1模糊控制器的基本結構和組成

1、2.1模糊控制器的基本結構和組成,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）首先對這些輸入量進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行模

2、糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應的模糊集合來表示。,1、模糊控制器的組成,（2）知識庫知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標。它通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。1)數(shù)據(jù)庫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數(shù)等。2）規(guī)則庫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)驗和知識。,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含關系及推理規(guī)則來進行的。,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）變換為實際用于控制的清晰量。它包含以下量部分的內容：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際生產過程中的操作經(jīng)驗

4、可以用一組if-then的語言來進行描述（即“如果出現(xiàn)了xx情況則應該施加xx的控制量），在if-then規(guī)則中的前提和結論均是模糊的概念，其中前提為應用領域中的條件，結論則是這個工人所要采取的控制行動。對于多輸入多輸出系統(tǒng)則有多個前提和多個結論，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、模糊控制中的幾個基本運算操作,（1）模糊化運算（2）句子連接運算（3）合成運算（4）清晰化運算

5、,2.2 模糊化運算,模糊化運算是將輸入空間的觀測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，觀測到的數(shù)據(jù)常常是清晰量。由于模糊控制器對數(shù)據(jù)進行處理是基于模糊集合的方法。因此對輸入數(shù)據(jù)進行模糊化是必不可少的一步。,模糊化運算,在進行模糊化運算之前，首先要對輸入量進行尺度變換，使其變換到相應的論域范圍。所謂尺度變換其實就是將輸入量的實際變化范圍映射到要求的論域范圍內以滿足計算時的需要（例子）。,模

6、糊化運算,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，此時可以將其進行模糊化運算。模糊化運算一般分為兩種情況：1）單點模糊集合如果輸入量數(shù)據(jù)是準確的，則通常將其模糊化為單點模糊集合。,模糊化運算,2）三角形（鈴形）模糊集合如果輸入量數(shù)據(jù)存在隨機測量噪聲，這時模糊化運算中通?？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,數(shù)據(jù)庫是模糊控制器中的知識庫的重要組成部分，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,1）輸入量變換對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,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成模糊輸入空間，結論的語言變量構成模糊輸出空間。每個語言變量的取值為一組模糊語言

8、的名稱，它們構成了語言名稱的集合。每個模糊語言名稱相應一個模糊集合。對于每個語言變量，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于每個語言變量取值的模糊語言名稱的個數(shù)。（板書詳細講解）。,數(shù)據(jù)庫,模糊分割的個數(shù)決定了最大可能的模糊規(guī)則的個數(shù)。如對于兩輸入單輸出的模糊系統(tǒng)，兩個輸入的模糊分割數(shù)分別為3和7，則最大可能的規(guī)則數(shù)為3×7＝21?？梢娔：指顢?shù)越多，控制規(guī)則數(shù)也越多，控制規(guī)則多對于控制結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,3）完備性對于任意的輸入，模糊控制器均能給出相應的輸出，這個性質稱為完備性。模糊控制的完備性取決于數(shù)據(jù)庫或規(guī)則庫。對于數(shù)據(jù)庫方面的要求是：對于任意的輸入，若能找到一個模糊集合，使該輸入對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,4）模糊集合的隸屬度函數(shù)（1）數(shù)值描述方法對于論域為離散，且元素個數(shù)為有限時，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)描述方法對于論域為連續(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,模糊控制規(guī)則庫是由一系列if-then型的模糊條件語句所構成，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,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，誤差的導數(shù)或者積

11、分等等，它們的選擇則主要依靠經(jīng)驗和工程背景。,規(guī)則庫,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)則也就成為一個非常關鍵的問題。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合使用的。,規(guī)則庫,（1）基于專家的經(jīng)驗和控制工程知識這種方法是通過總結人類專家的經(jīng)驗，并用適當?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,（2）基于操作人員的實際控制過程在許多人工控

12、制的工業(yè)系統(tǒng)中，很難建立控制對象的模型，因此用常規(guī)的控制方法來對其進行設計和仿真比較困難。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)則來進行控制，但是他們往往并不能用語言明確地將它們表達出來，因此可以通過記錄操作人員實際控制過程時的輸入和輸出數(shù)據(jù)總結出模糊控制的規(guī)則。,規(guī)則庫,（3）基于過程的模糊模型控制對象的動態(tài)特性通?？捎梦⒎址匠?、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等數(shù)學方法來加以描述，這

13、樣的模型稱為定量模型或清晰化模型，控制對象的動態(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?；谀：Ｐ鸵材芙⑵鹣鄳哪：刂埔?guī)律，這樣設計出來的系統(tǒng)是純粹的模糊系統(tǒng)，即控制器和控制對象都是用模糊的方法來加以描述的。,規(guī)則庫,（4）基于學習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習功能，即根據(jù)經(jīng)驗和知識產生模糊控制規(guī)則并對它們進行修改的能力，Mamdani在1979年首先提出的模糊自

14、組織控制就是一種具有學習功能的模糊控制。,規(guī)則庫,3）模糊控制規(guī)則的類型在模糊控制中，目前主要應用如下兩種形式的模糊控制規(guī)則：（1）狀態(tài)評估模糊控制規(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,（2）目標評估模糊控制規(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)和目標或者是對系統(tǒng)性能的評估，因而x和y的取值常常是“好”、“差”等模糊語言，對于每個控制量C，通過預測相應的結果（x，y），從中選擇最合適的控制規(guī)則。采用目標評估模糊控制規(guī)則，它對控制的結果加以預測，并根據(jù)預測結果來確定采取的控制行為，因此它本身是一中模糊預報控制。,規(guī)則庫,4）模糊控制規(guī)則的其它性能要求（1）完備性（2）模糊控制