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模糊控制系统.ppt

模糊控制系统

duanshengcai198981
2013-07-29 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《模糊控制系统ppt》,可适用于工程科技领域

第一节模糊控制系统的组成模糊逻辑控制系统的基本结构:模糊控制器三个重要功能:)把系统的偏差从精确量转化为模糊量(模糊化过程、数据库完成)。第三章模糊控制系统)把推理结果的模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量(精确化接口完成)。)对模糊量由给定的规则进行模糊推理(规则库、推理决策完成)。模糊控制器四个组成部分的设计:一、模糊化过程输入变量的值(精确数字量)对应语言值的隶属度模糊子集(语言值)速度语言变量X语言值规则G语言值集合T(X)算法规则M例:若输入值:对应隶属度:模糊控制器设计的关键在于如何有效地建立知识库。二、知识库知识库包括数据库和规则库。数据库的定性设计量化等级的选择量化方法(线性量化或非线性量化)量化因子(比例因子)模糊子集的隶属度函数包括()论域的离散化离散化:把语言变量的论域从连续论域转换成有限整数的离散论域(量化过程)。量化方法:设某物理量其论域X=xx把此论域转换成整数的离散论域N=nn……n令k为量化因子即若则有与之对应其中:(符号表示四舍五入取整)量化等级:n若论域X=xLxH把此论域转换成整数的离散论域N=nn……n量化因子k:若则有与之对应其中:语言变量分档方法(隶属度表示方法):语言值①图形表示法(连续论域)②表格表示法(离散论域)语言变量分档任意一个连续的测量值可以通过相邻两个离散值的插值运算得到模糊度的值。清晰量转化为模糊量图:典型的模糊逻辑逻辑系统清晰量:输入输出(控制量)u偏差e偏差变化率de语言变量值(整数论域)例:e:de:u:量化为:{}语言值分档:模糊集的隶属度函数(表格表示法)()输入输出空间的模糊划分模糊控制规则中的条件部和结论部都对应于一些定义在一定论域内的语言变量。语言变量由一组语言值集合构成且这些语言值集合定义在同一个论域内。规则:如果x是NB且y是NB那么z是PS规则:如果x是PS且y是PB那么z是NB例:语言值数目的多少决定了模糊控制器控制性能的粗略程度。模糊控制规则前提中的每一个输入语言变量都形成一个与确定论域相对应的模糊输入空间而在结论中的输出语言变量则形成模糊输出空间。例:x分成三档(NB、ZE、PB)y分成两档(NB、PB)模糊分区形式:问:在此分档情况下最大规则数为多少?  用一系列模糊条件描述的模糊控制规则就构成模糊控制规则库。规则库完备性:对于任意给定的输入均有相应的控制规则起作用。交叉性:控制器的输出值总由数条规则来决定。一致性:规则中不存在相互矛盾的规则。模糊控制规则建立方法)专家经验法:通过对专家控制经验的咨询形成控制规则库。实质:通过语言条件语句来模拟人类的控制行为。例:对于一个恒温控制系统专家经验如下:如果温度过高则降低加热丝电压到最小如果温度稍高则降低加热丝电压到中档如果温度恰当则加热丝电压不变……如果温度过低则把加热丝电压加到最高。步骤:①确定语言变量(温度:T电压:V)②确定论域温度:(最低最高)电压:(最低最高)③确定语言变量值T:过高、稍高、恰当、稍低、过低V:最小、中档、最高(NB、ZE、PB)(PB、PS、ZE、NS、NB)④得规则第一条:IFT=PBTHENV=NB第二条:IFT=PSTHENV=ZE……)观察法思想:人的控制行为控制规则控制库提炼具体:建立操作员的操作模型(输入、输出关系)模糊系统辨识模型(用参数形式的规则来描述):TS模型模型的辨识步骤:⑴结构参数(Np)的辨识模型辨识出后则对于一组给定输入其计算公式为:即:p个输入变量隶属于第i个对应的模糊集函数中最小的隶属度值。)基于模糊模型的控制思想:模糊模型(控制规律)控制规则)自组织法上述模糊控制器通常是静态的一旦设计完成其模糊规则都是无法改变的即此类系统没有自学习和自适应性能。自组织模糊控制器:能够不断学习和不断观察来不断更新和完善控制规律。需要一个学习性能指标来保证学习的收敛性。三、推理决策逻辑(模糊控制的核心)作用:利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程给出适合的控制量。实质:模糊逻辑推理。四、精确化过程(Defuzzification)模糊推理到的结果是一个模糊集合。但在控制中必须要有确定的值才能去控制或驱动执行机构。方法:、最大隶属度函数法取所有规则推理结果的模糊集合中隶属度最大的那个元素作为输出值。当论域V中其最大隶属度函数对应的输出值多于一个时简单取最大隶属度输出的平均即可:例:J为具有相同最大隶属度输出的总数。例:优点:计算简单。缺点:丢失信息控制性能不高。、重心法取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成的面积的重心为模糊推理最终输出值。连续论域:离散论域:例:与最大隶属度法相比较重心法具有更平滑的输出推理控制。、加权平均法最终输出值:例:重心法模糊化计算的其它方法:左取大、右取大等。第二节:模糊控制系统的设计一、模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计包括:输入输出变量选择、模糊化算法、模糊推理规则和精确化计算方法。被控对象输入输出变量单输入单输出多输入多输出(按模糊控制器输入变量个数)一维模糊控制器二维模糊控制器多维模糊控制器、单输入单输出模糊控制结构()一维模糊控制器若输入变量为误差e输出控制量为u模糊控制规则形式::输入论域上模糊子集:输出论域上模糊子集总的模糊关系:其中:特点:控制性能不佳用于一阶对象的控制。()二维模糊控制器若输入变量为误差e误差变化de输出控制量为u:输入论域上模糊子集:输出论域上模糊子集总的模糊关系:其中:模糊控制规则形式:特点:控制效果好大多数系统采用此方案。优点:提高控制器输入变量的个数会提高控制器的控制性能。()多维模糊控制器输入变量为误差e误差变化de误差积分∫e输出控制量为u。如何解决多维模糊控制系统规则的冗余性、兼容性等有效的方法还没有。因此目前多维模糊控制器并不常见。缺点:由于输入维数的增加导致了控制规则的复杂化、控制算法的复杂化。、多输入多输出模糊控制结构直接设计相当困难目前还没有一套比较完整的理论来指导系统的设计。方法:解耦把多输入多输出模糊控制结构化为多输入单输出模糊控制结构再进行分别设计。例如:已知样本数据可将其变换:二、模糊控制器的设计步骤、定义所有变量的模糊化条件 每个变量的测量范围、论域、语言值分档及其相对应的隶属度函数。、定义输入输出变量、设计控制规则库例如:专家经验法、观察法等、设计模糊推理结构结构:①单片机上用不同推理算法的软件程序来实现②专门设计的模糊推理硬件集成电路芯片来实现的。、选择精确化策略的方法例如:最大隶属度函数法、重心法、加权平均法等。三、模糊控制器的常规设计方法图- 常规模控制器对于n条模糊控制规则可以得到n个输入输出关系矩阵RR…Rn从而由模糊规则的合成算法可得系统总的模糊关系矩阵为:查表法:图 控制表方式的模糊逻辑控制器结构图基本思想:通过离线计算取得一个“模糊控制表”并将此控制表存放在计算机内存中。当模糊控制器工作时计算机只需根据采样得到的误差和误差变化的量化值来找到当前时刻的控制输出量化值。最后计算机将此量化值乘以比例因子K得到最终的输出控制量。查表法设计步骤(温度控制系统的模糊控制器为例):、确定模糊控制器的输入、输出变量输入语言变量:①实际温度T与温度给定值Td的误差②误差变化de输出语言变量:控制加热装置的供电电压u设计关键:模糊控制表(离线计算得到)e:de:u:量化为:{}量化等级为多少?、在各输入和输出语言变量的量化域内定义模糊子集。量化方式采用非线性量化。表 模糊集的隶属度函数、模糊控制规则的确定原则:必须保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静态特征达到最佳。当e为负大(NB)时即系统响应处于曲线第段。此时无论de的值如何为了消除偏差应使控制量加大。所以控制量u应取正大(PB)。⑵当误差e为负小或零时主要矛盾转化为系统的稳定性问题了。为了防止超调过大并使系统尽快稳定就要根据误差的变化de来确定控制量的变化。①若de为正表明误差有减小的趋势。系统响应位于曲线的第段所以可取较小的控制量②当误差变化de为负时偏差有增大的趋势此时系统响应位于曲线第段这时应使控制量增加防止偏差进一步增加。当误差和误差变化同时变号时控制量的变化也应变号。这样得到其他相应规则。表控制规则表、求模糊控制表例:设系统误差e的量化值为误差变化de的量化值为。模糊化:根据此时此刻的输入状态由模糊控制规则库表可知只有以下两条规则有效由表可知相应的隶属度值:对应模糊集合的隶属度精确量由极大极小推理法(玛达尼削顶法)可得控制量的输出模糊集为:第条规则:图模糊推理过程示意图再由重心法计算出模糊控制输出的精确量。第条规则:最后将每一条推理规则得到的模糊控制子集进行“并”运算。同样对输入空间论域中的所有组合计算出相应的输出控制量即可构成一个模糊控制器的控制表。模糊控制表的建立是离线进行的因此它丝毫没有影响模糊控制器实时运行的速度。查表法特点:运算速度快实时性强。表模糊控制表第三节模糊控制器的设计举例一、流量控制的模糊控制器的设计被制对象:单输入单输出的控制系统要求:液位恒定系统控制量:阀门的流量。语言值分档:“负大”、“负小”、“零”、“正小”、“正大”五个等级(NB、NS、ZE、PS、PB)模糊控制器的输入变量:误差e、误差变化de输出变量:阀门流量u语言值:“关”、“半开”、“中等”、“开”四个等级。(“开”、“关”都代表模糊子集)液位控制系统图图误差和误差变化的隶属度函数图图 阀门流量的隶属度函数举例:若e=de=求输出流量值u?、模糊化过程、模糊逻辑推理注意:或者(OR)表示“并”运算(取大)和(AND)表示“交”运算(取小)对规则有半开:MAX()=对规则有中等:MIN()=、精确化计算阀门动作的模糊集如图斜线充满部分所示。图 推理出的阀门流量的隶属度重心法:图中隶属度函数各拐点的坐标:()、()、()、()、()、()、()。∴阀门的确切开度为二、直流调速系统的模糊控制器设计直流调速系统中的对象传递函数:、系统的结构设计图 直流传动速度控制系统的模糊控制结构图、模糊化设计(控制精度要求不高)语言值:负、正(NZ)(PZ)输入变量:误差e′、误差变化de′输出变量:控制量Du′(增量方式进行模糊化)语言值:正增量、零增量、负增量(PS)(ZE)(NS)、控制规则设计控制规则(×=条):ZE:MIN()=对规则有:对规则有:NS:MIN()=对规则有:PS:MIN()=对规则有:ZE:MIN()=规则与规则之间关系:“否则”“并”(取大)还是“交”(取小)?、精确化计算考虑到计算简单起见取有限个点进行计算。并且认为控制增量PS大于和NS小于部分的面积可以抵消。重心法:第四节模糊PID控制器的设计模糊控制输入:误差e、误差变化de类似常规比例微分(PD)控制PD特点:动态特性好(对变化趋势敏感有预见性)无法消除静态误差(余差)模糊PID控制器设计的主要内容:一、模糊控制器和常规PID的混合结构二、常规PID参数的模糊自整定技术。PID控制优点:稳定性好、可靠性高、精度高特别对于线性定常系统控制非常有效。为了改善模糊制器的静态性能提出了模糊PID控制器的思想。一、模糊控制器和常规PID的混合结构要提高模糊控制器的精度对语言变量取更多语言值(分档越细)规则数和计算量大大增加系统复杂、控制实时性差解决方案:、在论域内用不同的控制方式分段实现控制误差大:纯比例控制误差小于某一阀值:切换到模糊控制误差模糊值为零(ZE):PI控制难点:如何选择切换条件以保证系统平稳切换和不产生系统振荡现象。特点:PID控制器和模糊逻辑控制器各自分别设计完成并以冗余形式同时投入运行。、将PID控制器分解为模糊PD控制器和各种其它类型的并联结构、模糊PD控制器和各种其它类型的串联结构二、常规PID参数的模糊自整定技术设计思想:先找出PID三个参数KP、KI、KD与误差e和误差变化de之间的模糊关系在运行中通过不断检测e和de再根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改从而使被控对象具有良好的动态、静态性能。图 PID参数模糊自整定控制系统结构位置式PID算式:自整定规律:模糊自整定PID参数控制器的设计步骤:、确定控制器输入、输出语言变量及论域、分档、隶属度函数。输入变量:e、de输出变量:?、精确化(重心法)共有几个规则表?-设在论域e(误差)={,,,,}和控制电压u={,,,,}上定义的模糊子集的隶属度函数分别如图-、-所示。图-题-图图-题-图已知模糊控制规则:规则:如果误差e为ZE则u为ZE规则:如果误差e为PS则u为NS。试应用玛达尼推理法计算当输入误差e=时输出电压u=(精确化计算采用重心法)习题和思考题(P)习题和思考题(P)已知某一加热炉温度控制系统要求温度保持在℃恒定。目前此系统采用人工控制方式并有以下控制经验()若炉温低于℃则升压低得越多升压越高。()若炉温高于℃则降压高得越多降压越低。()若炉温等于℃则保持电压不变。设模糊控制器为一维控制器输入语言变量为误差输出为控制电压。两个变量的量化等级为七级、取五个语言值。隶属度函数根据确定的原则任意确定。试按常规模糊逻辑控制器的设计方法设计出模糊逻辑控制表。

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