1、14-2 4-2 模糊控制模糊控制 第四章第四章 連續系統控制連續系統控制 24.2.1 模糊控制的工作原理模糊控制的工作原理 將人類專家對特定對象的控制經驗，運用模糊集理論將人類專家對特定對象的控制經驗，運用模糊集理論進行量化，轉化為可數學實現的控制器，從而實現對進行量化，轉化為可數學實現的控制器，從而實現對被控對象的控制。被控對象的控制。 人類（專家）的控制經驗是如何轉化為數字控制器的人類（專家）的控制經驗是如何轉化為數字控制器的 ？控制思想：控制思想：水溫偏高，就把閥門關?。凰疁仄?，就把閥門關小；水溫偏低，就把閥門開大。水溫偏低，就把閥門開大。模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想3模仿

2、人類的調節經驗，可以構造一個模糊控制系統來模仿人類的調節經驗，可以構造一個模糊控制系統來實現對水溫的控制實現對水溫的控制。 n 用一個溫度傳感器來替代左手進行對水溫的測量，傳感器用一個溫度傳感器來替代左手進行對水溫的測量，傳感器的測量值經的測量值經A/DA/D變換后送往控制器。變換后送往控制器。 n 電磁閥代替右手和機械閥作為執行機構，電磁閥的開度由電磁閥代替右手和機械閥作為執行機構，電磁閥的開度由控制器的輸出經控制器的輸出經D/A變換后控制。變換后控制。 n 構造控制器，使其能夠模擬人類的操作經驗。構造控制器，使其能夠模擬人類的操作經驗。人類的控制規則人類的控制規則如果水溫比期望值如果水溫比

3、期望值高高，就把燃氣閥關，就把燃氣閥關小小；如果水溫比期望值如果水溫比期望值低低，就把燃氣閥開，就把燃氣閥開大大。描述了輸入（水溫與期望值的偏差描述了輸入（水溫與期望值的偏差 e e）和輸出（閥門開度的）和輸出（閥門開度的增量增量 u u）之間的模糊關系）之間的模糊關系R R4輸入輸入e e輸出輸出u u模糊模糊推理推理規則庫規則庫R RD/AD/A電磁閥電磁閥熱水器熱水器溫度溫度傳感器傳感器A/DA/D期望值期望值e eu u模糊值模糊值模糊值模糊值精確值精確值精確值精確值模糊化模糊化去模糊化去模糊化熱水器水溫模糊控制系統結構熱水器水溫模糊控制系統結構 5模糊控制器的基本工作原理模糊控制器的

4、基本工作原理 將測量得到的被控對象的狀態經過模糊化接將測量得到的被控對象的狀態經過模糊化接口轉換為用人類自然語言描述的模糊量，而后根口轉換為用人類自然語言描述的模糊量，而后根據人類的語言控制規則，經過模糊推理得到輸出據人類的語言控制規則，經過模糊推理得到輸出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經過清控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再經過清晰化接口轉換為執行機構能夠接收的精確量。晰化接口轉換為執行機構能夠接收的精確量。 64.2.2 模糊控制器的結構和設計模糊控制器的結構和設計74.2.2.1 模糊化接口模糊化接口 模糊化就是通過在控制器的輸入、輸出論模糊化就是通過在控制器的輸入、輸出論域上定

5、義語言變量，來將精確的輸入、輸出值域上定義語言變量，來將精確的輸入、輸出值轉換為模糊的語言值。轉換為模糊的語言值。 模糊化接口的設計事實上就是定義語言模糊化接口的設計事實上就是定義語言變量的過程。變量的過程。84.2.2.1 模糊化接口模糊化接口 1) 1) 語言變量的確定語言變量的確定 針對模糊控制器每個輸入、輸出空間，各自針對模糊控制器每個輸入、輸出空間，各自定義一個語言變量。定義一個語言變量。 通常取系統的誤差值通常取系統的誤差值e e和誤差變化率和誤差變化率ecec為模糊為模糊控制器的兩個輸入，在控制器的兩個輸入，在e e的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“誤差誤差E E”，在，

6、在ecec的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“誤差變誤差變化化ECEC”；在控制量；在控制量u u的論域上定義語言變量的論域上定義語言變量“控制控制量量U U”。 92)2)語言變量論域的設計語言變量論域的設計 在模糊控制器的設計中，通常就把語言變量的論在模糊控制器的設計中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數的離散論域。例如，可以將域定義為有限整數的離散論域。例如，可以將E E的論域的論域定義為定義為-m, -m+1, , -1, 0, 1, , m-1, m ；將；將ECEC的論域的論域定義為定義為-n, -n+1, , -1, 0, 1, , n-1, n ；將；將U U的論域定的

7、論域定義為義為-l, -l+1, , -1, 0, 1, , l-1, l 。? ? 為了提高實時性，模糊控制器常常以控制查詢表為了提高實時性，模糊控制器常常以控制查詢表的形式出現。該表反映了通過模糊控制算法求出的模的形式出現。該表反映了通過模糊控制算法求出的模糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點上的對應關系。糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點上的對應關系。為了能方便地產生控制查詢表，在模糊控制器的設計為了能方便地產生控制查詢表，在模糊控制器的設計中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數的離散中，通常就把語言變量的論域定義為有限整數的離散論域。論域。 10如何實現實際的連續域到有限整數離散域的轉

8、換？如何實現實際的連續域到有限整數離散域的轉換？ 通過引入量化因子通過引入量化因子ke、kec和比例因子和比例因子ku來實現來實現 ke kec d/dt模糊模糊控制器控制器ku期望值期望值yeecEECUu假設在實際中，誤差的連續取值范圍是假設在實際中，誤差的連續取值范圍是e=eL,eH，eL表示低限值，表示低限值，eH表示高限值。則：表示高限值。則： LHeeemk2同理，假如誤差變化率的連續取值范圍是同理，假如誤差變化率的連續取值范圍是ec=ecL,ecH ，控制量的連續取值范圍是控制量的連續取值范圍是u=uL,uH ，則量化因子，則量化因子kec和和比例因子比例因子ku可分別確定如下：

9、可分別確定如下：LHecececnk2luukLHu211在確定了量化因子和比例因子之后，誤差在確定了量化因子和比例因子之后，誤差e和誤差變和誤差變化率化率ec可通過下式轉換為模糊控制器的輸入可通過下式轉換為模糊控制器的輸入E和和EC： )2(LHeeeekE)2(LHececececkEC式中，式中，代表取整運算。代表取整運算。 模糊控制器的輸出模糊控制器的輸出U U可通過下式轉換為實際的輸出值可通過下式轉換為實際的輸出值u u： 2LHuuuUku123) 3) 定義各語言變量的語言值定義各語言變量的語言值 通常在語言變量的論域上，將其劃分為有限的幾檔。通常在語言變量的論域上，將其劃分為有

10、限的幾檔。例如，可將例如，可將E E、ECEC和和U U的劃分為的劃分為“正大（正大（PBPB）”，“正中正中(PM)”(PM)”，“正?。ㄕ。≒SPS）”，“零（零（ZOZO）”，“負小（負?。∟SNS）”，“負中（負中（NMNM）”，“負大（負大（NBNB）” 七檔。七檔。 n 檔級多，規則制定靈活，規則細致，但規則多、復檔級多，規則制定靈活，規則細致，但規則多、復雜，編制程序困難，占用的內存較多；雜，編制程序困難，占用的內存較多；n 檔級少，規則少，規則實現方便，但過少的規則會檔級少，規則少，規則實現方便，但過少的規則會使控制作用變粗而達不到預期的效果。使控制作用變粗而達不到預期的效果

11、。因此在選擇模糊狀態時要兼顧簡單性和控制效果。因此在選擇模糊狀態時要兼顧簡單性和控制效果。 134)4)定義各語言值的隸屬函數定義各語言值的隸屬函數 隸屬函數的類型隸屬函數的類型 正態分布型正態分布型 （高斯基函數（高斯基函數 ）22)()(iiibaxAex其中，其中，ai i為函數的中心值，為函數的中心值，bi i為函數的寬度。為函數的寬度。假設與假設與PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB對應的對應的高斯基函數的中心值分別為高斯基函數的中心值分別為6，4，2，0，-2，-4，-6，寬度均為，寬度均為2。隸屬函數的形狀和分布如圖所示。隸屬函數的形狀和分布如圖所示。 -6 -4 -2 0

12、2 4 6 0 0.5 1 NB NM NS ZO PS PM PB x 14 三角型三角型 else 0 ),(1 ),(1)(cxbcucbbxaaxabxiA 梯型梯型 else , 0 dxc , , 1 ,)(cdxdcxbbxaabaxxiA15隸屬函數確定時需要考慮的幾個問題隸屬函數確定時需要考慮的幾個問題 隸屬函數曲線形狀對控制性能的影響。隸屬函數曲線形狀對控制性能的影響。 隸屬函數形狀較尖時，分辨率較高，輸入引起的輸出變隸屬函數形狀較尖時，分辨率較高，輸入引起的輸出變化比較劇烈，控制靈敏度較高；化比較劇烈，控制靈敏度較高； 曲線形狀較緩時、分辨率較低，輸入引起的輸出變化不曲線

13、形狀較緩時、分辨率較低，輸入引起的輸出變化不那么劇烈，控制特性也較平緩，具有較好的系統穩定性。那么劇烈，控制特性也較平緩，具有較好的系統穩定性。 因而，通常在輸入較大的區域內采用低分辨率曲線（形因而，通常在輸入較大的區域內采用低分辨率曲線（形狀較緩），在輸入較小的區域內采用較高分辨率曲線（形狀狀較緩），在輸入較小的區域內采用較高分辨率曲線（形狀較尖），當輸入接近零則選用高分辨率曲線（形狀尖）。較尖），當輸入接近零則選用高分辨率曲線（形狀尖）。16 隸屬函數曲線的分布對控制性能的影響隸屬函數曲線的分布對控制性能的影響兼顧控制靈敏度和魯棒性兼顧控制靈敏度和魯棒性相鄰兩曲線交點對應的隸屬度值較小時，

14、控制靈敏度相鄰兩曲線交點對應的隸屬度值較小時，控制靈敏度較高，但魯棒性不好；值較大時，控制系統的魯棒性較高，但魯棒性不好；值較大時，控制系統的魯棒性較好，但控制靈敏度將降低。較好，但控制靈敏度將降低。清晰性清晰性 相鄰隸屬函數之間的區別必須是明確的。相鄰隸屬函數之間的區別必須是明確的。 不清晰的隸屬函數分布不清晰的隸屬函數分布 清晰的隸屬函數分布清晰的隸屬函數分布 17完備性完備性 屬函數的分布必須覆蓋語言變量的整個論域，屬函數的分布必須覆蓋語言變量的整個論域，否則，將會出現否則，將會出現“空檔空檔”，從而導致失控。，從而導致失控。 不完備的隸屬函數分布不完備的隸屬函數分布 18模糊化過程小結

15、：模糊化過程小結：經過經過1 1）4 4）步的定義可以在輸入輸出空間定義語言）步的定義可以在輸入輸出空間定義語言變量，從而將輸入輸出的精確值轉換為相應的模糊值。變量，從而將輸入輸出的精確值轉換為相應的模糊值。具體的步驟如下：具體的步驟如下： 第一步：第一步： 將實際檢測的系統誤差和誤差變化率量化將實際檢測的系統誤差和誤差變化率量化為模糊控制器的輸入。為模糊控制器的輸入。 假設實際檢測的系統誤差和誤差變化率分別為假設實際檢測的系統誤差和誤差變化率分別為e*和和ec*，可以通過量化因子將其量化為模糊控制器的輸入可以通過量化因子將其量化為模糊控制器的輸入E*和和EC*。 )2(*LHeeeekE)2

16、(*LHececececkEC19第二步：第二步： 將模糊控制器的精確輸入將模糊控制器的精確輸入E*和和EC*通過模糊通過模糊化接口轉化為模糊輸入化接口轉化為模糊輸入A*和和B*。 將將E*和和EC*所對應的隸屬度最大的模糊值當作當前所對應的隸屬度最大的模糊值當作當前模糊控制器的模糊輸入量模糊控制器的模糊輸入量A*和和B*。 605040302010001020304055 . 061* NBA假設假設E*=6，系統誤差系統誤差采用三角形隸屬函數來采用三角形隸屬函數來進行模糊化。進行模糊化。 E E* *屬于屬于NBNB的隸屬度最大（為的隸屬度最大（為1 1），），則此時，相對應的模糊則此時，

17、相對應的模糊控制器的模糊輸入量為：控制器的模糊輸入量為： 20 對于某些輸入精確量，有對于某些輸入精確量，有時無法判斷其屬于哪個模糊值時無法判斷其屬于哪個模糊值的隸屬度更大，例如當的隸屬度更大，例如當E*=-5時，時，其屬于其屬于NB和和NM的隸屬度一樣的隸屬度一樣大。此時有兩種方法進行處理：大。此時有兩種方法進行處理：1 1）在隸屬度最大的模糊值之間任取一個；）在隸屬度最大的模糊值之間任取一個；例如當例如當E E* *=-5=-5時，時，A A* *NBNB或或NMNM。2 2）重新定義一個模糊值，該）重新定義一個模糊值，該模糊值對于當前輸入精確量模糊值對于當前輸入精確量的隸屬度為的隸屬度為

18、1 1，對于其它精確，對于其它精確量的隸屬度為量的隸屬度為0 0。60504030201000102030405160*A214.2.2.2 規則庫規則庫規則庫的描述規則庫的描述 規則庫由若干條控制規則組成，這些控制規則根規則庫由若干條控制規則組成，這些控制規則根據人類控制專家的經驗總結得出，按照據人類控制專家的經驗總結得出，按照 IF is AND is THEN isIF is AND is THEN is的形式表達。的形式表達。 R1 : IF E is A1 1 AND EC is B1 1 THEN U is C1 1 R2 : IF E is A2 2 AND EC is B2 2

19、 THEN U is C2 2 Rn : IF E is An n AND EC is Bn n THEN U is Cn n 其中，其中，E、EC是輸入語言變量是輸入語言變量“誤差誤差”，“誤差誤差變化率變化率”；U是輸出語言變量是輸出語言變量“控制量控制量”。 Ai i 、 Bi i 、 Ci i是第是第i條規則中與條規則中與E、EC、U對應的語言值。對應的語言值。 22規則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。規則庫也可以用矩陣表的形式進行描述。 例如在模糊控制直流電機調速系統中，模糊控制例如在模糊控制直流電機調速系統中，模糊控制器的輸入為器的輸入為E E（轉速誤差）、（轉速誤差）、ECEC（

20、轉速誤差變化率），（轉速誤差變化率），輸出為輸出為U U（電機的力矩電流值）。（電機的力矩電流值）。 在在E E、ECEC、U U的論域上各定義了的論域上各定義了7 7個語言子集：個語言子集：PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NBPB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB 對于對于E E、ECEC可能的每種取值，進行專家分析和總結可能的每種取值，進行專家分析和總結后，則總結出的控制規則為：后，則總結出的控制規則為： 23規則庫蘊涵的模糊關系規則庫蘊涵的模糊關系 規則庫中第規則庫中第i i條控制規則條控制規則: : Ri: IF E is Ai AND EC is Bi THEN U is Ci

21、蘊含的模糊關系為：蘊含的模糊關系為： )(iiiiCBAR 控制規則庫中的控制規則庫中的n條規則之間可以看作是條規則之間可以看作是“或或”，也就是也就是“求并求并”的關系，則整個規則庫蘊涵的模糊關的關系，則整個規則庫蘊涵的模糊關系為：系為： iiRRU24規則庫的產生規則庫的產生 模糊控制規則的提取方法在模糊控制器的設計中起著舉模糊控制規則的提取方法在模糊控制器的設計中起著舉足輕重的作用，它的優劣直接關系著模糊控制器性能的好壞，足輕重的作用，它的優劣直接關系著模糊控制器性能的好壞，是模糊控制器設計中最重要的部分。是模糊控制器設計中最重要的部分。 模糊控制規則的生成方法歸納起來主要有以下幾種：模

22、糊控制規則的生成方法歸納起來主要有以下幾種：l 根據專家經驗或過程控制知識生成控制規則。這種方根據專家經驗或過程控制知識生成控制規則。這種方法通過對控制專家的經驗進行總結描述來生成特定領域的法通過對控制專家的經驗進行總結描述來生成特定領域的控制規則原型，經過反復的實驗和修正形成最終的規則庫?？刂埔巹t原型，經過反復的實驗和修正形成最終的規則庫。l 根據過程的模糊模型生成控制規則。這種方法通過用根據過程的模糊模型生成控制規則。這種方法通過用模糊語言描述被控過程的輸入輸出關系來得到過程的模糊模糊語言描述被控過程的輸入輸出關系來得到過程的模糊模型，進而根據這種關系來得到控制器的控制規則。模型，進而根據

23、這種關系來得到控制器的控制規則。l 根據學習算法獲取控制規則。應用自適應學習算法根據學習算法獲取控制規則。應用自適應學習算法（神經網絡、遺傳算法等）對控制過程的樣本數據進行分（神經網絡、遺傳算法等）對控制過程的樣本數據進行分析和聚類，生成和在線優化較完善的控制規則。析和聚類，生成和在線優化較完善的控制規則。 25模糊控制規則的總結要注意以下幾個問題模糊控制規則的總結要注意以下幾個問題：l 規則數量合理規則數量合理控制規則的增加可以增加控制的精度，但是會影響系統控制規則的增加可以增加控制的精度，但是會影響系統的實時性；控制規則數量的減少會提高系統的運行速度，的實時性；控制規則數量的減少會提高系統

24、的運行速度，但是控制的精度又會下降。所以，需要在控制精度和實但是控制的精度又會下降。所以，需要在控制精度和實時性之間進行權衡。時性之間進行權衡。l 規則要具有一致性規則要具有一致性控制規則的目標準則要相同。不同的規則之間不能出現控制規則的目標準則要相同。不同的規則之間不能出現相矛盾的控制結果。如果各規則的控制目標不同，會引相矛盾的控制結果。如果各規則的控制目標不同，會引起系統的混亂。起系統的混亂。l完備性要好完備性要好控制規則應能對系統可能出現的任何一種狀態進行控制?？刂埔巹t應能對系統可能出現的任何一種狀態進行控制。否則，系統就會有失控的危險。否則，系統就會有失控的危險。 264.2.2.3

25、4.2.2.3 模糊推理模糊推理 推理是模糊控制器中，根據輸入模糊量，由模推理是模糊控制器中，根據輸入模糊量，由模糊控制規則完成模糊推理來求解模糊關系方程，并糊控制規則完成模糊推理來求解模糊關系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考慮獲得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中，考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。最到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。最基本的有基本的有ZadehZadeh近似推理，它包含有正向推理和逆近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理兩類。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知識工程學領域的專家系統

26、中。向推理一般用于知識工程學領域的專家系統中。 根據模糊輸入和規則庫中蘊涵的輸入輸出關系，根據模糊輸入和規則庫中蘊涵的輸入輸出關系，通過模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值。通過模糊推理方法得到模糊控制器的輸出模糊值。 *)(RBAC27 推理結果的獲得，表示模糊控制的規則推理功推理結果的獲得，表示模糊控制的規則推理功能已經完成。但是，至此所獲得的結果仍是一個模能已經完成。但是，至此所獲得的結果仍是一個模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常轉換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。通常把輸出端具有轉

27、換功能作用的部分稱為解模糊接口。把輸出端具有轉換功能作用的部分稱為解模糊接口。 綜上所述，模糊控制器實際上就是依靠微機綜上所述，模糊控制器實際上就是依靠微機（或單片機）來構成的。它的絕大部分功能都是由（或單片機）來構成的。它的絕大部分功能都是由計算機程序來完成的。隨著專用模糊芯片的研究和計算機程序來完成的。隨著專用模糊芯片的研究和開發，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功開發，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。能。284.2.2.4 4.2.2.4 清晰化接口清晰化接口 由模糊推理得到的模糊輸出值由模糊推理得到的模糊輸出值C C* *是輸出論域上是輸出論域上的模糊子集，只有其轉化為精

28、確控制量的模糊子集，只有其轉化為精確控制量u，才能施，才能施加于對象。這種轉化的方法叫做清晰化加于對象。這種轉化的方法叫做清晰化/去模糊化去模糊化/模糊判決。模糊判決。 29(1) (1) 最大隸屬度方法最大隸屬度方法 把把C*中隸屬度最大的元素中隸屬度最大的元素U*作為精確輸出控制量。作為精確輸出控制量。 60504030201000102035 . 04155 . 060*C上式中，元素上式中，元素4 4對應的隸屬度最大，則根據最大隸對應的隸屬度最大，則根據最大隸屬度法得到的精確輸出控制量為屬度法得到的精確輸出控制量為4 4。 4*U30(1) (1) 最大隸屬度方法最大隸屬度方法 若模糊

29、輸出量的元素隸屬度有幾個相同的最大值，若模糊輸出量的元素隸屬度有幾個相同的最大值，則取相應諸元素的平均值，并進行四舍五入取整，作則取相應諸元素的平均值，并進行四舍五入取整，作為控制量。上式中，元素為控制量。上式中，元素4 4、3 3、2 2對應的隸屬對應的隸屬度均為度均為1 1，則精確輸出控制量為，則精確輸出控制量為33)2() 3()4(*U6050403020100015 . 021314155 . 060*C31（2 2）加權平均法（重心法）加權平均法（重心法） 該方法對模糊輸出量中各元素及其對應的隸屬度該方法對模糊輸出量中各元素及其對應的隸屬度求加權平均值，并進行四舍五入取整，來得到精

30、確輸求加權平均值，并進行四舍五入取整，來得到精確輸出控制量。出控制量。iiCiiiCUUUU)()(*式中，式中，代表四舍五入取整操作。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*U32 清晰化處理后得到的模糊控制器的精確輸出量清晰化處理后得到的模糊控制器的精確輸出量U*，經過比例因子可以轉化為實際作用于控制對象的控制經過比例因子可以轉化為實際作用于控制對象的控制量。量。2*LHuuuUku334.2.2.5 4.2.2.5 模糊查詢表模糊查詢表模糊控制器

31、的工作過程模糊控制器的工作過程: : 模糊控制器實時檢測系統的誤差和誤差變模糊控制器實時檢測系統的誤差和誤差變化率化率e*和和ec*； 通過量化因子通過量化因子ke e和和kecec將將e*和和ec*量化為控制量化為控制器的精確輸入器的精確輸入E*和和EC*； E*和和EC*通過模糊化接口轉化為模糊輸入通過模糊化接口轉化為模糊輸入A*和和B*； 將將A A* *和和B B* *根據規則庫蘊涵的模糊關系進行根據規則庫蘊涵的模糊關系進行模糊推理，得到模糊控制輸出量模糊推理，得到模糊控制輸出量C C* *； 對對C*進行清晰化處理，得到控制器的精確進行清晰化處理，得到控制器的精確輸出量輸出量U*；通

32、過比例因子通過比例因子ku u將將U*轉化為實際作用于控轉化為實際作用于控制對象的控制量制對象的控制量u*。 將（將（3 3）（）（5 5）步離線進行運算，步離線進行運算，對于每一種可能對于每一種可能出現的出現的E E和和ECEC取取值，計算出相應值，計算出相應的輸出量的輸出量U U，并，并以表格的形式儲以表格的形式儲存在計算機內存存在計算機內存中，這樣的表格中，這樣的表格稱為模糊查詢表。稱為模糊查詢表。 如果如果E E、ECEC和和U U的論域均為的論域均為-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6，則生成的模

33、糊查詢表具有如下形式則生成的模糊查詢表具有如下形式 UEC-6-5-4-3-2-10123456E-6-6-6-6-6-6-5-5-4-3-2000-5-6-6-6-6-5-5-5-4-3-2000-4-6-6-6-5-5-5-5-3-3-2000-3-5-5-5-5-4-4-4-3-2-1111-2-4-4-4-4-4-4-4-2-10222-1-4-4-4-3-3-3-3-1223330-4-4-4-3-3-101334441-3-3-3-2-2133334442-2-2001244444443-1-101234445555400123455556665001234555666660012

34、345566666354.2.2.6 4.2.2.6 模糊控制器的設計內容模糊控制器的設計內容（1 1）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；（2 2）確定輸入，輸出的論域和）確定輸入，輸出的論域和KeKe、KecKec、KuKu的值；的值；（3 3）確定各變量的語言取值及其隸屬函數；）確定各變量的語言取值及其隸屬函數；（4 4）總結專家控制規則及其蘊涵的模糊關系；）總結專家控制規則及其蘊涵的模糊關系；（5 5）選擇推理算法；）選擇推理算法； （6 6）確定清晰化的方法；）確定清晰化的方法；（7 7）總結模糊查詢表。）總結模糊查詢表。364.2.2.7 4.

35、2.2.7 模糊控制的優缺點模糊控制的優缺點 設計時不需要建立被控制對象的數學模型，只設計時不需要建立被控制對象的數學模型，只要求掌握人類的控制經驗。要求掌握人類的控制經驗。 系統的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯系統的魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯后系統的控制后系統的控制模糊控制的優點模糊控制的優點：374.2.2.7 4.2.2.7 模糊控制的優缺點模糊控制的優缺點 確立模糊化和逆模糊化的方法時，缺乏系統的方確立模糊化和逆模糊化的方法時，缺乏系統的方法，主要靠經驗和試湊。法，主要靠經驗和試湊。 總結模糊控制規則有時比較困難。總結模糊控制規則有時比較困難。 控制規則一旦確定，不能在線調

36、整，不能很好地控制規則一旦確定，不能在線調整，不能很好地適應情況的變化。適應情況的變化。 模糊控制器由于不具有積分環節，因而穩態精度模糊控制器由于不具有積分環節，因而穩態精度不高。不高。 模糊控制的缺點：模糊控制的缺點：384.2.3.1 4.2.3.1 模糊比例控制器模糊比例控制器 為了解決模糊控制的離散性對控制質量的影響，為了解決模糊控制的離散性對控制質量的影響，在模糊控制查詢表的兩個離散級之間，插入按偏差在模糊控制查詢表的兩個離散級之間，插入按偏差量化余數的比例調節調節，使模糊控制量連續化。量化余數的比例調節調節，使模糊控制量連續化。 )()2(*的小數部分ekkuuUkuepLHu4.

37、2.3 模糊控制的改進方法模糊控制的改進方法394.2.3.2 4.2.3.2 模糊控制與模糊控制與PIDPID控制的結合控制的結合 雙模控制雙?？刂?雙?？刂破饔赡：刂破骱碗p模控制器由模糊控制器和PIPI控制器并聯組成?？乜刂破鞑⒙摻M成?？刂崎_關在系統誤差較大時接通模糊控制器，來克服制開關在系統誤差較大時接通模糊控制器，來克服不確定性因素的影響；在系統誤差較小時接通不確定性因素的影響；在系統誤差較小時接通PIPI控控制器來消除穩態誤差。制器來消除穩態誤差?？刂崎_關的控制規則可以描述為：控制開關的控制規則可以描述為： AePIAeFCu| ,| ,40串聯控制串聯控制 當當|E|1|E|1時

38、時, , 系統的誤差系統的誤差e e和模糊控制器的輸出和模糊控制器的輸出u u的的和作為和作為PIPI控制器的輸入控制器的輸入, , 克服不確定性因素的影響克服不確定性因素的影響, ,且有較強的控制作用且有較強的控制作用; ; 當當|E|=0|E|=0時時, , 模糊控制器輸出斷開模糊控制器輸出斷開, ,僅有僅有e e加到加到PIPI控制控制器的輸入器的輸入, , 消除穩態誤差。消除穩態誤差。 41并聯控制并聯控制 當當|E|1|E|1時，模糊控制器開關閉合，時，模糊控制器開關閉合，PIPI控制器的輸出控制器的輸出和模糊控制器的輸出的和作為被控對象的輸入和模糊控制器的輸出的和作為被控對象的輸入

39、, , 克服克服不確定性因素的影響不確定性因素的影響, ,且有較強的控制作用；且有較強的控制作用；當當|E|=0|E|=0時時, , 模糊控制器輸出斷開，僅有模糊控制器輸出斷開，僅有PIPI控制器控控制器控制對象制對象, , 消除穩態誤差。消除穩態誤差。 424.2.3.3 4.2.3.3 自校正模糊控制自校正模糊控制 針對普通模糊控制器的參數和控制規則在系統運針對普通模糊控制器的參數和控制規則在系統運行時無法在線調整，自適應能力差的缺陷，自校正模行時無法在線調整，自適應能力差的缺陷，自校正模糊控制器可以在線修正模糊控制器的參數或控制規則，糊控制器可以在線修正模糊控制器的參數或控制規則，從而增

40、強了模糊控制器的自適應能力，提高了控制系從而增強了模糊控制器的自適應能力，提高了控制系統的動靜態性能和魯棒性。統的動靜態性能和魯棒性。 自校正模糊控制器通常分為兩種：自校正模糊控制器通常分為兩種： 參數自校正模糊控制器參數自校正模糊控制器 規則自校正模糊控制器規則自校正模糊控制器 43 參數自校正模糊控制器參數自校正模糊控制器 1 1）量化因子量化因子e、ec和比例因子和比例因子u對控制性能的影響對控制性能的影響 如果如果E E、ECEC、U U的論域和控制規則是確定的，那么的論域和控制規則是確定的，那么模糊查詢表是確定的，也就是說，模糊查詢表是確定的，也就是說，E E、ECEC和和U U的關

41、的關系是確定的，將這種關系可以用函數描述為：系是確定的，將這種關系可以用函數描述為： U(k)=f E(k),EC(k) )()(keKkEe)()(kecKkECec)()(kUKkuu)(),()(kecKkeKfKkueceu44在常規模糊控制器中在常規模糊控制器中, Ke、Kec、Ku固定，會給系統固定，會給系統的控制性能帶來一些不利的影響的控制性能帶來一些不利的影響:在大誤差范圍時在大誤差范圍時, ,不能快速地消除誤差不能快速地消除誤差, ,動態響應速度動態響應速度受到限制；受到限制；在小偏差范圍時存在一個調節死區在小偏差范圍時存在一個調節死區, ,此時的控制輸出此時的控制輸出為為0

42、,0,但但e e的實際值可能并非為的實際值可能并非為0, 0, 導致系統軌跡在導致系統軌跡在0 0區區附近的振蕩；附近的振蕩；當被控對象參數發生變化當被控對象參數發生變化, ,或受到隨機干擾影響時或受到隨機干擾影響時, , 控制器不能很好地適應，會影響模糊控制的效果?？刂破鞑荒芎芎玫剡m應，會影響模糊控制的效果。為使系統性能不斷改善為使系統性能不斷改善, ,并適應不斷變化的情況并適應不斷變化的情況, ,保證保證控制達到預期要求控制達到預期要求, ,需要對需要對KeKe、KecKec、KuKu進行在線實時進行在線實時修改。修改。系統狀態系統狀態性能要求性能要求參數調整要求參數調整要求原因原因e e

43、和和ecec較大較大盡快消除誤盡快消除誤差，差，加快響應速加快響應速度度降低降低KeKe和和KecKec；加大加大KuKu降低降低KeKe和和KecKec可以降低對可以降低對e e和和ecec輸入量的分辨率輸入量的分辨率, ,使使得得e e、ecec的減少不致于使的減少不致于使控制器的減少太多?？刂破鞯臏p少太多。加大比例因子加大比例因子Ku,Ku,可以獲可以獲得較大的控制量得較大的控制量, ,使響應使響應加快。加快。e e和和ecec較小較小系統已經接系統已經接近穩態近穩態, ,此此時要求提高時要求提高系統精度系統精度, ,減少超調量減少超調量加大加大KeKe和和KecKec；降低降低KuKu

44、增大增大KeKe和和KecKec可以提高對輸可以提高對輸入變化的分辨率，使得控入變化的分辨率，使得控制器可以對微小的誤差做制器可以對微小的誤差做出反應，提高穩態的精度出反應，提高穩態的精度減少減少KuKu，以減小超調量，以減小超調量2 2）KeKe、KecKec、KuKu的調整方法的調整方法 調整的原則：調整的原則：46 根據上述參數自調整的原則和思想，可以設計根據上述參數自調整的原則和思想，可以設計一個模糊參數調整器，在線地根據偏差一個模糊參數調整器，在線地根據偏差e和偏差變化和偏差變化ec來調整來調整Ke、Kec、Ku的取值。的取值。 在不影響控制效果的前提下，可以取在不影響控制效果的前提

45、下，可以取Ke、Kec增加的倍數與輸出的比例因子增加的倍數與輸出的比例因子Ku減小的倍數相同。減小的倍數相同。 47 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量； 該模糊參數調整器的輸入與模糊控制器的輸入相該模糊參數調整器的輸入與模糊控制器的輸入相同，為偏差同，為偏差E和偏差變化和偏差變化EC；輸出為；輸出為Ke、Kec的的增加倍數增加倍數N（即（即Ku的減小倍數）。的減小倍數）。 模糊參數調整器的設計模糊參數調整器的設計48E E、ECEC的隸屬函數分布的隸屬函數分布 確定輸入，輸出的論域、語言取值及其隸屬函數；確定輸入，輸出的論域、語言取值及其隸屬函數；輸入輸入

46、E E、ECEC的論域都定義為的論域都定義為: : E E、EC-6, -5, , -1, 0, 1, , 5, 6EC-6, -5, , -1, 0, 1, , 5, 6語言值定義為：語言值定義為：PBPB，PMPM，PSPS，ZOZO，NSNS，NMNM，NBNB49l N N的論域定義為：的論域定義為：1/8,1/4,1/2,1,2,4,81/8,1/4,1/2,1,2,4,8；l 語言值定義為：語言值定義為： ( (高縮高縮) )、( (中縮中縮) )、( (低縮低縮) )、( (不變不變) )、( (低放低放) )、( (中放中放) )、( (高放高放) ) ； N N的隸屬函數分布

47、的隸屬函數分布 50 總結專家控制規則及其蘊涵的模糊關系總結專家控制規則及其蘊涵的模糊關系 N N的調整規則表的調整規則表 根據規則表蘊涵的模糊關系，經過模糊推理和清晰根據規則表蘊涵的模糊關系，經過模糊推理和清晰化操作，可以總結出相應的模糊參數調整查詢表?；僮鳎梢钥偨Y出相應的模糊參數調整查詢表。 51參數自校正模糊控制系統結構和參數調整算法參數自校正模糊控制系統結構和參數調整算法 參數自校正模糊控制系統原理圖參數自校正模糊控制系統原理圖 52參數自調整步驟可描述為參數自調整步驟可描述為: : （1 1）以原始的以原始的Ke和和Kec對對e和和ec進行量化得到進行量化得到E、EC；（2）由）

48、由E、EC查模糊參數調整查詢表得出調整倍數查模糊參數調整查詢表得出調整倍數N;（3）令）令Ke =KeN， Kec =KecN ， Ku =Ku/N ；（4）用調整后的）用調整后的Ke 、 Kec 對對e和和ec重新量化；重新量化；（5）用重新量化的）用重新量化的E、EC查模糊控制表查模糊控制表,得出控制量得出控制量U。（6）用比例因子）用比例因子Ku 乘以乘以U獲得控制量獲得控制量u。 53規則自校正模糊控制器規則自校正模糊控制器 模糊控制要有更好的效果，其前提必須具有較完模糊控制要有更好的效果，其前提必須具有較完善與合理的控制規則，但控制規則和查詢表都是在人善與合理的控制規則，但控制規則和查詢表都是在人工經驗的基礎上設計出來的，因而難免帶有主觀因素，工經驗的基礎上設計出來的，因而難免帶有主觀因素，使控制規則往往在某種程度上顯得精度不高或不完善，使控制規則往往在某種程度上顯得精度不高或不完善，并且當對象的動態特性發生變化，或受到隨機干擾的并且當對象的動態特性發生變化，或受到隨機干擾的影響時，都會影響到模糊控制的效果。因此需要對控影響時，都會影響到模糊控制的效果。因此需要對控制規則和查詢表不斷及時地進行修正。制規則和查詢表不斷及時地進行修正。1 1）為什么進行規則