模糊控制系统

模糊控制系统课件第1页，课件共22页，创作于2023年2月模糊控制器的设计主要考虑以下几项主要内容：①确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量)；②设计模糊控制器的控制规则；③确立模糊化和解模糊的方法；④选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域，并确定模糊控制器的参数(如量化因子、比例因子等)；⑤编制模糊控制算法的应用程序。第2页，课件共22页，创作于2023年2月4.1模糊控制器的基本结构及主要类型4.1.1模糊控制器的基本结构（1）模糊化接口（Fuzzification）

所谓模糊化，就是通过传感器把被控对象的相关物理量→电量，若传感器的输出量是连续的模拟量数字量作为计算机的输入测量值→标准化处理（即把其变化范围映射到相应内部论域中，然后将内部论域中该输入数据转换成相应语言变量的概念，并构成模糊集合）。第3页，课件共22页，创作于2023年2月这样就把输入的精确量变换成用模糊集合隶属函数表示的某一模糊变量的值。完成这部分功能的模块就称作模糊化接口。

模糊化接口的主要功能：将输入变量的精确值→其对应论域上自然语言描述的模糊集合，以便进行模糊推理和决策。具体包括：①测量输入变量。传感器的输出。②论域变换，即实际论域→内部论域。实际论域也就是精确量的基本论域，它可以通过实验或理论指导来确定，它在控制过程中往往是不变化的。第4页，课件共22页，创作于2023年2月例：以两输入单输出模糊控制系统为例，设误差的基本论域为，误差变化的基本论域为，控制量的变化范围为。类似地，设误差的模糊论域为误差变化的论域为控制量的论域为一般来说，论域的量化等级越细，控制精度也越高。但过细的量化等级将使算法复杂化，而且也没有必要。确定了变量的基本论域和模糊集论域后，比例因子也就确定了。第5页，课件共22页，创作于2023年2月量化因子：，，比例因子：注：误差和误差变化这两个变量的连续值与其论域中的离散值并不是一一对应的。第6页，课件共22页，创作于2023年2月第7页，课件共22页，创作于2023年2月（2）模糊推理机（Inferenceengine）模糊推理机由知识库（数据库和规则库）与模糊推理决策逻辑构成。这是基本部分。①知识库（Knowledgebase）=数据库（Datebase）+语言控制规则库（Rulebase）模糊控制器的核心。②模糊推理机主要功能：模仿人的思维特征，根据模糊控制规则，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理。第8页，课件共22页，创作于2023年2月（3）解模糊接口（Defuzzification）原因：模糊推理得出的模糊输出量不能直接去控制执行机构，必须确定一个最具有代表性的值作为真正的输出控制量，即解模糊判决。主要功能：①比例映射：内部论域→实际论域。②解模糊：模糊控制量→精确的控制作用，模糊化的反过程。第9页，课件共22页，创作于2023年2月第10页，课件共22页，创作于2023年2月第11页，课件共22页，创作于2023年2月4.1.2常用的几种模糊控制器⑴简单模糊控制器及其特性（二维模糊控制器）方法：①根据被控对象，确定ｅ、△e、u的隶属函数及模糊控制规则表→查询表（例：表3.5P47）②实际应用时，输入变量→内部论域，查表，得出u→执行机构优点：①二维模糊控制器，比一维模糊控制器控制效果好。②设计简单，性能好，适应能力强。缺点：不同被控对象，控制规则不变，控制效果不好。图4.3简单模糊控制器的结构第12页，课件共22页，创作于2023年2月⑵模糊自调整控制器----二维模糊控制器中加入修正因子（规则自调整模糊控制器）低阶控制系统：>0.5高阶控制系统：<0.5当误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，加快响应速度，这时对误差的加权应该大些；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作用大些，即对误差变化率的加权大些。因此，在不同的误差范围时，可通过调整来实现控制规则的自调整。第13页，课件共22页，创作于2023年2月⑶变结构模糊控制器----多个模糊控制器的组合不同状态，不同要求下，多个软件（具有不同参数、规则），根据情况选择不同的控制器。如：温度、压力、流量，同时控制。第14页，课件共22页，创作于2023年2月第15页，课件共22页，创作于2023年2月⑸模糊自组织控制器经验不足者、没有完整的模糊规则、时变系统且规则需要变化→实时自动修改、完善和调整规则⑹模糊自适应控制器----在线辨识⑺模糊控制规则的自调整

基本思想----系统的控制误差是评价控制器性能最为直接有效的指标。根据系统误差估计控制量的校正值，再由这个控制量的校正值来修改模糊控制规则。

规则自调整模糊控制器=常规模糊控制器+规则自调整功能。模糊规则的修改过程可以看作是模糊控制器的学习过程，模糊规则的自调整是以语义形式实现的，在一定程度上体现了人的认识过程。第16页，课件共22页，创作于2023年2月4.1.3模糊控制器的设计模糊控制器的实现方法：①由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器；②用通用单片机组成硬件系统：PLC、IPC、DSP等在模糊控制中，模糊控制器是整个控制系统的核心，模糊控制器的设计实质上是设计模糊控制算法。根据模糊控制原理，按以下步骤来设计模糊控制器：1)确定模糊控制器的结构2)输入、输出变量的模糊化3)模糊推理决策算法的设计4)对输出模糊量进行解模糊判决第17页，课件共22页，创作于2023年2月思考题：1、模糊控制器的基本结构？各部分的主要功能？2、实际论域（基本论域）、模糊论域（内部论域）的概念？3、常用的模糊控制器有哪些？4、二维FC的工作原理？优缺点？5、FC设计的两种实现方式及其特点？6、设计模糊控制器的步骤？第18页，课件共22页，创作于2023年2月4.2模糊控制器的结构设计

4.2.1模糊控制器的结构设计实质：模糊控制器输入语言变量及输出语言变量的选取和模糊控制器的不同组合与扩展问题。模糊控制系统可分为单变量控制系统、多变量控制系统。本书讨论单变量模糊控制系统，输入就是系统的给定值，输出就是系统的输出值。模糊控制的维数：模糊控制器输入变量的个数。⑴一维模糊控制器Ifethenu常用于一阶被控对象。系统的动态控制性能不佳。⑵二维模糊控制器Ifeand△ethenu以误差e和误差变化△e为输入变量，以控制量u的变化为输出变量，这种结构反映模糊控制器具有PD控制规律，有利于保证系统的稳定性，并可减少系统地超调量，削弱系统的振荡现象。这种模糊控制器较常用，另外，也可取系统地误差e和误差的和∑ｅ作为输入变量，这种结构反映的是PI控制规律。这样就确定了模糊控制器的结构。第19页，课件共22页，创作于2023年2月⑶多维模糊控制器Ifeand△eand△2ethenu三维模糊控制器，由于模糊控制器输入的维数增多，控制规则的选取也越来越困难，相应的控制算法越来越复杂。处理速度下降，造成滞后，大滞后环节，这也是三维或多维模糊控制器的应用“瓶颈”。小结：考虑系统的精度、速度，二维FC用的比较多。第20页，课件共22页，创作于2023年2月图4.5常见模糊控制器的结构类型(a)一维模糊控制器；(b)二维模糊控制器；(c)三维模糊控制器第21页，课件共22页，创作于2023年2月4.2.2一般设计方法（1）模糊控制器的设计原则1）模糊语言变量的语言值分档和模糊论域分级的选取2）量化因子和模糊语