456E-6-6-6-6-6

33、-6-5-5-4-3-2000-5-6-6-6-6-5-5-5-4-3-2000-4-6-6-6-5-5-5-5-3-3-2000-3-5-5-5-5-4-4-4-3-2-1111-2-4-4-4-4-4-4-4-2-10222-1-4-4-4-3-3-3-3-1223330-4-4-4-3-3-101334441-3-3-3-2-2133334442-2-2001244444443-1-1012344455554001234555566650012345556666600123455666664.2.2.6 4.2.2.6 模糊控制器的设计内容模糊控制器的设计内容（1 1）确定模糊控制器的输

34、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；（2 2）确定输入，输出的论域和）确定输入，输出的论域和KeKe、KecKec、KuKu的值；的值；（3 3）确定各变量的语言取值及其隶属函数；）确定各变量的语言取值及其隶属函数；（4 4）总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系；）总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系；（5 5）选择推理算法；）选择推理算法； （6 6）确定清晰化的方法；）确定清晰化的方法；（7 7）总结模糊查询表。）总结模糊查询表。4.2.2.7 4.2.2.7 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，只设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只

35、要求掌握人类的控制经验。要求掌握人类的控制经验。 系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制后系统的控制模糊控制的优点模糊控制的优点：4.2.2.7 4.2.2.7 模糊控制的优缺点模糊控制的优缺点 确立模糊化和逆模糊化的方法时，缺乏系统的方确立模糊化和逆模糊化的方法时，缺乏系统的方法，主要靠经验和试凑。法，主要靠经验和试凑。 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，不能在线调整，不能很好地控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化。适应情况的变化。 模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精

36、度模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。不高。 模糊控制的缺点：模糊控制的缺点：4.2.3.1 4.2.3.1 模糊比例控制器模糊比例控制器 为了解决模糊控制的离散性对控制质量的影响，为了解决模糊控制的离散性对控制质量的影响，在模糊控制查询表的两个离散级之间，插入按偏差在模糊控制查询表的两个离散级之间，插入按偏差量化余数的比例调节调节，使模糊控制量连续化。量化余数的比例调节调节，使模糊控制量连续化。 )()2(*的小数部分ekkuuUkuepLHu4.2.3 模糊控制的改进方法模糊控制的改进方法4.2.3.2 4.2.3.2 模糊控制与模糊控制与PIDPID控制的结合控制的结合 双模

37、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PIPI控制器并联组成。控控制器并联组成。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不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通PIPI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：控制开关的控制规则可以描述为： AePIAeFCu| ,| ,串联控制串联控制 当当|E|1|E|1时时, , 系统的误差系统的误差e e和模糊控制器的输出和模糊控制器的输出u u的的和作为和作为PIPI控制器的输入控制器的输入, , 克服不确

38、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|=0|E|=0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 e加到加到PIPI控制控制器的输入器的输入, , 消除稳态误差。消除稳态误差。 并联控制并联控制 当当|E|1|E|1时，模糊控制器开关闭合，时，模糊控制器开关闭合，PIPI控制器的输出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和模糊控制器的输出的和作为被控对象的输入, , 克服克服不确定性因素的影响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|=0|E|=0时时, , 模糊控制器输

39、出断开，仅有模糊控制器输出断开，仅有PIPI控制器控控制器控制对象制对象, , 消除稳态误差。消除稳态误差。 4.2.3.3 4.2.3.3 自校正模糊控制自校正模糊控制 针对普通模糊控制器的参数和控制规则在系统运针对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，自适应能力差的缺陷，自校正模行时无法在线调整，自适应能力差的缺陷，自校正模糊控制器可以在线修正模糊控制器的参数或控制规则，糊控制器可以在线修正模糊控制器的参数或控制规则，从而增强了模糊控制器的自适应能力，提高了控制系从而增强了模糊控制器的自适应能力，提高了控制系统的动静态性能和鲁棒性。统的动静态性能和鲁棒性。 自校正模糊控制

40、器通常分为两种：自校正模糊控制器通常分为两种： 参数自校正模糊控制器参数自校正模糊控制器 规则自校正模糊控制器规则自校正模糊控制器 参数自校正模糊控制器参数自校正模糊控制器 1 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 E、ECEC、U U的论域和控制规则是确定的，那么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，模糊查询表是确定的，也就是说，E E、ECEC和和U U的关的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为：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) )()(keKkEe)()(kec

41、KkECec)()(kUKkuu)(),()(kecKkeKfKkueceu在常规模糊控制器中在常规模糊控制器中, Ke、Kec、Ku固定，会给系统固定，会给系统的控制性能带来一些不利的影响的控制性能带来一些不利的影响:在大误差范围时在大误差范围时, ,不能快速地消除误差不能快速地消除误差, ,动态响应速度动态响应速度受到限制；受到限制；在小偏差范围时存在一个调节死区在小偏差范围时存在一个调节死区, ,此时的控制输出此时的控制输出为为0,0,但但e e的实际值可能并非为的实际值可能并非为0, 0, 导致系统轨迹在导致系统轨迹在0 0区区附近的振荡；附近的振荡；当被控对象参数发生变化当被控对象参

42、数发生变化, ,或受到随机干扰影响时或受到随机干扰影响时, , 控制器不能很好地适应，会影响模糊控制的效果。控制器不能很好地适应，会影响模糊控制的效果。为使系统性能不断改善为使系统性能不断改善, ,并适应不断变化的情况并适应不断变化的情况, ,保证保证控制达到预期要求控制达到预期要求, ,需要对需要对KeKe、KecKec、KuKu进行在线实时进行在线实时修改。修改。系统状态系统状态性能要求性能要求参数调整要求参数调整要求原因原因e e和和ecec较大较大尽快消除误尽快消除误差，差，加快响应速加快响应速度度降低降低KeKe和和KecKec；加大加大KuKu降低降低KeKe和和KecKec可以降

43、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。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 e和和ecec较小较小系统已经接系统已经接近稳态近稳态, ,此此时要求提高时要求提高系统精度系统精度, ,减少超调量减少超调量加大加大KeKe和和KecKec；降低降低KuKu增大增大KeKe和和KecKec可以提高对输可以提高对输入变化的分辨率，使得控入变化的分辨率，使得控制器可以对微小的误差做制器可以对微小的误差做出反应，提高稳态

44、的精度出反应，提高稳态的精度减少减少KuKu，以减小超调量，以减小超调量2 2）KeKe、KecKec、KuKu的调整方法的调整方法 调整的原则：调整的原则： 根据上述参数自调整的原则和思想，可以设计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，在线地根据偏差一个模糊参数调整器，在线地根据偏差e和偏差变化和偏差变化ec来调整来调整Ke、Kec、Ku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Ke、Kec增加的倍数与输出的比例因子增加的倍数与输出的比例因子Ku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

45、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，为偏差同，为偏差E和偏差变化和偏差变化EC；输出为；输出为Ke、Kec的的增加倍数增加倍数N（即（即Ku的减小倍数）。的减小倍数）。 模糊参数调整器的设计模糊参数调整器的设计E E、ECEC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、语言取值及其隶属函数；输入输入E E、ECEC的论域都定义为的论域都定义为: : E E、EC-6, -5, , -1, 0, 1, , 5, 6EC-6, -5, , -1, 0, 1, , 5, 6语

46、言值定义为：语言值定义为：PBPB，PMPM，PSPS，ZOZO，NSNS，NMNM，NBNBl N N的论域定义为：的论域定义为：1/8,1/4,1/2,1,2,4,81/8,1/4,1/2,1,2,4,8；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) )、( (低放低放) )、( (中放中放) )、( (高放高放) ) ； N N的隶属函数分布的隶属函数分布 总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系 N 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根据规则表蕴涵的

47、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。化操作，可以总结出相应的模糊参数调整查询表。 参数自校正模糊控制系统结构和参数调整算法参数自校正模糊控制系统结构和参数调整算法 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 参数自调整步骤可描述为参数自调整步骤可描述为: : （1 1）以原始的以原始的Ke和和Kec对对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 、 K

48、ec 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。 规则自校正模糊控制器规则自校正模糊控制器 模糊控制要有更好的效果，其前提必须具有较完模糊控制要有更好的效果，其前提必须具有较完善与合理的控制规则，但控制规则和查询表都是在人善与合理的控制规则，但控制规则和查询表都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，工经验的基础上设计出来的，因而难免带有主观因素，使控制规则往往在某种程度上显得精度不高或不完善，使控制规则往往在某种程度上显得精度不高或不完善，并且当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的并且当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的影响时，都会影响到模糊控制的效果。因此需要对控影响时，都会影响到模糊控制的效果。因此需要对控制规则和查询表不断及时地进行修正。制规则和查询表不断及时地进行修正。1 1）为什么进行规