《计算机控制系统第三版课件教学课件 ppt 作者 王慧 主编第7章 计算机控制系统中的控制策略3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制系统第三版课件教学课件 ppt 作者 王慧 主编第7章 计算机控制系统中的控制策略3（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,1,第七章 计算机控制系统中的控制策略(3) Control Strategy of Computer System,Department of Control Science &Engineering, Zhejiang University,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,2,本章主要内容,数字滤波和数据处理 数字PID控制算法 基于数字PID控制的多回路控制系统 模型预测控制 模糊控制 控制策略的工程实现,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,3,第五节 Unit 5,模糊控制系统 Fuzz
2、y Control System,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,4,本节的主要内容,提出的背景 预备知识 模糊控制的基本原理 模糊控制器的设计 模糊控制器的改进 模糊控制器的工业应用举例 (http:/ 计算机控制系统中的控制策略,5,6-5 模糊控制系统,模糊控制提出的背景 理论基础是美国的Zadeh教授在1965年提出的模糊数学(Fuzzy Sets) 实际应用：1974年英国的Mamdani首先将模糊控制器用于蒸汽机的控制 所解决的问题：对于非线性、时变、信息不足等难于建模的对象的仿人控制,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,6,6-5-1
3、预备知识（1）,模糊集合与隶属函数 集合：具有某种特定属性的对象的全体 论域：被讨论的全部对象 普通集合：论域中某元素是否属于集合，非此即彼，特征函数（=0或 =1），为二值逻辑。 模糊集合：是对普通集合的扩展，它将=0或 =1的取值范围扩大到在0,1整个闭区间上的任意值，记作 ，称为隶属函数。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,7,6-5-1 预备知识（2）,模糊（子）集的表示 模糊集An一般可表示为 An= ( , , , ) 还可表示成如下的形式 ， 注：式中的符号是借用的隶属度关系表现符号, 并不具备其本身的数学含义。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中
4、的控制策略,8,6-5-1 预备知识（3）,模糊（子）集的运算 (1) 交集 (2) 并集 (3) 补集,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,9,6-5-1 预备知识（4）,模糊关系及其运算 普通关系：设X, Y是论域, 由X和Y的元素的任意搭配得一个新的集合, 记 它的一个子集称为X到Y的一个普通关系。所谓“关系”, 就是对X与Y的元素之间的搭配施加某种限制。设有一关系RP(XY),用特征函数表示, 即为,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,10,6-5-1 预备知识（5）,模糊关系及其运算 模糊关系：设X, Y是两个非空集合, XY的一个模糊子集称为
5、X到Y的一个模糊关系R。一般用F(XY)表示X到Y的模糊关系全体。 设有一模糊关系R F(XY),则对于任意的 (x, y) (XY), 表示(x, y)具有关系R的程度。对于有限论域, 模糊关系R可用矩阵表示, 称之为模糊(关系)矩阵R, 并记为 R=(rij)， 其中 0rij1, i=1, 2, , m；j=1, 2, n。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,11,6-5-1 预备知识（6）,模糊关系的运算 模糊关系仍是模糊集合，其运算与模糊集合的运算相同。设R1、R2是XY上的模糊关系, 对所有的x X, y Y, 则有 相等 R1= R2 隶属函数相等 包含 R
6、1R2 R1的隶属函数小于R2的 并 R1R2 隶属函数取两者中大的 交 R1R2 隶属函数取两者中小的 余 隶属函数为,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,12,6-5-1 预备知识（7）,模糊关系的合成 设X、Y和Z是论域, Q是XY上的模糊关系, R是YZ上的模糊关系, 对所有的xX, zZ, 则Q和R的合成S=QR定义为X到Z的模糊关系。 若Q=(qik)mn , R=(rkj)nl , 则有 S=QR sij= (i=1, 2, m；j=1, 2, ,l),2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,13,6-5-2 模糊控制的基本原理（1）,模糊控制
7、系统的基本工作原理：从操作工的控制过程来看其原理,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,14,6-5-2 模糊控制的基本原理（2）,模糊控制系统的主要步骤 从过程采样得到的被控变量(系统输出值), 计算预先选择好的系统输入值； 将精确的输入变量转化为模糊量； 由模糊输入变量与模糊控制规则, 根据模糊推理合成规则计算出模糊的控制量； 由模糊控制量计算处理得到精确的控制量并输出到执行机构上。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,15,6-5-2 模糊控制的基本原理（3）,模糊控制系统的组成：无特殊性 模糊控制系统的特点 基于操作者经验, 无需建立精确的数学模型
8、； 具有较强的鲁棒性, 被控对象的参数变化对控制的影响不明显； 其控制机理符合人们对过程作用的直观描述和思维逻辑。 模糊控制系统的缺陷,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,16,6-5-3 模糊控制系统的设计（1）,确定模糊控制器的结构 即确定控制器的输入变量和输出变量。 常见的三种模糊控制器结构 1维FFC 2维FFC,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,17,6-5-3 模糊控制系统的设计（1）,3维FFC 变结构的FFC 输出变量也以绝对量与变化量给出。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,18,6-5-3 模糊控制系统的设计（
9、2）,建立模糊控制规则 确定描述输入输出变量的语言变量(模糊变量) 一般情况下, 选择七个语言变量, 即 负大, 负中, 负小,零, 正小, 正中, 正大 定义语言变量的模糊集，给出它们的隶属度表 比较常见的是模糊集采用正态分布 模糊集的分辨率 有限论域问题,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,19,6-5-3 模糊控制系统的设计（2）,模糊集合语言集合变量,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,20,6-5-3 模糊控制系统的设计（2）,偏差隶属度表,隶属度,A,i,x,i,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,21,6-5-3 模糊控
10、制系统的设计（2）,建立模糊控制器的控制规则，得到决策表 基于手动经验的语言规则常见形式为 如果e正大, ec正中, 则控制作用u负大 用符号表示为 if e = Ai And ec = Bj then u = Cij , i=1,n；j=1,m；CijC1,CL,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,22,6-5-3 模糊控制系统的设计（2）,更一般的模糊条件语句及其对应的模糊关系运算式为 “若A且B则C (if A And B then C)” 即 R=(AC)(BC) 或 “若A则若B则C(if A And if B then C)” 即 R=A(BC)=ABC,201
11、9/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,23,6-5-3 模糊控制系统的设计（2）,模糊控制器的模糊决策表,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,24,6-5-3 模糊控制系统的设计（3）,精确量的模糊化(fuzzification)或量化 即将基本论域E, EC, U中的精确值转化成模糊集论域X、Y、Z上的模糊值 (1)线性量化 即将精确量成比例地映射到模糊论域上 由于大多数是对称情况，当基本论域为(-a,a), 模糊论域为(-n,n)时，有 其中k称为线性量化因子(k=n/a),2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,25,6-5-3 模糊控制系
12、统的设计（3）,(2)非线性量化 即对基本论域上的数值进行量化时采用不同的量化公式 最直观地便是对大偏差采用低分辨率的量化(即比较大的间隔)；对较小的偏差采用较高分辨率的量化。 量化因子的影响,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,26,6-5-3 模糊控制系统的设计（4）,确定模糊关系矩阵 模糊控制规则中每一条都确定了一个模糊关系Rij：AiBjCij。由此，可确定模糊关系矩阵。 即有,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,27,6-5-3 模糊控制系统的设计（5）,由模糊推理合成规则求控制输出模糊集 设实测值x=Ak , k1, ,n, y=Bh , h
13、 1, , m, 由模糊推理合成规则有 即对于 有,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,28,6-5-3 模糊控制系统的设计（6）,模糊判决及模糊量的非模糊化 模糊决策包含两个步骤 先由控制量的模糊集C判决出模糊论域元素z； 再将其转换到基本论域上精确量u,以实际输出。 由C到z的判决常采用三种方法 最大隶属度法 即取隶属度最大的元素作为 控制量。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,29,6-5-3 模糊控制系统的设计（6）,加权平均判决法(重心法) 选择加权系数 中位数法 隶属度选取对系统的响应有直接的影响,2019/7/10,第六章 计算机控制系统
14、中的控制策略,30,6-5-3 模糊控制系统的设计（6）,从模糊集论域元素z*变换到基本论域的精确输出值 u 其中ku称为输出控制量的比例因子, ku=(基本论域/模糊集论域)。 比例因子 ku 选择对控制质量的影响: 过小的话会使系统动态响应过程变长，选择过大则会引起系统振荡。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,31,6-5-3 模糊控制系统的设计小结,FFC的实施可分成离线与在线两部分 离线计算 上述设计的46步可以离线计算，所得结果归结为一张表，称为模糊控制表，或模糊控制查询表(look-up table)，存入计算机。 在线实现实际控制 每个采样周期将实际测量的输入 e, ec量化, 通过查表得到输出值的量化值z*,乘上适当的比例因子ku , 即为最后输出的实际控制值u。,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,32,6-5-3 模糊控制系统的设计小结,y,i,x,i,z,i,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,33,6-5-3 模糊控制系统的设计小结,2019/7/10,第六章 计算机控制系统中的控制策略,34,模糊控制器的设计内容： 确定输入变量和输出变量； 设计控制规则； 确定模糊化和非模糊化的方法； 选择输入变量及输出变量的论域并确定参数； 编制模糊控制算
