第4章模糊控制ppt课件

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1、第第4 4章章 模糊控制模糊控制4.1模糊控制的根本原理模糊控制的根本原理模模糊糊控控制制是是以以模模糊糊集集实实际际、模模糊糊言言语语变变量量和和模模糊糊逻逻辑辑推推理理为为根根底底的的一一种种智智能能控控制制方方法法，它它是是从从行行为为上上模模拟拟人人的的模模糊糊推推理理和和决决策策过过程程的的一一种种智智能能控控制制方方法法。该该方方法法首首先先将将操操作作人人员员或或专专家家阅阅历历编编成成模模糊糊规规那那么么，然然后后未未来来自自传传感感器器的的实实时时信信号号模模糊糊化化，将将模模糊糊化化后后的的信信号号作作为为模模糊糊规规那那么么的的输输入入，完完成成模模糊糊推推理理，将将推推

2、理理后后得得到到的输出量加到执行器上。的输出量加到执行器上。4.1.1、模糊控制原理、模糊控制原理图图模糊控制原理框图模糊控制原理框图模模糊糊控控制制器器FuzzyControllerFC也也称称 为为 模模 糊糊 逻逻 辑辑 控控 制制 器器 Fuzzy LogicControllerFLC,由由于于所所采采用用的的模模糊糊控控制制规规那那么么是是由由模模糊糊实实际际中中模模糊糊条条件件语语句句来来描描画画的的，因因此此模模糊糊控控制制器器是是一一种种言言语语型型控控制制器器，故故也也称称 为为 模模 糊糊 言言 语语 控控 制制 器器 Fuzzy LanguageControllerFLC

3、。4.1.2模糊控制器的构成模糊控制器的构成模糊控制器的组成框图如下图。模糊控制器的组成框图如下图。 图图 模糊控制器的组成框图模糊控制器的组成框图 1. 1. 模糊化接口模糊化接口Fuzzy interfaceFuzzy interface 模模糊糊控控制制器器的的输输入入必必需需经经过过模模糊糊化化才才干干用用于于控控制制输输出出的的求求解解，因因此此它它实实践践上上是是模模糊糊控控制制器器的的输输入入接接口口。它它的的主主要要作作用用是是将将真真实实确确实实定定量量输输入入转转换换为为一一个个模模糊糊矢矢量量。对对于于一一个个模模糊糊输输入入变变量量e e，其其模模糊糊子集通常可以作如下

4、方式划分：子集通常可以作如下方式划分：1 1=负负大大，负负小小，零零，正正小小，正正大大=NB, =NB, NS, NS, ZO, PS, PBZO, PS, PB2 2=负负大大，负负中中，负负小小，零零，正正小小，正正中中，正正大大=NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB=NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB3 3=大大，负负中中，负负小小，零零负负，零零正正，正正小小，正正中，正大中，正大=NB, NM, NS, NZ, PZ, PS, PM, PB=NB, NM, NS, NZ, PZ, PS, PM, PB用三角型隶属度函数表示如下图。用三角型隶属度函

5、数表示如下图。 图图 模糊子集和模糊化等级模糊子集和模糊化等级 2.知识库知识库KnowledgeBaseKB知识库由数据库和规那么库两部分构成。知识库由数据库和规那么库两部分构成。1数数据据库库DataBaseDB数数据据库库所所存存放放的的是是一一切切输输入入、输输出出变变量量的的全全部部模模糊糊子子集集的的隶隶属属度度矢矢量量值值即即经经过过论论域域等等级级离离散散化化以以后后对对应应值值的的集集合合，假假设设论论域域为为延延续续域域那那么么为为隶隶属属度度函函数数。在在规规那那么么推推理理的的模模糊糊关关系系方程求解过程中，向推理机提供数据。方程求解过程中，向推理机提供数据。2规规那那

6、么么库库RuleBaseRB模模糊糊控控制制器器的的规规那那么么司司基基于于专专家家知知识识或或手手动动操操作作人人员员长长期期积积累累的的阅阅历历，它它是是按按人人的的直直觉觉推推理理的的一一种种言言语语表表示示方方式式。模模糊糊规规那那么么通通常常有有一一系系列列的的关关系系词词衔衔接接而而成成，如如if-then、else、also、end、or等等，关关系系词词必必需需经经过过“翻翻译译才才干干将将模模糊糊规规那那么么数数值值化化。最最常常用用的的关关系系词词为为if-then、also，对对于于多多变变量量模模糊糊控控制制系系统统，还还有有and等等。例例如如，某某模模糊糊控控制制系

7、系统统输输入入变变量量为为误误差差和和误误差差变变化化，它它们们对对应应的的言言语语变变量量为为E和和EC，可给出一组模糊规那么：，可给出一组模糊规那么：R1:IFEisNBandECisNBthenUisPBR2:IFEisNBandECisNSthenUisPM通通常常把把if部部分分称称为为“前前提提部部，而而then部部分分称称为为“结结论论部部，其其根根本本构构造造可可归归纳纳为为IfAandBthenC,其其中中A为为论论域域U上上的的一一个个模模糊糊子子集集，B是是论论域域V上上的的一一个个模模糊糊子子集集。根根据据人人工工控控制制阅阅历历，可可离离线线组组织织其其控控制制决决策

8、策表表R,R是是笛笛卡卡儿儿乘乘积积集集上上的的一一个个模模糊子集，那么某一时辰其控制量由下式给出：糊子集，那么某一时辰其控制量由下式给出：式中式中模糊直积运算；模糊直积运算；模糊合成运算。模糊合成运算。规规那那么么库库是是用用来来存存放放全全部部模模糊糊控控制制规规那那么么的的，在在推推理理时时为为“推推理理机机提提供供控控制制规规那那么么。规规那那么么条条数数和和模模糊糊变变量量的的模模糊糊子子集集划划分分有有关关，划划分分越越细细，规规那那么么条条数数越越多多，但但并并不不代代表表规规那那么么库库的的准准确确度度越越高高，规规那那么么库库的的“准准确确性性还与专家知识的准确度有关。还与专

9、家知识的准确度有关。3推推理理与与解解模模糊糊接接口口Inference and Defuzzy-interface推推理理是是模模糊糊控控制制器器中中，根根据据输输入入模模糊糊量量，由由模模糊糊控控制制规规那那么么完完成成模模糊糊推推理理来来求求解解模模糊糊关关系系方方程程，并并获获得得模模糊糊控控制制量量的的功功能能部部分分。在在模模糊糊控控制制中中，思思索索到到推推理理时时间间，通通常常采采用用运运算算较较简简单单的的推推理理方方法法。最最根根本本的的有有Zadeh近近似似推推理理，它它包包含含有有正正向向推推理理和和逆逆向向推推理理两两类类。正正向向推推理理常常被被用用于于模模糊糊控控

10、制制中中，而而逆逆向推理普通用于知识工程学领域的专家系统中。向推理普通用于知识工程学领域的专家系统中。推推理理结结果果的的获获得得，表表示示模模糊糊控控制制的的规规那那么么推推理理功功能能曾曾经经完完成成。但但是是，至至此此所所获获得得的的结结果果仍仍是是一一个个模模糊糊矢矢量量，不不能能直直接接用用来来作作为为控控制制量量，还还必必需需作作一一次次转转换换，求求得得明明晰晰的的控控制制量量输输出出，即即为为解解模模糊糊。通通常常把把输输出出端端具具有有转转换换功功能能作作用用的的部部分分称称为为解解模模糊糊接接口。口。综综上上所所述述，模模糊糊控控制制器器实实践践上上就就是是依依托托微微机机

11、或或单单片片机机来来构构成成的的。它它的的绝绝大大部部分分功功能能都都是是由由计计算算机机程程序序来来完完成成的的。随随着着公公用用模模糊糊芯芯片片的的研研讨讨和和开开发，也可以由硬件逐渐取代各组成单元的软件功能。发，也可以由硬件逐渐取代各组成单元的软件功能。4.1.3、模糊控制系统的任务原理、模糊控制系统的任务原理以以水水位位的的模模糊糊控控制制为为例例，如如图图4-4所所示示。设设有有一一个个水水箱箱，经经过过调调理理阀阀可可向向内内注注水水和和向向外外抽抽水水。设设计计一一个个模模糊糊控控制制器器，经经过过调调理理阀阀门门将将水水位位稳稳定定在在固固定定点点附附近近。按按照照日日常常的的

12、操操作作阅阅历历，可可以以得得到到根本的控制规那么：根本的控制规那么：“假假设设水水位位高高于于O点点，那那么么向向外外排排水水，差差值值越越大大，排水越快；排水越快；“假假设设水水位位低低于于O点点，那那么么向向内内注注水水，差差值值越越大大，注水越快。注水越快。根据上述阅历，按以下步骤设计模糊控制器：根据上述阅历，按以下步骤设计模糊控制器：图 4-4 水箱液位控制 1确定观丈量和控制量确定观丈量和控制量定定义义理理想想液液位位O点点的的水水位位为为h0，实实践践测测得得的的水位高度为水位高度为h，选择液位差，选择液位差将当前水位对于将当前水位对于O点的偏向点的偏向e作为观丈量，作为观丈量，

13、2输入量和输出量的模糊化输入量和输出量的模糊化将将偏偏向向e分分为为五五级级：负负大大NB，负负小小NS，零，零O，正小，正小PS，正大，正大PB。根据偏向根据偏向e的变化范围分为七个等级：的变化范围分为七个等级：-3，-2，-1，0，+1，+2，+3。得到水位变化模糊表。得到水位变化模糊表4-1。表表4-1水位变化划分表水位变化划分表控控制制量量u为为调调理理阀阀门门开开度度的的变变化化。将将其其分分为为五五级级：负负大大NB，负负小小NS，零零O，正正小小PS，正正大大PB。并并根根据据u的的变变化化范范围围分分为为九九个个等等级级：-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4。得到

14、控制量模糊划分表。得到控制量模糊划分表4-2。表表4-2控制量变化划分表控制量变化划分表3模糊规那么的描画模糊规那么的描画根据日常的阅历，设计以下模糊规那么：根据日常的阅历，设计以下模糊规那么：1“假设假设e负大，那么负大，那么u正大正大2“假设假设e负小，那么负小，那么u正小正小3“假设假设e为为0，那么，那么u为为04“假设假设e正小，那么正小，那么u负小负小5“假设假设e正大，那么正大，那么u负大负大上上述述规规那那么么采采用用“IFATHENB方方式式来来描描画：画：1ife=NBthenu=NB2ife=NSthenu=NS3ife=0thenu=04ife=PSthenu=PS5i

15、fe=PBthenu=PB根根据据上上述述阅阅历历规规那那么么，可可得得模模糊糊控控制制表表4-3。表表4-3模糊控制规那么表模糊控制规那么表4求模糊关系求模糊关系模模糊糊控控制制规规那那么么是是一一个个多多条条语语句句，它它可可以以表示为表示为UV上的模糊子集，即模糊关系上的模糊子集，即模糊关系R：其其中中规规那那么么内内的的模模糊糊集集运运算算取取交交集集，规规那那么么间的模糊集运算取并集。间的模糊集运算取并集。由以上五个模糊矩阵求并集即隶属函数最大由以上五个模糊矩阵求并集即隶属函数最大值，得：值，得：5模糊决策模糊决策模模糊糊控控制制器器的的输输出出为为误误差差向向量量和和模模糊糊关关系

16、系的合成：的合成：当误差当误差e为为NB时，时，控制器输出为控制器输出为6控制量的反模糊化控制量的反模糊化由由模模糊糊决决策策可可知知，当当误误差差为为负负大大时时，实实践践液液位位远远高高于于理理想想液液位位，e=NB，控控制制器器的的输输出出为一模糊向量，可表示为：为一模糊向量，可表示为：假假设设按按照照“隶隶属属度度最最大大原原那那么么进进展展反反模模糊糊化化，那那么么选选择择控控制制量量为为，即即阀阀门门的的开开度应关大一些，减少进水量。度应关大一些，减少进水量。仿仿真真：按按上上述述步步骤骤，设设计计水水箱箱模模糊糊控控制制的的Matlab仿仿真真程程序序。经经过过该该程程序序，可可

17、实实现现模模糊糊控控制制的的动动态态仿仿真真。模模糊糊控控制制呼呼应应表表见见表表4-4所所示示。取偏向取偏向e=-3，运转该程序，得，运转该程序，得u=-3.1481。表表4-4模糊控制呼应表模糊控制呼应表四、模糊控制器构造四、模糊控制器构造在在确确定定性性控控制制系系统统中中，根根据据输输入入变变量量和和输输出出变变量量的的个个数数，可可分分为为单单变变量量控控制制系系统统和和多多变变量量控控制制系系统统。在在模模糊糊控控制制系系统统中中也也可可类类似似地地划划分分为单变量模糊控制和多变量模糊控制。为单变量模糊控制和多变量模糊控制。1单变量模糊控制器单变量模糊控制器在单变量模糊控制器在单变

18、量模糊控制器SingleVariableFuzzyControllerSVFC中，将其输入变量的个数中，将其输入变量的个数定义为模糊控制的维数。定义为模糊控制的维数。1一一维维模模糊糊控控制制器器如如下下图图，一一维维模模糊糊控控制制器器的的输输入入变变量量往往往往选选择择为为受受控控量量和和输输入入给给定定的的偏偏向向量量E。由由于于仅仅仅仅采采用用偏偏向向值值，很很难难反反映映过过程程的的动动态态特特性性质质量量，因因此此，所所能能获获得得的的系系统统动动态态性性能能是是不不能能令令人人称称心心的的。这这种种一一维维模模糊糊控控制制器器往往被用于一阶被控对象。往往被用于一阶被控对象。2二二

19、维维模模糊糊控控制制器器如如下下图图，二二维维模模糊糊控控制制器器的的两两个个输输入入变变量量根根本本上上都都选选用用受受控控变变量量和和输输入入给给定定的的偏偏向向E和和偏偏向向变变化化EC，由由于于它它们们可可以以较较严严厉厉地地反反映映受受控控过过程程中中输输出出变变量量的的动动态态特特性性，因因此此，在在控控制制效效果果上上要要比比一一维维控控制制器器好好得得多多，也是目前采用较广泛的一类模糊控制器。也是目前采用较广泛的一类模糊控制器。3三三维维模模糊糊控控制制器器如如下下图图，三三维维模模糊糊控控制制器器的的三三个个输输入入变变量量分分别别为为系系统统偏偏向向量量E、偏偏向向变变化化

20、量量EC和和偏偏向向变变化化的的变变化化率率ECC。由由于于这这些些模模糊糊控控制制器器构构造造较较复复杂杂，推推理理运运算算时时间间长长，因因此此除除非非对对动动态态特特性性的的要要求求特特别别高高的的场场所所，普普通较少选用三维模糊控制器。通较少选用三维模糊控制器。模糊控制系统所选用的模糊控制器维数模糊控制系统所选用的模糊控制器维数越高，系统的控制精度也就越高。但是维数越高，系统的控制精度也就越高。但是维数选择太高，模糊控制规律就过于复杂，这是选择太高，模糊控制规律就过于复杂，这是人们在设计模糊控制系统时，多数采用二维人们在设计模糊控制系统时，多数采用二维控制器的缘由。控制器的缘由。2多变

21、量模糊控制器多变量模糊控制器一一个个多多变变量量模模糊糊控控制制器器Multiple VariableFuzzyController系系统统所所采采用用的的模模糊糊控控制制器器，具具有有多多变变量量构构造造，称称之之为为多多变变量量模模糊糊控控制制器器。如如图图4-6所示。所示。要要直直接接设设计计一一个个多多变变量量模模糊糊控控制制器器是是相相当当困困难难的的，可可利利用用模模糊糊控控制制器器本本身身的的解解耦耦特特点点，经经过过模模糊糊关关系系方方程程求求解解，在在控控制制器器构构造造上上实实现现解解耦耦，即即将将一一个个多多输输入入-多多输输出出MIMO的的模模糊糊控控制制器器，分分解解

22、成成假假设设干干个个多多输输入入-单单输输出出MISO的的模模糊糊控制器，这样可采用单变量模糊控制器方法设计。控制器，这样可采用单变量模糊控制器方法设计。图图4-6多变量模糊控制器多变量模糊控制器第第2节节模糊控制系统分类模糊控制系统分类1按信号的时变特性分类按信号的时变特性分类1恒值模糊控制系统恒值模糊控制系统系系统统的的指指令令信信号号为为恒恒定定值值，经经过过模模糊糊控控制制器器消消除除外外界界对对系系统统的的扰扰动动作作用用，使使系系统统的的输输出出跟跟踪踪输输入入的的恒恒定定值值。也也称称为为“自自镇镇定定模模糊糊控控制制系系统统，如温度模糊控制系统。如温度模糊控制系统。2随动模糊控

23、制系统随动模糊控制系统系系统统的的指指令令信信号号为为时时间间函函数数，要要求求系系统统的的输输出出高高精精度度、快快速速地地跟跟踪踪系系统统输输入入。也也称称为为“模模糊糊控控制跟踪系统或制跟踪系统或“模糊控制伺服系统。模糊控制伺服系统。2按模糊控制的线性特性分类按模糊控制的线性特性分类对对开开环环模模糊糊控控制制系系统统S，设设输输入入变变量量为为u，输输出出变变量量为为v。对对恣恣意意输输入入偏偏向向u和和输输出出偏偏向向v，满足，满足，。定定义义线线性性度度，用用于于衡衡量量模模糊糊控控制制系系统统的的线线性化程度：性化程度：其其中中，为为线线性化因子，性化因子，m为模糊子集为模糊子集

24、V的个数。的个数。设设k0为为一一阅阅历历值值，那那么么定定义义模模糊糊系系统统的的线线性性特特性性为为：1当当时时，S为为线线性性模模糊糊系系统统；2当当时时，S为为非非线线性性模模糊糊系统。系统。3按静态误差能否存分类按静态误差能否存分类1有差模糊控制系统有差模糊控制系统将将偏偏向向的的大大小小及及其其偏偏向向变变化化率率作作为为系系统统的的输输入为有差模糊控制系统。入为有差模糊控制系统。2无差模糊控制系统无差模糊控制系统引入积分作用，使系统的静差降至最小。引入积分作用，使系统的静差降至最小。4按系统输入变量的多少分类按系统输入变量的多少分类控控制制输输入入个个数数为为1的的系系统统为为单

25、单变变量量模模糊糊控控制制系系统统，控控制制输输入入个个数数1的的系系统统为为多多变变量量模模糊糊控制系统。控制系统。第第3节节模糊控制器的设计模糊控制器的设计3.1、模糊控制器的设计步骤、模糊控制器的设计步骤模模糊糊控控制制器器最最简简单单的的实实现现方方法法是是将将一一系系列列模模糊糊控控制制规规那那么么离离线线转转化化为为一一个个查查询询表表又又称称为为控控制制表表。这这种种模模糊糊控控制制其其构构造造简简单单，运运用用方方便便，是是最最根根本本的的一一种种方方式式。本本节节以以单单变变量量二二维维模模糊糊控控制制器器为为例例，引引见见这这种种方方式式模模糊糊控控制制器器的的设设计计步步

26、骤骤，其其设设计计思思想想是是设设计计其其他他模模糊糊控控制制器器的根底。的根底。1模糊控制器的构造模糊控制器的构造单变量二维模糊控制器是最常见的构造方式。单变量二维模糊控制器是最常见的构造方式。2定义输入输出模糊集定义输入输出模糊集对对误误差差E、误误差差变变化化EC及及控控制制量量u的的模模糊糊集集及及其论域定义如下：其论域定义如下：E、EC和和u的模糊集均为：的模糊集均为：E、EC的的论论域域均均为为：-3，-2，-1，0，1，2，3u的论域为：的论域为：-4.5,-3,-1.5,0,1,3,4.53定义输入输出隶属函数定义输入输出隶属函数模模糊糊变变量量误误差差E、误误差差变变化化EC

27、及及控控制制量量u的的模模糊糊集集和和论论域域确确定定后后，需需对对模模糊糊言言语语变变量量确确定定隶隶属属函数，确定论域内元素对模糊言语变量的隶属度。函数，确定论域内元素对模糊言语变量的隶属度。4建立模糊控制规那么建立模糊控制规那么根根据据人人的的阅阅历历，根根据据系系统统输输出出的的误误差差及及误误差差的的变变化化趋趋势势来来设设计计模模糊糊控控制制规规那那么么。模模糊糊控控制制规规那那么语句构成了描画众多被控过程的模糊模型。么语句构成了描画众多被控过程的模糊模型。5建立模糊控制表建立模糊控制表模模糊糊控控制制规规那那么么可可采采用用模模糊糊规规那那么么表表4-5来来描描画画，共共49条条

28、模模糊糊规规那那么么，各各个个模模糊糊语语句句之之间间是是或或的的关关系系，由由第第一一条条语语句句所所确确定定的的控控制制规规那那么么可可以以计计算算出出u1。同同理理，可可以以由由其其他他各各条条语语句句分分别别求求出出控控制制量量u2,u49，那那么么控控制制量量为为模模糊糊集集合合U可表示为可表示为表表4-5模糊规那么表模糊规那么表6 6 模糊推理模糊推理 模模糊糊推推理理是是模模糊糊控控制制的的中中心心，它它利利用用某某种种模模糊糊推推理理算算法法和和模模糊糊规规那那么么进进展展推推理理，得得出出最最终终的的控制量。控制量。7 7 反模糊化反模糊化 经经过过模模糊糊推推理理得得到到的

29、的结结果果是是一一个个模模糊糊集集合合。但但在在实实践践模模糊糊控控制制中中，必必需需求求有有一一个个确确定定值值才才干干控控制制或或驱驱动动执执行行机机构构。将将模模糊糊推推理理结结果果转转化化为为准准确确值值的的过过程程称称为为反反模模糊糊化化。常常用用的的反反模模糊糊化化有有三三种：种：(1)最大隶属度法最大隶属度法选选取取推推理理结结果果模模糊糊集集合合中中隶隶属属度度最最大大的的元元素素作为输出值，即作为输出值，即，。假假设设在在输输出出论论域域V中中，其其最最大大隶隶属属度度对对应应的的输输出出值值多多于于一一个个，那那么么取取一一切切具具有有最最大大隶隶属属度度输输出的平均值，即

30、：出的平均值，即：N为具有一样最大隶属度输出的总数。为具有一样最大隶属度输出的总数。 最最大大隶隶属属度度法法不不思思索索输输出出隶隶属属度度函函数数的的外外形形，只只思思索索最最大大隶隶属属度度处处的的输输出出值值。因因此此，难难免免会会丧丧失失许许多多信信息息。它它的的突突出出优优点点是是计计算算简简单单。在在一一些些控控制制要要求求不不高高的的场场所所，可可采采用用最最大大隶隶属属度法。度法。(2) (2) 重心法重心法 为为了了获获得得准准确确的的控控制制量量，就就要要求求模模糊糊方方法法可可以以很很好好的的表表达达输输出出隶隶属属度度函函数数的的计计算算结结果果。重重心心法法是是取取

31、隶隶属属度度函函数数曲曲线线与与横横坐坐标标围围成成面面积积的重心为模糊推理的最终输出值，即的重心为模糊推理的最终输出值，即对于具有对于具有m m个输出量化级数的离散域情况个输出量化级数的离散域情况 与与最最大大隶隶属属度度法法相相比比较较，重重心心法法具具有有更更平平滑滑的的输输出出推推理理控控制制。即即使使对对应应于于输输入入信信号号的的微小变化，输出也会发生变化。微小变化，输出也会发生变化。(3)加权平均法加权平均法工工业业控控制制中中广广泛泛运运用用的的反反模模糊糊方方法法为为加加权平均法，输出值由下式决议权平均法，输出值由下式决议其其中中系系数数的的选选择择根根据据实实践践情情况况而

32、而定定。不不同同的的系系数数决决议议系系统统具具有有不不同同的的呼呼应应特特性性。当当系系数数取取隶隶属属度度时时，就就转转化化为为重重心心法。法。反反模模糊糊化化方方法法的的选选择择与与隶隶属属度度函函数数外外形形的的选选择、推理方法的选择相关择、推理方法的选择相关Matlab提提 供供 五五 种种 解解 模模 糊糊 化化 方方 法法 ： 1centroid：面面积积重重心心法法；2bisector：面面积积等等分分法法；3mom：最最大大隶隶属属度度平平均均法法；4som最最大大隶隶属属度度取取小小法法；5lom：大大隶隶属属度度取取大法；大法；在在Matlab中中，可可经经过过setfi

33、s()设设置置解解模模糊糊化化方方法法，经过经过defuzz()执行反模糊化运算。执行反模糊化运算。 例如，重心法经过下例程序来实现：例如，重心法经过下例程序来实现：x=-10:1:10;mf=trapmf(x,-10,-8,-4,7);xx=defuzz(x,mf,centroid); 在在模模糊糊控控制制中中，重重心心法法可可经经过过下下例例语语句句来来设设定：定：a1=setfis(a,DefuzzMethod,centroid)其中其中a为模糊规那么库。为模糊规那么库。3.2模糊控制器的模糊控制器的Matlab仿真仿真根据上述步骤，建立二输入单输出模糊控制系统，根据上述步骤，建立二输入

34、单输出模糊控制系统，该系统包括两个部分，即模糊控制器的设计和位置跟该系统包括两个部分，即模糊控制器的设计和位置跟踪。踪。1模糊控制器的设计模糊控制器的设计模糊规那么表如表模糊规那么表如表4-5所示，控制规那么为所示，控制规那么为49条。条。误差、误差变化率和控制输入的范围均为。经过运转误差、误差变化率和控制输入的范围均为。经过运转showrule(a)，可得到用于描画模糊系统的，可得到用于描画模糊系统的49条模糊规条模糊规那么。控制器的呼应表如表那么。控制器的呼应表如表4-6所示。所示。表表4-5模糊规那么表模糊规那么表 表表4-6 4-6 模糊呼应表模糊呼应表 eec-3-2-10123-3

35、-3-2-2-1-101-2-2-2-2-1011-1-2-2-10112-1-1-101122-1-10112332011233331122334 模糊控制器的设计仿真程序见模糊控制器的设计仿真程序见chap4_2.mchap4_2.m。在仿。在仿真时，模糊推理系统可由命令真时，模糊推理系统可由命令plotfis(a2)plotfis(a2)得到。系得到。系统的输入输出隶属度函数如图统的输入输出隶属度函数如图4-74-7至至4-94-9所示。所示。 图4-7 偏向隶属度函数 图4-8 偏向变化率隶属度函数 图4-9 控制器输出隶属度函数 2模糊控制位置跟踪模糊控制位置跟踪被控对象为被控对象为

36、首先运转模糊控制器程序首先运转模糊控制器程序chap4_2.m，并将模糊控，并将模糊控制系统保管在制系统保管在a2之中。然后运转模糊控制的之中。然后运转模糊控制的Simulink仿真程序，位置指令取正弦信号，仿真结果如图仿真程序，位置指令取正弦信号，仿真结果如图4-10所示。所示。模糊控制位置跟踪的模糊控制位置跟踪的Simulink仿真程序见仿真程序见chap4_3.mdl。图4-10 正弦位置跟踪图4-10 正弦位置跟踪 第第4节节模糊控制器设计实例模糊控制器设计实例-洗衣机模糊控制洗衣机模糊控制以以模模糊糊洗洗衣衣机机的的设设计计为为例例，其其控控制制是是一一个个开开环的决策过程，模糊控制

37、按以下步骤进展。环的决策过程，模糊控制按以下步骤进展。1模糊控制器的构造模糊控制器的构造选选用用单单变变量量二二维维模模糊糊控控制制器器。控控制制器器的的输输入入为衣物的污泥和油脂，输出为洗涤时间。为衣物的污泥和油脂，输出为洗涤时间。2定义输入输出模糊集定义输入输出模糊集将将污污泥泥分分为为三三个个模模糊糊集集：SD污污泥泥少少，MD污污泥泥中中，LD污污泥泥多多，取取值值范范围围为为0，100。3定义隶属函数定义隶属函数选用如下隶属函数：选用如下隶属函数：采采用用三三角角形形隶隶属属函函数数实实现现污污泥泥的的模模糊糊化化，如图如图4-11所示。所示。图图4-11污泥隶属函数污泥隶属函数 采

38、采采采用用用用MatlabMatlab仿仿仿仿真真真真，可可可可实实实实现现现现污污污污泥泥泥泥隶隶隶隶属属属属函函函函数数数数的的的的设设设设计计计计，仿仿仿仿真真真真程程程程序为序为序为序为chap4_4.mchap4_4.m将将油油脂脂分分为为三三个个模模糊糊集集：NG无无油油脂脂，MG油油脂脂中中，LG油油脂脂多多，取取值值范范围围为为0，100。选用如下隶属函数：。选用如下隶属函数：采采用用三三角角形形隶隶属属函函数数实实现现污污泥泥的的模模糊糊化化，如如以以下图下图4-12所示。仿真程序同污泥隶属函数。所示。仿真程序同污泥隶属函数。图图4-12油脂隶属函数油脂隶属函数将将洗洗涤涤时

39、时间间分分为为三三个个模模糊糊集集：VS很很短短，S短短，M中中等等，L长长，VL很很长长，取值范围为取值范围为0，60。选用如下隶属函数：。选用如下隶属函数：采采用用三三角角形形隶隶属属函函数数实实现现洗洗涤涤时时间间的的模模糊糊化化，如图如图4-13所示。所示。图图4-13洗涤时间隶属函数洗涤时间隶属函数采采用用Matlab仿仿真真，可可实实现现洗洗涤涤时时间间隶隶属属函函数数的设计，仿真程序为的设计，仿真程序为chap4_5。4建立模糊控制规那么建立模糊控制规那么根根据据人人的的操操作作阅阅历历设设计计模模糊糊规规那那么么，模模糊糊规规那那么么设设计计的的规规范范为为：“污污泥泥越越多多

40、，油油脂脂越越多多，洗洗涤涤时时间间越越长长；“污污泥泥适适中中，油油脂脂适适中中，洗洗涤涤时时间间适适中；中；“污泥越少，油脂越少，洗涤时间越短。污泥越少，油脂越少，洗涤时间越短。5建立模糊控制表建立模糊控制表根根据据模模糊糊规规那那么么的的设设计计规规范范，建建立立模模糊糊规规那那么么表表4-7。表表4-7模糊洗衣机的洗涤规那么模糊洗衣机的洗涤规那么第第*条条规规那那么么为为：“IF衣衣物物污污泥泥少少且且没没有有油脂油脂THEN洗涤时间很短。洗涤时间很短。6模糊推理模糊推理分以下几步进展：分以下几步进展：规规那那么么匹匹配配。假假定定当当前前传传感感器器测测得得的的信信息息为为：，分别带

41、入所属的隶属函数中求隶属度：分别带入所属的隶属函数中求隶属度：经经过过上上述述四四种种隶隶属属度度，可可得得到到四四条条相相匹匹配的模糊规那么，如表配的模糊规那么，如表4-8所示：所示：表表4-8模糊推理结果模糊推理结果 规规那那么么触触发发。由由上上表表可可知知，被被触触发发的的规规那那么么有有4 4条：条：Rule Rule 1 1：IF IF y y is is MD MD and and x x is is MG MG THEN THEN z z is is M MRule Rule 2 2：IF IF y y is is MD MD and and x x is is LG LG T

42、HEN THEN z z is is L LRule Rule 3 3：IF IF y y is is LD LD and and x x is is MG MG THEN THEN z z is is L LRule Rule 4 4：IF IF y y is is LD LD and and x x is is LG LG THEN THEN z z is is VLVL 规规那那么么前前提提推推理理。在在同同一一条条规规那那么么内内，前前提提之之间间经经过过“与与的的关关系系得得到到规规那那么么结结论论，前前提提之之间间经经过过取取小小运运算算，得得到到每每一一条条规规那那么么总总前前提

43、提的可信度：的可信度：规规那那么么1 1前前提提的的可可信信度度为为：minmin4/54/5，3/53/5=3/5=3/5规规那那么么2 2前前提提的的可可信信度度为为：minmin4/54/5，2/52/5=2/5=2/5规规那那么么3 3前前提提的的可可信信度度为为：minmin1/51/5，3/53/5=1/5=1/5规规那那么么4 4前前提提的的可可信信度度为为：minmin1/51/5，2/52/5=1/5=1/5由由此此得得到到洗洗衣衣机机规规那那么么前前提提可可信信度度表表，即即规规那么强度表那么强度表4-94-9。表表4-9规那么前提可信度规那么前提可信度 将将上上述述两两个

44、个表表进进展展“与与运运算算，得得到到每每条条规那么总的输出，如表规那么总的输出，如表4-104-10所示所示表表4-10 4-10 规那么总的可信度规那么总的可信度 模糊系统总的输出模糊系统总的输出 模模糊糊系系统统总总的的输输出出为为各各条条规规那那么么推推理理结结果的并，即果的并，即 反模糊化反模糊化 模模糊糊系系统统总总的的输输出出实实践践上上是是三三个个规规那那么么推推理理结结果果的的并并集集，需需求求进进展展反反模模糊糊化化，才才干干得得到到准准确确的的推推理理结结果果。下下面面以以最最大大平平均均法法为为例，进展反模糊化。例，进展反模糊化。将将带带入入洗洗涤涤时时间间隶隶属属函函

45、数数中中的的，得得到到规规那那么么前前提提隶隶属属度度与与规规那那么么结结论论隶隶属属度度的交点：的交点：，得：得：，。采用最大平均法，可得准确输出采用最大平均法，可得准确输出仿仿真真实实例例：采采用用MATLAB中中模模糊糊控控制制工工具具箱箱中中的的模模糊糊命命令令设设计计洗洗衣衣机机模模糊糊控控制制系系统统，采采用用本本节节的的隶隶属属函函数数，按按上上述述步步骤骤设设计计模模糊糊系系统统。取取x=60，y=70，反反模模糊糊化化采采用用重重心心法法，模模糊糊推推理理结结果果为为33.6853。利利用用模模糊糊命命令令ruleview可可实实现现模模糊糊控控制制的的动动态态仿仿真真。动动

46、态态仿仿真模糊系统如图真模糊系统如图4-16所示。所示。仿真程序：仿真程序：chap4_6.m图4-16 动态仿真模糊系统 第第5 5节节 模糊自顺应整定模糊自顺应整定PIDPID控制控制5.1 5.1 模糊自顺应整定模糊自顺应整定PIDPID控制原理控制原理见WORD文档。第第6节节Sugeno模糊模型模糊模型6.1Sugeno模糊模型模糊模型传统的模糊系统为传统的模糊系统为Mamdani模糊模型，输模糊模型，输出为模糊量。出为模糊量。Sugeno模糊模型输出隶属函数为模糊模型输出隶属函数为constant或或linear，其函数方式为：，其函数方式为：它与它与Mamdani模型的区别在于：

47、模型的区别在于：1输出变量为常量或线性函数；输出变量为常量或线性函数；2输出为准确量。输出为准确量。6.2Sugeno模糊模型的设计模糊模型的设计设设输输入入，将将它它们们模模糊糊化化为为两两个个模模糊糊量量：小小，大大。输输出出为为输输入入的的线线性性函数，模糊规那么为：函数，模糊规那么为：仿真设计：仿真设计：根据上述规那么设计一个二输入、单输出的根据上述规那么设计一个二输入、单输出的Sugeno模型，可察看到输入输出隶属函数曲线。模型，可察看到输入输出隶属函数曲线。仿真结果如下图。仿真结果如下图。仿真程序：仿真程序：chap4_8.m仿真仿真图图 Sugeno Sugeno模糊推理系统的输

48、入隶属函数曲线模糊推理系统的输入隶属函数曲线 图图 Sugeno Sugeno模糊推理系统的输入模糊推理系统的输入/ /输出曲线输出曲线 第第7节节基于基于Sugeno模糊模型的倒立摆模糊控制模糊模型的倒立摆模糊控制7.1倒立摆模型的部分线性化倒立摆模型的部分线性化当当倒倒立立摆摆的的摆摆角角和和摆摆速速很很小小时时，其其模模型型可可进进展展线线性性化化，从而可实现基于从而可实现基于Sugeno模糊模型的倒立摆模糊控制。模糊模型的倒立摆模糊控制。倒立摆的动力学方程为：倒立摆的动力学方程为：其中 表示摆与垂直线的夹角， ， 表示摆的摆动角速度， ， 为重力加速度， 为倒立摆的质量， 为摆长， ，

49、 为小车质量， 当摆角 和摆速 很小时 ， 。在平面上对倒立摆模型进展部分线性化，倒立摆的动力学方程可近似写为：7.2 7.2 仿真实例仿真实例 取倒立摆参数取倒立摆参数 ， ， 。令。令 ，那么倒立摆的动力学方程可表示，那么倒立摆的动力学方程可表示为如下形状方程：为如下形状方程： 其中其中 ， 。那么可得到那么可得到SugenoSugeno型模糊模型规那么：型模糊模型规那么： 选择期望的闭环极点 ，采用的反响控制，利用极点配置函数place(A,B,P)，可以得到系统的反响增益矩阵F： 。 根据倒立摆的模糊建模过程，可以设计Sugeno型模糊控制器，其Sugeno型模糊控制规那么为： 利用上

50、述两种模糊规那么，可设计基于Sugeno模糊模型的倒立摆模糊控制系统。 设倒立摆的摆角范围为 度，摆角角速度范围为 度/秒，摆角角加速度范围为 度/秒2。采用三角形隶属函数对摆角和摆角角速度进展模糊化。摆角初始形状为 ，运转仿真程序chap4_9f.m和chap4_9.m，倒立摆的摆角、角速度、控制输出信号及模糊输入隶属函数曲线的仿真结果如下图。第8节 模糊控制的运用模糊控制在家电中的 运用(1)模糊电视机(2) 模糊空调(3) 模糊微波炉(4) 模糊洗衣机(5) 模糊电动剃刀模糊控制在过程控制中的 运用(1)工业炉(2)石化(3)煤矿(4)食品加工行业第9节 模糊控制开展概略9.1 模糊控制开展的几个转机点9.2 模糊控制的开展方向Fuzzy-PID复合控制自顺应模糊控制专家模糊控制神经模糊控制多变量模糊控制9.3 模糊控制面临的主要义务