智能控制第4章模糊控制1

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1、2019/10/22,1,模糊控制,2,教学内容,4.0、绪论 4.1、模糊控制基本原理 4.2、模糊控制系统分类 4.3、模糊控制系统设计 4.4、模糊控制应用 4.5、模糊控制发展,3,模糊逻辑的起源,4.0.1 模糊逻辑的发展 一、模糊逻辑的起源 模糊逻辑 - Fuzzy Logic 模糊概念、模糊现象到处存在。,4,经典二值逻辑,-经典二值（布尔）逻辑： 在经典二值（布尔）逻辑体系中： 所有的分类都被假定为有明确的边界； （突变） 任一被讨论的对象，要么属于这一类，要么不属于这一类； 一个命题不是真即是假，不存在亦真亦假或非真非伪的情况。 （确定）,5,模糊逻辑,-糊逻模辑： 对二值逻

2、辑的扩充。关键的概念是: 渐变的隶属关系。 一个集合可以有部分属于它的元素； （渐变） 一个命题可能亦此亦彼，存在着部分真部分伪。 （不完全确定）,6,模糊逻辑,模糊逻辑是通过模仿人的思维方式来表示和分析不确定、不精确信息的方法和工具。 模糊逻辑本身并不模糊，它并不是“模糊的” 逻辑，而是用来对“模糊”（现象、事件） 进行处理，以达到消除模糊的逻辑。,7,模糊集合,模糊逻辑的数学基础： 通过模糊集合来工作的。 -模糊集合： 允许在一个集合部分隶属。 对象在模糊集合中的隶属度: 可为从0 - 1之间的任何值。 即可以从“不隶属”到“隶属”逐步过渡。,8,模糊逻辑技术的发展,1960年柏克莱加州大

3、学电子工程系扎德（L.A.Zadeh）教授，提出“模糊”的概念。 1965年发表关于模糊集合理论的论文。 在模糊数学创建近十年后，在 1974年，英国剑桥的Mamdani首先将模糊集理论和模糊语言逻辑用于锅炉和蒸汽机的控制，并获得了比传统DDC控制更好的效果。宣告了模糊控制的诞生。,9,欧洲,七十年代欧洲进行模糊逻辑在工业控制方面的应用研究： 实现了第一个试验性的蒸汽机控制； 热交换器模糊逻辑控制试验； 转炉炼钢模糊逻辑控制试验； 温度模糊逻辑控制； 十字路口交通控制； 污、废水处理等。,10,日本,八十年代日本情况： 列车的运行和停车模糊逻辑控制，节能1114%； 汽车速度模糊逻辑控制（加速

4、平滑、上下坡稳定）； 港口集装箱起重机的小车行走和卷扬机的运行控制； 家电模糊逻辑控制（电饭煲、洗衣机、微波炉、空调、电冰箱等）。,11,中国,中国： 在模糊理论和应用方面的研究起步较慢，但发展较快： 1976年 起步； 1979年 模糊控制器的研究； 1980年 模糊控制器的算法研究； 1981年 模糊语言和模糊文法的研究；,12,中国,1982年 磨床研磨表面光洁度模糊控制、 开关式液压位置伺服系统模糊 控制研究； 1984年提出语义推理的自学习方法； 1986年单片微机比例因子模糊逻辑控 制器； 1987年我国第一台模糊逻辑推理机；,13,中国,1990年起： 工业控制模糊逻辑控制器：玻

5、璃窑炉、水泥回转窑、PVC树脂聚合过程、功率因数补偿等。 自然科学基金重大项目： “模糊信息处理与机器智能” “模糊逻辑控制计算机系统”等。,14,中国,目前 模糊逻辑控制技术在工业控制、家电领域有很好发展； 开展模糊信息处理方面的基础研究和理论研究； 开发专用模糊控制电路和模糊推理芯片等。,15,所谓模糊控制，只是在控制方法上应用了模糊数学知识，其基本原理仍和经典控制论、现代控制理论一样没有改变，其核心是利用模糊集合论，把人类专家用自然语言描述的控制策略转化为计算机能够接受的算法语言，从而模拟人类的智能，达到对生产过程进行控制的目的。,16,模糊控制基本原理,模糊控制（Fuzzy contr

6、ol）： 以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，从行为上模仿人的模糊推理和决策过程。,17,众所周知，经典和现代控制理论根据被控对象地精确数学模型（传递函数或状态方程）来设计控制器的。但随着工业的发展和社会的进步，被控对象越来越复杂，其数学模型的建立也越来越困难。对于很多控制对象只能建立起粗糙的模型，甚至根本无法建立模型。这类对象我们往往称之为不确定性系统。对于不确定性系统，很显然用传统的控制方法不能取得满意的控制效果。但是对于这类系统，人类却可以凭借自身的操作经验进行很好的控制。,18,例如：,19,模糊控制的基本思想： 将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊

7、集理论进行量化，转化为可数学实现的控制器，从而实现对被控对象的控制。,20,下面以洗衣机的洗涤时间调节为例来具体说明人类专家的控制经验是如何转化为模糊控制器的。,21,洗衣时间长短实际与衣物的脏污程度有关，太脏了就洗久点，不脏就可以洗快点。,22,通过分析可以知道这实际是一个开环的控制决策过程：,23,人类的操作经验是由模糊的自然语言描述的，在洗衣机的调节中，人类的操作经验是： （1）“如果污泥越多，且油脂越多，洗涤时间就越长；” （2）“如果污泥适中，且油脂适中，洗涤时间就适中；” （3）“如果污泥越少，且油脂越少，洗涤时间就越短；”,24,该规则的输入是污泥度与油污度，输出是洗涤时间。在该

8、规则中对这些量进行衡量的是一些模糊词语，“多”、“少”、“长”、“短”。,25,补充： 语言可分为两种：自然语言和形式语言。 自然语言的语意丰富、灵活，同时具有模糊性 “一朵美丽的花”多少“美丽”？who knows? “情人眼里出西施”因可爱而美丽？！ 形式语言则有严格的语法规则和语意，不存在任何的模糊性和二意性通常的计算机语言。 带模糊性的语言称为模糊语言，如 长、短、大、小、年轻、年老 在模糊控制中，关于误差的模糊语言常见有：正大、正中、正小，零，负小、负中、负大。,26,语言变量 是自然语言中的词或句，它的取值不是通常的数，而是用模糊语言表示的模糊集合。 例：“年龄”模糊语言变量，其取

9、值为“年幼”，“年轻”，“年老”等模糊集合。 语言变量的定义（LA Zadeh）： 五元体（x，T（x）,U，G，M） where: x:变量名称 T（x ）：语言变量值的集合，每个语言 变量值是定义在论域U上的一个模糊集合 U：x的论域 G：语法规则，用于产生语言变量x的值的名称 M：语义规则，用于产生模糊集合的隶属度函数,27,例：定义“速度”为语言变量，则T（速度）可能是 T（速度）=慢，适中，快， 以上每个语言变量值“慢”，“适中”，“快”是定义在论域U上的一个模糊集合，“慢” 60km h，“适中”around 80km h, “快” 100km h. 论域U=0，160，单位 km

10、 h slow medi fast 1.0 60 80 100 v km h,28,如果知道语言规则以及输入的模糊值，那么通过模糊推理就可以得到输出的模糊值,29,但是在数字实现的控制系统中，传感器的测量值是一个精确量，而作用于执行机构的控制量也是精确量,30,所以为了利用人类的语言规则进行推理，传感器的测量值在输入控制器之后首先需要进行“模糊化”的处理，将精确的测量值转化为相应的模糊值；而模糊推理后得到输出模糊值，也必须经过“清晰化”的处理，转化为精确的控制量。,31,即： 在模糊控制中，工作过程分三个阶段： “模糊化” “模糊逻辑推理” “解模糊化”,洗衣机洗涤时间模糊控制系统结构,33,

11、模糊控制器的基本工作原理,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晰化接口转换为执行机构能够接收的精确量。,34,模糊控制器设计 模糊控制器最简单的实现方法： 将一系列模糊控制规则离线转化为一个查询表（又称控制表），存储在计算机中供在线控制时使用。,35,1.确定洗衣机洗涤时间模糊控制器结构,36,模糊控制器的结构,控制器输入变量的个数称为 模糊控制器的维数 单变量模糊控制器,37,根据题意分析可知该控制器可选用：双输入单输出模糊控制器结构，控制器输入为衣物的污泥程度和油

12、污程度，控制器输出为洗衣机的洗涤时间。,38,39,模 糊 化,“模糊化”： 输入/输出变量按各自的分类被安排成不同的隶属度。 如温度输入，根据其高低被安排成冷、凉、暖、热等）。,40,2定义输入、输出模糊集,41,模糊分割我们把对输入变量分割成 NB，NM， ，PB等模糊集合的过程称为模糊分割。 模糊分割的结果，决定了最大可能的模糊规则的个数。如果 E 和 E 都分割为7个模糊集合，那么组合的结果为 77=49条规则，分割数太小，那么分割得太粗，控制性能不佳；太细，则计算量增加。实际还是凭经验和试凑。,42,根据题意分析可定义： 输入模糊集： 将污泥分为3个模糊集：SD（污泥少），MD（污泥

13、中），LD（污泥多） 论域：0，50，100 单位g 将油脂分为3个模糊集：NG（油脂少），MG（油脂中），LG（油脂多） 论域：0，50，100 单位g 输出模糊集： 将洗涤时间分为5个模糊集：VS（很短），S（短），M（中等），L（长），VL（很长）。 论域：0，10，25，40，60 单位s,43,3.定义隶属度,44,根据题意可选用经典函数法中的三角隶属函数实现污泥的模糊化：,clear all;close all; N=2; x=0:0.1:100; for i=1:N+1 %i=1:3 f(i)=100/N*(i-1); %f = 0 50 100 end u=trimf(x,f(

14、1),f(1),f(2);%u=trimf(x,0,0,50) figure(1); plot(x,u); for j=2:N %j=2 u=trimf(x,f(j-1),f(j),f(j+1);%u=trimf(x,0,50,100); hold on; plot(x,u); end u=trimf(x,f(N),f(N+1),f(N+1); trimf(x,50,100,100) hold on; plot(x,u); xlabel(x); ylabel(Degree of membership);,46,MD,SD,LD,47,根据题意可选用经典函数法中的三角形隶属函数实现油污的模糊化：

15、,48,MG,NG,LG,49,根据题意可选用经典函数法中的经典函数法中的三角形隶属函数实现洗涤时间的模糊化,50,M,L,VL,S,VS,51,模糊推理,“模糊逻辑推理”： 输入变量被加到一个“ if - then ”的控制规则的集合中。按各种控制规则进行推理，将结果合成在一起，产生一个“模糊逻辑推理输出”集合。,52,4.建立模糊控制规则,53,（1）“如果污泥越多，且油脂越多，洗涤时间就越长；” （2）“如果污泥适中，且油脂适中，洗涤时间就适中；” （3）“如果污泥越少，且油脂越少，洗涤时间就越短；”,54,5建立模糊控制表,*规则： IF 衣物污泥少 and 油脂少 THEN 洗涤时间短,56,6模糊推理,57,根据模糊控制表可知有效规则供9条： 1. If (x is SD) and (y is NG) then (z is VS) 2. If (x is SD) and (y is MG) then (z is M) 3. If (x is SD) and (y is LG) then (z is L) 4. If (x is MD) and (y is NG) then (z is S) 5. If (x is MD) an