1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)和組成

1、2.1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)和組成,1、模糊控制器的組成,模糊控制器主要由4部分組成（1）模糊化 這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。,1、模糊控制器的組成,模糊化的具體過程如下：1）首先對(duì)這些輸入量進(jìn)行處理以變成模糊控制器要求的輸入量。（例子）2）將上述已經(jīng)處理過的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍。3）將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模

2、糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來表示。,1、模糊控制器的組成,（2）知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)。它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。1)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括各語言變量的隸屬度函數(shù)，尺度變換因子以及模糊空間的分級(jí)數(shù)等。2）規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則。他們反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。,1、模糊控制器的組成,（3）模糊推理模糊推理是模糊控制的核心，它具有模擬人

3、的基本模糊概念的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。,1、模糊控制器的組成,（4）清晰化清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實(shí)際用于控制的清晰量。它包含以下量部分的內(nèi)容：1）將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換變成表示在論域范圍的清晰量。2）將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換變成實(shí)際的控制量。,2、模糊條件語句和模糊控制規(guī)則,模糊控制是一種仿人的控制方式，而通常情況下人在實(shí)際生產(chǎn)過程中的操作經(jīng)驗(yàn)

4、可以用一組if-then的語言來進(jìn)行描述（即“如果出現(xiàn)了xx情況則應(yīng)該施加xx的控制量），在if-then規(guī)則中的前提和結(jié)論均是模糊的概念，其中前提為應(yīng)用領(lǐng)域中的條件，結(jié)論則是這個(gè)工人所要采取的控制行動(dòng)。對(duì)于多輸入多輸出系統(tǒng)則有多個(gè)前提和多個(gè)結(jié)論，以2輸入2輸出的控制系統(tǒng)為例，即是“如果x是A，y是B則z1是C ，z2是D”的形式。,3、模糊控制中的幾個(gè)基本運(yùn)算操作,（1）模糊化運(yùn)算（2）句子連接運(yùn)算（3）合成運(yùn)算（4）清晰化運(yùn)算

5、,2.2 模糊化運(yùn)算,模糊化運(yùn)算是將輸入空間的觀測(cè)量映射為輸入論域上的模糊集合。模糊化在處理不確定信息方面具有重要的作用。在模糊控制中，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)常常是清晰量。由于模糊控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是基于模糊集合的方法。因此對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化是必不可少的一步。,模糊化運(yùn)算,在進(jìn)行模糊化運(yùn)算之前，首先要對(duì)輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換到相應(yīng)的論域范圍。所謂尺度變換其實(shí)就是將輸入量的實(shí)際變化范圍映射到要求的論域范圍內(nèi)以滿足計(jì)算時(shí)的需要（例子）。,模

6、糊化運(yùn)算,經(jīng)過尺度變換之后，輸入量被限定到了規(guī)定的論域范圍內(nèi)，此時(shí)可以將其進(jìn)行模糊化運(yùn)算。模糊化運(yùn)算一般分為兩種情況：1）單點(diǎn)模糊集合如果輸入量數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，則通常將其模糊化為單點(diǎn)模糊集合。,模糊化運(yùn)算,2）三角形（鈴形）模糊集合如果輸入量數(shù)據(jù)存在隨機(jī)測(cè)量噪聲，這時(shí)模糊化運(yùn)算中通?？梢詫㈦`屬度函數(shù)取為等腰三角形或者鈴形。,2.3 數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)是模糊控制器中的知識(shí)庫(kù)的重要組成部分，它包含了模糊控制規(guī)則及模糊數(shù)據(jù)處理有關(guān)的各種參數(shù)，

7、如：尺度變換參數(shù)、模糊空間分割和隸屬度函數(shù)的選擇方式等等。,數(shù)據(jù)庫(kù),1）輸入量變換對(duì)于輸入量的尺度變換可以是線性變換的也可以是非線性變換的，論域可以是連續(xù)的也可以是離散的。如果要求離散的論域，則需要將連續(xù)的論域離散化或者量化。量化可以是均勻的也可以是非均勻的。（P56,表2.6-2.7）,數(shù)據(jù)庫(kù),2)輸入和輸出空間的模糊分割模糊控制規(guī)則中前提的語言變量構(gòu)成模糊輸入空間，結(jié)論的語言變量構(gòu)成模糊輸出空間。每個(gè)語言變量的取值為一組模糊語言

8、的名稱，它們構(gòu)成了語言名稱的集合。每個(gè)模糊語言名稱相應(yīng)一個(gè)模糊集合。對(duì)于每個(gè)語言變量，其取值的模糊集合具有相同的論域。模糊分割就是要確定對(duì)于每個(gè)語言變量取值的模糊語言名稱的個(gè)數(shù)。（板書詳細(xì)講解）。,數(shù)據(jù)庫(kù),模糊分割的個(gè)數(shù)決定了最大可能的模糊規(guī)則的個(gè)數(shù)。如對(duì)于兩輸入單輸出的模糊系統(tǒng)，兩個(gè)輸入的模糊分割數(shù)分別為3和7，則最大可能的規(guī)則數(shù)為3×7＝21。可見模糊分割數(shù)越多，控制規(guī)則數(shù)也越多，控制規(guī)則多對(duì)于控制結(jié)果的精度固然是好事，但

9、是要確定這么多的控制規(guī)則通常是一件非常困難的事情。,數(shù)據(jù)庫(kù),3）完備性對(duì)于任意的輸入，模糊控制器均能給出相應(yīng)的輸出，這個(gè)性質(zhì)稱為完備性。模糊控制的完備性取決于數(shù)據(jù)庫(kù)或規(guī)則庫(kù)。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)方面的要求是：對(duì)于任意的輸入，若能找到一個(gè)模糊集合，使該輸入對(duì)于該模糊集合的隸屬度函數(shù)不小于 ，則稱該模糊控制器滿足 完備性。,數(shù)據(jù)庫(kù),4）模糊集合的隸屬度函數(shù)（1）數(shù)值描述方法對(duì)于論域?yàn)殡x散，且元素個(gè)數(shù)為有限時(shí)，模糊集合的隸屬度函數(shù)可以用

10、向量或者表格的形式來表示。（2）函數(shù)描述方法對(duì)于論域?yàn)檫B續(xù)的情況，隸屬度常常用函數(shù)的形式來描述，最常見的有鈴形函數(shù)、三角形函數(shù)等。,,2.4 規(guī)則庫(kù),模糊控制規(guī)則庫(kù)是由一系列if-then型的模糊條件語句所構(gòu)成，條件語句的前件為輸入量和狀態(tài)，后件為控制變量。,規(guī)則庫(kù),1）模糊控制規(guī)則的前件和后件變量的選擇模糊控制規(guī)則的后件為輸出量，大多數(shù)情況下系統(tǒng)的輸出都是確定的，如電壓、電流等等。前件變量的選擇通?？梢允钦`差，誤差的導(dǎo)數(shù)或者積

11、分等等，它們的選擇則主要依靠經(jīng)驗(yàn)和工程背景。,規(guī)則庫(kù),2）模糊控制規(guī)則的建立模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心。因此如何建立模糊控制規(guī)則也就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。通常情況下我們可以通過以下4種方法來建立模糊控制規(guī)則，且這四種方法可以相互結(jié)合使用的。,規(guī)則庫(kù),（1）基于專家的經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí)這種方法是通過總結(jié)人類專家的經(jīng)驗(yàn)，并用適當(dāng)?shù)恼Z言來加以描述，最終表示成為模糊控制規(guī)則的形式。,規(guī)則庫(kù),（2）基于操作人員的實(shí)際控制過程在許多人工控

12、制的工業(yè)系統(tǒng)中，很難建立控制對(duì)象的模型，因此用常規(guī)的控制方法來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真比較困難。而熟練的操作人員卻能成功地控制這樣的系統(tǒng)。事實(shí)上操作人員有意或無意地使用了一組if-then的模糊規(guī)則來進(jìn)行控制，但是他們往往并不能用語言明確地將它們表達(dá)出來，因此可以通過記錄操作人員實(shí)際控制過程時(shí)的輸入和輸出數(shù)據(jù)總結(jié)出模糊控制的規(guī)則。,規(guī)則庫(kù),（3）基于過程的模糊模型控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性通?？捎梦⒎址匠?、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等數(shù)學(xué)方法來加以描述，這

13、樣的模型稱為定量模型或清晰化模型，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性也可以用語言的方法來加以描述，這樣的模型稱為定性模型或模糊模型。基于模糊模型也能建立起相應(yīng)的模糊控制規(guī)律，這樣設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)是純粹的模糊系統(tǒng)，即控制器和控制對(duì)象都是用模糊的方法來加以描述的。,規(guī)則庫(kù),（4）基于學(xué)習(xí)許多模糊控制主要是用來模仿人的決策行為，但很少具備具有類似于人的學(xué)習(xí)功能，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)產(chǎn)生模糊控制規(guī)則并對(duì)它們進(jìn)行修改的能力，Mamdani在1979年首先提出的模糊自

14、組織控制就是一種具有學(xué)習(xí)功能的模糊控制。,規(guī)則庫(kù),3）模糊控制規(guī)則的類型在模糊控制中，目前主要應(yīng)用如下兩種形式的模糊控制規(guī)則：（1）狀態(tài)評(píng)估模糊控制規(guī)則。R：如果x是A and y是B，則z是C在現(xiàn)有的模糊控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)情況都采用這種形式。對(duì)于更一般的情形，模糊控制規(guī)則的后件可以表示為過程狀態(tài)變量的函數(shù)，即R：如果x是A and y是B，則z是f( x, y),規(guī)則庫(kù),（2）目標(biāo)評(píng)估模糊控制規(guī)則。R：如果[

15、u是C－>(x是A and y是B）]，則u是C其中u是系統(tǒng)的控制量，x和y表示要求的狀態(tài)和目標(biāo)或者是對(duì)系統(tǒng)性能的評(píng)估，因而x和y的取值常常是“好”、“差”等模糊語言，對(duì)于每個(gè)控制量C，通過預(yù)測(cè)相應(yīng)的結(jié)果（x，y），從中選擇最合適的控制規(guī)則。采用目標(biāo)評(píng)估模糊控制規(guī)則，它對(duì)控制的結(jié)果加以預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果來確定采取的控制行為，因此它本身是一中模糊預(yù)報(bào)控制。,規(guī)則庫(kù),4）模糊控制規(guī)則的其它性能要求（1）完備性（2）模糊控制