模糊控制课件第二章.ppt
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1、1,模糊控制技术,第2章 模糊逻辑与模糊推理,2,2.1 模糊集合及其隶属函数,2.1.1 模糊集合及其表示模糊集合的概念集合可以表达概念。符合某概念的对象的全体就构成此概念的外延,一个概念所包含的那些区别于其他概念的全体本质属性就是这概念的内涵。,3,普通集合:论域讨论的范围U、V、W集合U上的一部分叫U上的集合A、B、C元素A、B、C中的元x、y、z、u、v、w幂集所有集合的集合P(x)表示方法 定义法A=x|x为偶数,x10列举法A=2,4,6,8特征函数法,4,模糊集合:某集合U中的元素在一定程度上属于该集合。隶属度:资格。例:某班的高个同学集合(模糊集合)某班的男同学集合(模糊集合特
2、例-普 通集合),5,定义 论域U中的模糊子集A,是以隶属函数A表征的集合。即由映射确定论域U的一个模糊子集A。A称为模糊子集A的隶属函数,A(u)称为u对A的隶属度,它表示论域中的元素u属于其模糊子集A的程度。它在0,1闭区间内可连续取值。,6,上述定义表明:论域U中的元素是分明的,即U本身是普通集合,只是U的子集是模糊集合,故称A为U的模糊子集,简称模糊集。隶属函数A(u)是用来说明u隶属于A的程度的,A(u)的值越接近于1,表示u隶属于A的程度越高;当A(u)的值域变为0,1时,隶属函数A(u)蜕化为普通集合的特征函数,模糊集合也就蜕化为普通集合。,7,模糊集合完全由其隶属函数来刻画。隶
3、属函数是模糊数学的最基本概念,借助于它才能对模糊集合进行量化。,图2.1 普通集合对温度的定义,8,模糊集合的表示方法Zadeh表示方法,图2.2 模糊集合对温度的定义,9,当U为离散有限论域U=u1,u2,un时,模糊集合A表示为:当U为连续无限论域时,模糊集合A表示为:向量表示法,(2.1),(2.2),10,当模糊集合A的论域由有限个元素构成时,模糊集合A表示成向量形式:序偶表示法若将论域U中的元素ui与其对应的隶属度A(ui)组成序偶(ui,A(ui),A可表示为:,11,例:设“智能玩具”这一模糊概念属于论域E,其外延是一个模糊集合A,若某超市有卖的五件智能玩具:e1、e2、e3、e
4、4、e5,对A的隶属度分别为A(e1)=0.5,A(e2)=0.8,A(e3)=0.4,A(e4)=0.3,A(e5)=0.0。则模糊子集A可以由Zadeh表示法记作:A0.5/e1+0.8/e2+0.4/e3+0.0/e5,12,4)隶属函数法用隶属函数的解析表达式表示出相应的模糊集合。2.1.2 模糊集合的基本运算及其法则定义 论域U中模糊子集的全体,称为U中的模糊幂集,记作F(U),即,(2.3),13,对于任一uU,若A=0,则称A为空集;若A=1,则称A=U为全集,通常全集记为E。定义 设A、B是论域U上的两个模糊集合,即A,BF(U),若对任一uU,都有B(u)A(u),则称B包含
5、于A,或称A包含B,记作B A;若对任一uU,都有B(u)=A(u),则称B等于A,记作B=A。,14,设A、B是论域U上的两个模糊集合,隶属函数分别为A和B,常用的运算有:“并”运算AB“交”运算AB“补”运算A,15,例:,16,17,2.1.3 模糊集合与普通集合的关系普通集合表达的是内涵和外延均为明确的清晰概念。普通集合只能表达“非此即彼”的概念,而不能表达“亦此亦彼”的现象。模糊集合表达的是一类内涵明确而外延不分明的模糊概念。这种概念反应了人的认识的主观性。因此模糊集合能够表达“亦此亦彼”的现象。模糊集合的隶属函数是普通集合特征函数的扩展和一般化。,18,2.1.4 模糊集合的隶属函
6、数,确定隶属函数的原则隶属函数的确定应遵守一些基本原则。表示隶属函数的模糊集合必须是凸模糊集合通常,某一模糊概念的隶属函数的确定应首先从最适合这一模糊概念的点下手,然后向两边延伸。延伸时其隶属函数的值必须单调递减,不允许有波浪形。,19,某专家根据他本身的经验对“舒适”温度的隶属函数定义如下:,图2.3 隶属函数向最大值两边延伸的差别 图2.4 非凸模糊集合隶属函数,20,变量所取隶属函数通常是对称和平衡的隶属函数要符合人们的语义顺序,避免不恰当的重叠模糊控制系统隶属函数的选择通常应遵循:论域中的每个点应该至少属于一个隶属函数的区域,同时,它一般应该属于至多不超过两个隶属函数的区域;对同一个点
7、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,重叠部分的任何点的隶属函数的和应该小于等于1。,21,图2.5 交叉越界的隶属度函数示意图 图2.6 重叠指数定义,22,确定隶属函数的方法模糊统计法对论域U上的一个确定元素u0,考虑n个有模糊集合A属性的普通集合A*以及元素u0对A*的归属次数。u0对A*的归属次数和n的比值就是元素u0对模糊集合A的隶属度:,(2.4),23,专家经验法:有专家的实际经验给出模糊信息的处理算式或相应权系数来确定函数的方法。二元排序法:通过对多个事物之间两两对比来确定某种特征下的顺序,由此来决定这些事物对该特征的隶属函数的大致形状。典型函数法:根据问题
8、的性质,应用一定的分析与推理,选用某些典型函数作为隶属函数。,24,常用隶属函数的图形基本的隶属函数图形可分成三类:左大右小的偏小型下降函数(称做Z函数)、对称型凸函数(称作函数)和右大左小的偏大形上升函数(称做S函数)。,25,图2.7 基本隶属函数图形,图2.8 直线型隶属函数,Z函数,函数,S函数,三角形函数,梯形函数,26,2.2 模糊矩阵与模糊关系2.2.1 模糊矩阵模糊矩阵的概念及其运算定义 矩阵R=(rij)nm称做模糊矩阵,如果对任意的in及jm,都有rij0,1。定义 对于任意的模糊矩阵R=(rij)nm,S=(sij)nm,RS=(rijsij)nm称做模糊矩阵R和S的并;
9、RS=(rijsij)nm称做模糊矩阵R和S的交;R=(1-rij)nm称做模糊矩阵R的余矩阵;如果rijsij,(i=1,2,n;j=1,2,m)则称模糊矩阵R被模糊矩阵S包含,记作RS。,27,模糊矩阵的合成定义 一个n行m列的模糊矩阵R=(rij)nm对一个m行l列的模糊矩阵S=(sjk)ml的合成 R。S指的是一个n行l列的模糊矩阵T,T的第i行第k列元素tik等于R的第i行的元素与S的第k列的对应元素两两先取较小者,然后在所得的结果中取较大者,即,28,2.2.2 模糊关系普通关系集合的直积由两个集合U和V的各自元素u与v组成的序偶(u,v)的全体集合,称为U与V的直积,记为UV,即
10、 UV=(u,v)|uU,vV 一般情况下,UVVU。普通二元关系,29,定义 设U与V是两个非空集合。集合U、V的直积UV的一个子集R称为U到V上的一个二元关系,简称关系。对于直积UV的序偶(u,v),要么(u,v)具有关系R,记为(u,v)R;要么(u,v)不具有关系R,记为(u,v)R。因此,关系R的特征函数为:,(2.5),30,若U=V,则直积UV的子集R称为U上的二元关系,或称U上的关系。关系矩阵关系R可以用矩阵来表示,称为关系矩阵,其中元素rij基于特征函数CR(u,v)的定义,即,(2.6),与序偶(ui,vj)R对应者记为1,与序偶(ui,vj)R对应者记为0。,31,例:设
11、X,Ya,b,c,Z,到Y的关系及Y到Z的关系S可表示为下图。图中两个元素之间有连线的表示有关系。比如和a之间有关系R,a和之间有关系S。与a之间无关系R,b与a之间无关系S。,32,对于经典关系可以表示为表格。,33,模糊关系定义 集合U和V的直积中的模糊子集R被称为U到V的模糊关系,又称为二元模糊关系,其特性用隶属函数描述如下:,(2.7),34,例:设X,Ya,b,c,Z,Y以及YZ上的模糊关系R与S如图所示。,Y与YZ上的模糊关系,模糊关系的复合运算,35,两个元素之间有连线的表示两个元素之间有一定关系,连线上的数字表示关系密切程度。对于模糊关系也可以表示为表格。,36,模糊关系的表示
12、模糊集合表示法例2.1 设集合U1,2,3,V1,2,3,4,5。从U到V的一个模糊关系R可表示为:R0.5/(1,3)+0.8(1,4)+1/(1,5)+0.5/(2,4)+0.8/(2,5)+0.5/(3,5),37,模糊关系表表示法,38,模糊矩阵表示法上例中模糊关系R的矩阵表示为:,39,4)模糊关系图表示用图直观表示模糊关系时,则将ui,vj作为节点,在ui到vj的连线上标上R(ui,vj)的值,这样的图便称为模糊关系图。例:二人博弈,具有相同的策略集:U=V剪刀,石头,布,“甲胜”定为1;“平局”定为0.5,“甲负”定为0。则二人胜负关系可用模糊关系图表示,如图2.9所示。,图2.
13、9 模糊关系图,40,模糊关系的合成定义 设U、V、W是论域,R是U到V的一个模糊关系,S是V到W的一个模糊关系,则R对S的合成R。S指的是U到W的一个模糊关系T,它具有隶属函数:,(2.8),41,当U、V、W为有限时,模糊关系的合成可用模糊矩阵的合成来表示。设,42,定义 设R是U上的一个模糊关系。如果对于任意的uU,都有R(u,u)1,则称R为自反模糊关系。如果对于任意的u、vU,都有R(u,v)R(v,u),则称R为对称模糊关系。如果对于任意的0,1,R都是具有传递性的普通关系,则称R为传递模糊关系。定义 模糊关系R和S,如果总是存在R(x,y)=S(x,y),则称模糊关系R与模糊关系
14、S等价,记为R=S。,43,2.2.3 模糊映射普通映射的扩展定义 给定映射f:XY,可以把它扩展成为映射(仍记作f),44,其中,XY指明f是从X到Y的映射,xy则指明具体的对应法则:对于任意的xX对应于它的是y=f(x)。例如:f:R Rx x2表示f是从实数域R到自身的影射,对于任意一个实数x,对应于它的是实数x2,也即f(x)=x2(xR)。给定了普通映射f:XY,总可以把它扩展成为这样的映射(仍记作f):,45,f:F(X)F(Y)Af(A)=y|yY,xA,y=f(x)这个新的映射f是从X的幂集F(X)=A|AX到Y的幂集F(Y)=B|BY的一个普通映射。定义 给定映射f:XY,可
15、以把它扩展成为映射(仍记作f)f:F(X)F(Y)Af(A)=xA(x)/f(x),46,对任意的xX,元素f(x)Y所对应的隶属函数是A(x);如果x有多个值xt(tT)都有同一个像y,即f(xt)=y(tT),则y对f(A)的隶属度为:扩展原则采用Zadeh记法,有一种很直观的解释:给定f:XY,对于X的任意一个模糊子集A,要问它在f之下的像是什么?只要遵循这样一条原则:x携带隶属度A(x)到f(x)上去,f(x)对f(A)的隶属度完全由x对A的隶属度所确定。其直观图见图2.10。,47,图2.10 普通映射扩展直观图,48,模糊映射和模糊变换定义 设集合X,Y是非空的,如果存在一个法则
16、f,通过它,对于X中的任意元素x,都有Y中的惟一确定的子集B和x对应,则称 f 为从 X 到Y的点集映射,记作,49,定义 设集合X,Y是非空的,如果存在一个法则T,通过它,对于X 中的任意一个子集 A,都有Y中的惟一确定的子集 B和 A对应,则称T为从 X到Y的集合变换,记作定义 设集合X,Y是非空的,如果存在一个法则 f,通过它,对于X中的任意元素x,有Y中的惟一确定的模糊子集B和它对应,则称 f 为从X到Y的模糊映射,记作,50,图2.11 映射、点集映射和变换示意图,51,定义 设集合 X,Y是非空的,如果存在一个法则 T,通过它,对于 X 中的任意一个模糊子集A,都有Y 的惟一确定的
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