模糊控制原理ppt课件.ppt
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1、第2讲 模糊控制原理,第一部分 模糊控制,第一节 模糊控制(推理)系统的基本结构,1.1 模糊控制系统的组成,模糊控制器,1.2 模糊控制器(推理)的结构,1.2 模糊控制器的结构,模糊化,模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊量。具体过程为:,尺度变换,将输入变量由基本论域变换到各自的论域范围。变量作为精确量时,其实际变化范围称为基本论域;作为模糊语言变量时,变量范围称为模糊集论域。,2)模糊处理,1)尺度变换,将变换后的输入量进行模糊化,使精确的输入量变成模糊量,并用相应的模糊集来表示。,知识库,1.2 模糊控制器的结构,数据库主要包括各语言变量的隶属函数,尺度变换因子及模糊空间的分级数等
2、。,规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了控制专家的经验和知识。,1.2 模糊控制器的结构,模糊推理,模糊推理是模糊控制器的核心,它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。,清晰化,作用:将模糊推理得到的模糊控制量变换为实际用于控制的清晰量。包括:,1) 将模糊量经清晰化变换成论域范围的清晰量。2) 将清晰量经尺度变换变化成实际的控制量。,1.3 模糊控制器的维数,模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数。对于单输入单输出的控制系统,一般有以下三种情况:,一维模糊控制器 一个输入:误差;输出为控制量或控制量的变化。 二维模糊控制 二个输入:误差及误差的变化。 三维模糊控制器
3、 三个输入为输入:误差、误差的变化、误差变化的速率。,第二节 模糊控制系统的基本原理,2.1 模糊化运算(Fuzzification),2.2 清晰化计算 (Defuzzification),2.3 数据库(Data base),2.4 模糊推理 (Fuzzy Inference),2.4 规则库(Rule base),2.1 模糊化运算(Fuzzification),模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合。首先需要对输入变量进行尺度变换,将其变化到相应的论域范围,然后将其模糊化,得到相应的模糊集合。,论域变换,若实际的输入量为x0*,其变化范围(基本论域)为xmin*,xm
4、ax*,要求的论域范围为xmin,xmax,采用线性变换,则,若论域是离散的,则需要将连续的论域离散化或量化。,2.1 模糊化运算(Fuzzification),比例因子,模糊化,1)单点模糊集合,若输入量数据x0是准确的,则通常将其模糊化为单点模糊集合。设该集合用A表示,则有,2)三角形模糊集合,若输入量数据存在随机测量噪声,则此时的模糊化运算相当于将随机量变换为模糊量,对于这种情况,可以取模糊量的隶属度函数为等于三角形。三角形的顶点对应于该随机数的均值,底边的长度等于2倍的随机数据的标准差。另外可以取正态分布的函数。,2.2 清晰化计算 Defuzzification,1解模糊,模糊推理结
5、果为输出论域上的一个模糊集,通过某种解模糊算法,可得到论域上的精确值。,(1)平均最大隶属度法(mom)mean value of maximum,例如:已知输出量z的模糊集为,根据mom法,得,取模糊集中具有最大隶属度的所有点平均值作为去模糊化的结果。,2.2 清晰化计算 Defuzzification,1解模糊,(2)最大隶属度取最小值法(som) smallest (absolute) value of maximum,(3)最大隶属度取最大值法(lom) largest (absolute) value of maximum,(4)面积平分法(bisector)bisector of
6、area,1解模糊,(5)加权平均法(重心法 centroid) centroid of area,对于论域为离散的情况,有,2.2 清晰化计算Defuzzification,2.2 清晰化计算Defuzzification,2论域反变换,论域上的精确量还需经过尺度变换变为实际的控制量。,若z0的论域范围为zmin,zmax,实际的控制量的变化范围为umin,umax,采用线性变换,则,式中,k为比例因子。,2.3 数据库data base,存储着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识,如模糊化中论域变换方法、输入变量隶属函数的定义、模糊推理算法、解模糊算法、输出变量各模糊集的隶属函数定义等。
7、,输入输出空间的模糊分割,模糊控制规则中,前提的语言变量构成模糊输入空间,结论的语言变量构成模糊输出空间。每个语言变量的取值为一组模糊语言名称,每个模糊语言名称对应一个模糊集合。对于每个语言变量,其取值的模糊集合具有相同的论域。,模糊分割是要确定对于每个语言变量取值的模糊语言(模糊集)名称和个数,并定义其隶属函数。,2.3 数据库data base,输入输出空间的模糊分割,1. 模糊控制系统常用的模糊语言(模糊集),正大(PB或PL),正中(PM),正小(PS),正零(PO或PZ),零(O或Z),负零(NO 或 NZ),负小(NS),负中(NM),负大(NB或NL)。,其中P(Positive
8、)表示正,N( Negative)表示负,B(Big)表示大,M (Middle)表示中,S(Small)表示小,L(large)表示大,Z(Zero)表示0。,2.3 数据库data base,模糊分割的个数决定了模糊控制精细化的程度。 模糊分割的个数也决定了最大可能的模糊规则的个数。 如对于两个输入单输出的模糊关系,若两输入x和y的模糊分割数分别为3和7,则最大可能的规则数为21。 模糊分割数的确定主要靠经验和试凑 模糊分割数越多,控制规则数越多,控制越复杂;模糊分割数太小,将导致控制太粗略,难以对控制性能进行精心的调整。,2. 模糊分割的个数,2.3 数据库data base,隶属函数的
9、确定,确定同一模糊变量模糊子集隶属函数的几个原则:,论域中每个点应至少属于一个隶属函数的区域,并应属于不超过两个隶属函数的区域。 对于同一个输入没有两个隶属函数会同时有最大隶属度。 当两个隶属函数重叠时,重合部分的任何点的隶属函数的和应该小于等于1。,2.3 数据库data base,隶属函数的确定,“对称”:正负两边的图像对称;“均匀分布”:每个三角形的中心点在论域上均匀分布;“全交叠”:每个三角形的底边端点恰好是相邻两个三角形的中心点。,2.4 规则库 rule base,模糊控制规则库由一系列的“IF-THEN”型模糊条件语句构成。,1模糊控制规则的建立,基于专家经验和控制工程知识基于操
10、作人员的实际控制过程基于过程的模糊模型(TS)基于学习(ANFIS),2模糊控制规则的性能要求,完备性 对于任意的输入,模糊控制器均应给出合适的控制输出,这个性质称为完备性。模糊规则的完备性是保证系统能够被控制的必要条件之一,它对于模糊规则库的要求是:对于任意的输入应确保它至少有一个可使用的规则,且规则的适用程度应大于某个数,如0.5。,2模糊控制规则的性能要求,模糊控制规则数总的原则是:在满足完备性的条件下,尽量取较少的规则数,以简化模糊控制器的设计和实现。一致性 对于一组模糊控制规则,不允许出现下面的情况:如果给定一个输入,结果产生两组不同的、甚至是矛盾的输出。,3模糊控制规则的建立举例,
11、以简单的单输入、单输出水位控制系统为例来说明。采用模糊控制器控制水箱的水位。根据出水阀的用水情况,注水阀自动调整开度大小,使水箱的水位保持在一定高度h。注水阀阀门开度越大,注水速度越快,水箱水位上升。阀门开度由控制信号的大小来决定。,3模糊控制规则的建立举例,若水位高于h0,则控制阀应开小一点,且高得多时,控制阀关得多。若水位高于h0,则控制阀应开小一点,且高得少时,控制阀关得少。若水位在h0附近,则控制阀开度基本不变。若水位低于h0,则控制阀开度要增加,且低得多时,控制阀开得多。若水位低于h0,则控制阀开度要增加,且低得少时,控制阀开得少。,根据人工操作经验,控制规则可以用语言描述如下:,根
12、据操作人员手动控制经验,模糊控制规则可归纳如下。这里u为控制信号的增量。,若e负大(NB),则u负大(NB)。 若e负小(NS),则u负小(NS)。 若e为零(ZO),则u为零(ZO)。 若e正小(PS),则u正小(PS)。 若e正大(PB),则u正大(PB)。,4建立模糊控制规则的基本思路,被控对象为正作用过程,被控量随控制量的增大而增大;被控对象为反作用过程,被控量随控制量的增大而减小。,首先,考虑误差E(给定与实际值之差)为正的情况。, 误差E为正大 当误差变化EC为正时,这时误差有增大的趋势,为尽快消除已有的正大误差并抑制误差变大,控制量的变化取负大;(反作用过程),4建立模糊控制规则
13、的基本思路, 误差E为正大 当误差变化为负时,系统本身已有减少误差的趋势,所以为了尽快消除误差且又不超调,应取较小的控制量。若误差变化为负小时,控制量的变化取负中;若误差变化负大或负中,控制量不宜增加,否则造成超调会产生负误差,这时控制量的变化取为零等级。, 误差为正中 控制量的变化应尽快消除误差,基于这种原则,控制量的变化取为同误差为正大时相同。, 误差为正小 系统接近稳态,若误差变化为正时,选取控制量变化为负中,以抑制误差向正方向变化; 若误差变化为负时,系统本身有消除正小误差的趋势,选取控制量变化为正小即可。,其次,误差为负与误差为正时类同,相应的符号都要变化。,4建立模糊控制规则的基本
14、思路,总之,取控制量变化的原则是:当误差较大或大时,选择控制量以尽快消除误差为主;而当误差较小时,选择控制量要注意防止超调,以保证系统的稳定性为主要出发点。,3.2.5 模糊推理 Fuzzy Inference,给定规则集,规则1: 若 x为A1 and y为B1,则 z为C1规则2: 若 x为A2 and y为B2,则 z为C2规则n: 若 x为An and y为Bn,则 z为Cn,其中,xX,y Y,zZ,语言变量x的模糊集为A1An,语言变量y的模糊集为B1Bn,语言变量z的模糊集为C1Cn。,无论连续还是离散论域,模糊推理都有下述三个规律 。,模糊推理规律,模糊推理定理,定理1(各规则
15、分别推理),模糊推理定理,定理2(各条件分别推理),模糊推理定理,定理3(输入为模糊单点时的推理方法),输入为x=x0,y=y0,i称为规则i的激活度。,x0,y0看作模糊单点,则有,证明:,重点,由定理1知,输入 x=x0,y=y0时,上式可化简为,因此,两条规则时推理过程图示,设计模糊控制器,即建立一个模糊推理系统,根据输入的精确量,得到精确的输出控制量。包括:,确定基本论域和论域(比例因子)定义模糊子集和隶属函数设计模糊控制规则选择模糊推理方法(max-min)确定模糊化(单点)、清晰化的方法(重心法),想法?,第三节 离散论域的模糊控制系统,模糊控制系统组成,当论域为离散时,经过量化后
16、的输入量的个数是有限的。因此,可以针对输入情况的不同组合,离线计算出相应的控制量,从而组成一张控制表,实际控制时只要直接查表即可,在线的运算量是很少的。这种离线计算、在线查表的模糊控制方法比较容易满足实时控制的要求。,D-FC 系统结构,以某电加热炉温度控制系统为例来说明D-FC的设计过程。该系统通过控制可控硅导通角来控制电加热炉的电压,从而控制炉温。,还原炉温度模糊控制系统,r为给定温度,y为被控对象的实测温度,采用二维模糊控制器,输入为误差e=r-y和误差的变化ec=ek-ek-1,输出uc为可控硅导通角的变化量。,D-FC的设计过程,1确定输入输出变量的基本论域、论域,D-FC的设计过程
17、,e、ec、u的实际变化范围分别为-30,30,-24,24,-36,36。E、EC、UC的离散论域均为 -6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6则比例因子 k1= 6/ 30, k2 = 6/ 24, k3 =36/ 6,2定义模糊子集及隶属函数,对E定义八个模糊集E1,E8,分别表示PL(正大),PM(正中),PS(正小),PZ(正零),NZ(负零),NS(负小),NM(负中),NL(负大)。对EC定义七个模糊集EC1,EC8,分别表示PL,PM,PS, Z,NS,NM,NL。对UC定义七个模糊集UC1,UC8,分别表示PL,PM,PS, Z,NS,NM,NL。,D-
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