1、第三章 模糊控制 余 伶 俐 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 2 3.1 模糊控制的工作原理 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。 人类专家的控制经验是如何转化为数字控制器的 ？ 人类对热水器水温的调节 控制思想： 如果水温偏高，就把燃气阀关小；如果水温偏低，就把燃气阀开大。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Softwar
2、e, (CSU) 3 3.1 模糊控制的工作原理 模仿人类的调节经验，可以构造一个模糊控制系统来实现对热水器的控制。 用一个温度传感器来替代左手进行对水温的测量，传感器的测量值经 A/D变换后送往控制器。 电磁燃气阀代替右手和机械燃气阀作为执行机构，电磁燃气阀的开度由控制器的输出经 D/A变换后控制。 构造控制器，使其能够模拟人类的操作经验。 人类的控制规则 如果水温比期望值 高 ，就把燃气阀关 小 ； 如果水温比期望值 低 ，就把燃气阀开 大 。 描述了输入（水温与期望值的偏差 e）和输出（燃气阀开度的增量 u） 之间的模糊关系 R Research Center of Intelligen
3、t System and Intelligent Software, (CSU) 4 3.1 模糊控制的工作原理 输入 e 输出 u 模糊推理 规则库 R D/A 电磁阀 热水器 温度 传感器 A/D 期望值 e u 模糊值 模糊值 精确值 精确值 模糊化 去模糊化 热水器水温模糊控制系统结构 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 5 3.1 模糊控制的工作原理 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
4、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。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 6 3.2 模糊控制器的结构和设计 模糊推理清晰化接口模糊化接口规则库模糊控制器的基本结构通常由四个部分组成： 模糊化接口 规则库 模糊推理 清晰化接口 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 7 3.2.1 模糊化接口 3.2 模糊控制器的结构和设计 模糊化
5、就是通过在控制器的输入、输出论域上定义语言变量，来将精确的输入、输出值转换为模糊的语言值。 模糊化接口的设计步骤事实上就是定义语言变量的过程，可分为以下几步 ： 1) 语言变量的确定 针对模糊控制器每个输入、输出空间，各自定义一个语言变量。 通常取系统的误差值 e和误差变化率 ec为模糊控制器的两个输入，在e的论域上定义语言变量 “误差 E”，在 ec的论域上定义语言变量 “误差变化 EC”；在控制量 u的论域上定义语言变量 “控制量 U”。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 8 3.2
6、模糊控制器的结构和设计 2)语言变量论域的设计 在模糊控制器的设计中，通常就把语言变量的论域定义为有限整数的离散论域。例如，可以将 E的论域定义为 -m, -m+1, , -1, 0, 1, , m -1, m；将EC的论域定义为 -n, -n+1, , -1, 0, 1, , n -1, n；将 U的论域定义为 -l, -l+1, , -1, 0, 1, , l -1, l。 ? 为了提高实时性，模糊控制器常常以控制查询表的形式出现。该表反映了通过模糊控制算法求出的模糊控制器输入量和输出量在给定离散点上的对应关系。为了能方便地产生控制查询表，在模糊控制器的设计中，通常就把语言变量的论域定义为
7、有限整数的离散论域。 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 9 如何实现实际的连续域到有限整数离散域的转换？ 通过引入量化因子 ke、 kec和比例因子 ku来实现 ke kec d/dt 模糊 控制器 ku 期望值 y e ec E EC U u 假设在实际中，误差的连续取值范围是 e=eL,eH， eL表示低限值， eH表示高限值。则： LHe eemk2同理，假如误差变化率的连续取值范围是 ec=ecL,ecH ，控制量的连续取值范围是 u=uL,uH ，则量化因子 kec和比例因子 k
8、u可分别确定如下： LHec ececnk 2 l uuk LHu 23.2 模糊控制器的结构和设计 Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 10 在确定了量化因子和比例因子之后，误差 e和误差变化率 ec可通过下式转换为模糊控制器的输入 E和 EC： )2( LHe eeekE )2( LHec ecececkEC式中， 代表四舍五入取整操作。 6050403020100015.021314155.060 * C25.01115.0 )1(5.0)2(1)3(1)4(1)5(5.0* URes
9、earch Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 28 3.2 模糊控制器的结构和设计 清晰化处理后得到的模糊控制器的精确输出量 U*，经过比例因子可以转化为实际作用于控制对象的控制量 2* LHu uuUku Research Center of Intelligent System and Intelligent Software, (CSU) 29 3.2 模糊控制器的结构和设计 3.2.5 模糊查询表 模糊控制器的工作过程 : 模糊控制器实时检测系统的误差和误差变化率 e*和ec*； 通过量化因子 ke
10、和 kec将 e*和 ec*量化为控制器的精确输入 E*和 EC*； E*和 EC*通过模糊化接口转化为模糊输入 A*和 B*； 将 A*和 B*根据规则库蕴涵的模糊关系进行模糊推理，得到模糊控制输出量 C*； 对 C*进行清晰化处理，得到控制器的精确输出量 U*； 通过比例因子 ku将 U*转化为实际作用于控制对象的控制量 u*。 将（ 3）（ 5）步离线进行运算，对于每一种可能出现的 E和EC取值，计算出相应的输出量 U，并以表格的形式储存在计算机内存中，这样的表格我们称之为模糊查询表。 Research Center of Intelligent System and Intellige
11、nt Software, (CSU) 30 3.2 模糊控制器的结构和设计 如果 E、 EC和 U的论域均为 -6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6，则生成的模糊查询表具有如下形式 U EC -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 E -6 -6 -6 -6 -6 -6 -5 -5 -4 -3 -2 0 0 0 -5 -6 -6 -6 -6 -5 -5 -5 -4 -3 -2 0 0 0 -4 -6 -6 -6 -5 -5 -5 -5 -3 -3 -2 0 0 0 -3 -5 -5 -5 -5 -4 -4 -4 -3 -2 -1 1 1 1 -2 -4 -4 -4 -4 -4 -4 -4 -2 -1 0 2 2 2 -1 -4 -4 -4 -3 -3 -3 -3 -1 2 2 3 3 3 0 -4 -4 -4 -3 -3 -1 0 1 3 3 4 4 4 1 -3 -3 -3 -2 -2 1 3 3 3 3 4 4 4 2 -2 -2 0 0 1 2 4 4 4 4 4 4 4 3 -1 -1 0 1 2 3 4 4 4 5 5 5 5 4 0 0 1 2 3 4 5 5 5 5 6 6 6 5 0 0 1 2 3 4 5 5 5 6 6 6 6 6 0 0 1 2 3 4 5 5 6 6 6 6 6
