1、智能控制理论与方法Intelligent Control Theory and Methods,教师姓名：张勇 日期：2010-06-08,内蒙古科技大学讲义2010-05 包头,第三章 模糊控制原理,模糊控制系统模糊建模模糊控制器的设计PID模糊控制器模糊控制器的稳定性分析模糊控制的应用,什么是模糊控制?模糊控制是用模糊数学的知识模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控制。模糊控制的特点与经典控制理论和现代控制理论相比，模糊控制的主要特点是不需要建立对象的精确模型。,3.1 模糊控制系统,手动控制和经验控制操作人员根据对象的当前状态和以往的控制经验，用
2、手动控制的方法给出适当的控制量，对被控对象进行控制。用计算机模拟操作人员手动控制的经验，对被控对象进行控制。,模糊控制的基本思想首先根据操作人员手动控制的经验，总结出一套完整的控制规则，再根据系统当前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决等运算，求出控制量，实现对被控对象的控制。模糊控制的起源1965年 Zadeh 论文模糊集合论。1974年 Mamdani将模糊集合理论应用于锅炉和蒸汽机的控制，模糊数学走向应用模糊控制。,操作员手动给出,计算机自动给出,控制经验,+,当前状态,控制量,经验控制,将控制经验事先总结归纳好，放在计算机中。,传感器测量的当前值,根据当前的状态，对照控制经验，给出适当的
3、控制量,+,模糊控制,事先总结归纳出一套完整的控制规则，放在计算机中。,模糊推理判决计算出,控制量,手动控制,+,传感器测量的当前值,手动控制、经验控制和模糊控制的比较,模糊控制系统的意义模糊控制是智能控制的一个十分活跃的研究与应用领域。模糊控制的价值可从两个方面来考虑：一方面，模糊控制提出一种新的机制用于实现基于知识（规则）甚至语义描述的控制规律。另一方面，模糊控制为非线性控制器提出一个比较容易的设计方法，尤其是当受控装置（对象或过程）含有不确定性而且很难用常规非线性控制理论处理时，更是有效。,模糊控制系统的基本概念在人参与的实际控制系统中，有些有经验的操作人员，虽然不懂被控对象的数学模型，
4、也不懂得自动控制原理，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制。如，司机对汽车的控制，工程师对故障检测的审查等。模糊控制系统的工作和人机控制系统一样，只不过模糊控制系统的工作者是模糊控制器。模糊控制器将根据输入信息，进行模糊决策，输出一个模糊量，然后将他精确化，并作用于被控对象。,模糊控制系统的组成模糊控制器各类模糊控制系统的核心部分，是一种采用基于知识表和规则推理的语言型控制器。主要三个功能：模糊量化处理，模糊推理（决策），非模糊化处理。输入输出接口执行机构被控对象传感器,模糊控制的基本原理模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，计算机通过采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得
5、到误差信号e，再将误差信号作为模糊控制器的输入量，把误差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量，误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示，至此得到了误差e的模糊语言集合的一个子集E（模糊向量），再由E和模糊控制规则R（模糊关系）根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量U：U是一个模糊量，为了对被控对象实施精确的控制，还需要将模糊量U转换为精确量u，也就是非模糊化处理。,模糊控制适用于具有模糊环境且难于建模的控制系统，而模糊控制器的设计则依赖于基于领域专家知识的模糊推理规则库。在模糊控制系统中，我们常常无法得到被控对象的数学模型，因此有关模糊控制的理论研究很难深入下去；诸如几个常规的理论问题：系统的稳定
6、性、能控性、能观性等等，还没有很有效的方法来处理它们。,3.2 模糊建模,我们把模糊推理施加于被控对象，然后利用模糊逻辑系统的插值机理将既得的模糊推理规则库转变为某种变系数非线性微分方程(组)，称之为HX方程，从而得到控制系统的数学模型；这样的建模方法将被叫做模糊推理建模法，它被视为不同于常用的机理建模法和系统辨识建模法的第三种建模方法。此外，这种建模方法不局限于控制系统，还适用于一般系统的建模。,必须解决的三个问题：精确量的Fuzzy化；Fuzzy控制规则的构成;输出信息的Fuzzy判决。,3.3 模糊控制器的设计,模糊控制器的设计包括以下几项内容：确定输入输出变量；设计控制规则；进行模糊化
7、和去模糊化；选择输入输出变量的论域并确定量化因子、比例因子等参数；编制应用程序；合理选择采样时间。,3.3.1 模糊控制器的结构设计,模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入和输出变量。单变量系统：具有一个输入变量和一个输出变量（即一个控制量和一个被控制量）的系统。多变量系统：多余一个输入/输出的变量系统。模糊控制系统往往把一个被控制量（通常是系统的输入量）的偏差、偏差变化及偏差变化的变化率作为模糊控制器的输入。形式上看，输入量应该是三个，但由于输入量都与偏差有直接关系，人们称之为单变量模糊控制系统。,单变量模糊控制系统的结构形式：,控制输出的两种形式：e“大”，以绝对控制量输出；e“中”
8、、“小”，以控制量增量输出。,选择输入输出变量的词集模糊控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入-输出变量状态的一些词汇（如“正大”，“负小”等）的集合，称为这些变量的词集（也称变量的模糊状态）。词汇增多 制定控制规则方便，但控制规则相应变得复杂；词汇过少 描述粗糙，控制器性能变坏。常选、个。,3.3.3 模糊控制器的规则设计,人们总是习惯于把事物分为三级，“大、中、小”，“快、中、慢”，再加上正负两个方向一般为：负大，负中，负小，零，正大，正中，正小英文简写为：NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,2、定义模糊变量的模糊子集,确定模糊子集隶属函数的形状；将隶属函数曲线离散化，
9、得有限个点上的隶属度。,用正态型隶属函数曲线来描述人进行控制活动时的概念是适宜的，因此可以用正态型函数给出误差E，误差变化率EC及控制量U的七个语言值的隶属函数。对于论语E而言，设，,，,当x0时，取EC，U和E类似,正态分布型模糊变量较符合人的思维特点。,模糊子集的隶属函数的形状对控制特性的影响：,较尖：分辨率较高，控制灵敏度也较高；平缓：控制特性也较平缓，系统稳定性好。误差较大的区域采用低分辨率的模糊集；误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集；误差接近于零时采用高分辨率的模糊集。,模糊子集之间的相互关系对控制性能的影响：,模糊变量的各个模糊子集应在论域上合理分布，应较好的覆盖整个论域；注意使
10、论域中任何一点对模糊子集的隶属度的最大值不能太小，否则会在这样的点附近出现不灵敏区，造成失控，使系统性能变坏；当论域中元素总数为模糊子集总数的23倍时，模糊子集对论域的覆盖程度较好。,a为两个模糊子集的交集的最大隶属度，其大小可描述两个模糊子集之间的影响程度：a值较小：控制灵敏度较高；a值较大：模糊控制器鲁棒性较好。一般a取值为0.40.8。a值过大造成两个子集难以区分，使控制灵敏度显著降低。,3、建立模糊控制器的控制规则,模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略。手动控制策略一般可用条件语句加以描述。常见的模糊控制语句及其对应的模糊关系R 概括如下：,“若A则B”（if A then B）：R
11、=AB例句：“若水温偏低则加大热水流量。”,“若A则B 否则C”（if A then B else C）：R=(AB)(AcC)例句：“若水温高则加些冷水，否则加些热水。”,“若A且B则C”（if A and B then C）：R=(AB)(BC),还可：“若A 则若B 则C”（if A then if B then C）：R=A(BC)=ABC例句：“若水温偏低且温度继续下降，则加大热水流量。”,“若A或B且C或D则E”（if A or B and C or D then E）：R=(AB)E(CD)E例句：“若水温高或偏高且温度继续上升快或较快，则加大冷水流量。”,“若A则B且若A则C”
12、（if A then B and if A then C）：R=(AB)(AC)还可：“若A则B、C”（if A then B,C）：例句：“若水温已到，则停止加冷水、停止加热水。”,“若 A1 则 B1 或若 A2 则 B2”（if A1 then B1 or if A2 then B2）：R=(A1B1)(A2B2)例句：“若水温偏低则加大热水流量或若水温偏高则加大冷水流量。”。”还可：“若 A1 则 B1 否则若 A2 则 B2”（if A1 then B1 else if A2 then B2）：,以手动操作控制水温为例，给出一类模糊控制规则：设温度的偏差为E、温度偏差的变化率为EC，
13、热水流量的变化为U。并选取E和U的语言变量的词集均为：NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB选取EC的语言变量的词集为：NB，NM，NS，O，PS，PM，PB将操作过程中各种可能出现的情况和相应的控制策略汇总如下：,模糊控制规则表,EC,U,E,选取控制量变化的原则：当误差大或较大时，以尽快消除误差为主；当误差较小时，要注意防止超调，以系统稳定性为主。,3.3.4 精确量和模糊量的相互转换,精确量的模糊化方法将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化，或模糊量化。系统中变量的变化范围叫做变量的“基本论域”。如把在-6,+6变化的连续量分为七个档，每个档次对应一个模糊集；否则，每个精确量对应一
14、个模糊集，将有无穷多个模糊子集，使模糊化复杂。,再将其离散化为(-n，-n+1，0，n-1，n)档，(-n，n)称为模糊集的论域。取模糊变量的语言值，如 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，每个值对应一个模糊子集，缩写为：NB，NM，NS，O，PS，PM，PB。,离散化的模糊变量表,量化等级,隶属度,语言变量值,精确量的模糊化，实际上是找出该精确量隶属于某个模糊子集的隶属函数值。,去模糊化方法(模糊决策)模糊控制器的输出是一个模糊子集，它包含控制量的各种信息，反映控制语言的不同取值的一种组合。当被控对象只能接受一个确切的控制量，要进行模糊判决，将模糊量转化为精确量。称为清晰化、去模糊化、模
15、糊判决，通常有三种方法：,最大隶属度法,优点：简单易行；缺点：概括的信息量较少；要求：控制器算法应保证其结果是正规的凸Fuzzy子集。,按最大隶属度的原则，应取执行量 u=5；,将隶属函数曲线与横坐标所围面积平分成两部分的横座标值作为执行量u。u应满足：,中位数判决法,能概括更多的信息，但主要信息没有突出。,关键在于权系数的选取。当权系数ki(i=1,2,m)已确定时，模糊量的判决输出：,加权平均判决法,为简便起见，取隶属度为加权系数，作为加权平均判决输出：,3.3.5 论域、量化因子、比例因子的选择,论域及其基本理论模糊控制器输入、输出变量的实际变化范围称为变量的基本论域。基本论域内的量为精
16、确量。,注意:有关论域的选择，一般误差论域n=6,误差变化论域m=6,控制量的论域l=7。满足模糊论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的两倍以上，确保模糊集较好的覆盖论域，避免出现失控现象。增加论域中的元素个数，可提高控制精度，但受计算机字长的限制，也要增大计算量。,量化因子和比例因子为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集论域，这中间须将输入变化量乘以相应的量化因子。,量化因子和比例因子的选择量化因子和比例因子的大小及不同量化因子之间大小的相对关系对控制性能影响极大。合理的确定量化因子和比例因子要考虑计算机的字长，充分考虑与D/A和A/D转换精度的协调。Ke较大，超调也
17、大，过渡过程较长；,Ku过小，过渡过程较长，Ku过大，振荡加剧。,1、离散论域时模糊控制的离线计算方法,3.3.6 模糊控制算法的实现,2、模糊控制算法流程图,1、单输入（一维）单输出模糊控制,模糊控制器设计步骤1）确定模糊控制器的结构，即确定输入输出变量；2）输入输出变量的模糊化；3）模糊推理决策算法的设计；4）对输出模糊量进行模糊判决。,储水容器水位模糊控制：被调参数：水位；控制量：阀门开度。,3.3.6 模糊控制应用举例,1)模糊控制器输入变量和输出变量,2)输入变量和输出变量的语言描述,水位给定值：h0；测量值：h(k)；输入变量：水位误差 e(k)=h0-h(k)；输出变量：阀门开度
18、u的变化。,描述输入变量E和输出变量U的语言值的模糊子集为：NB,NS,O,PS,PB 设E的论域为X，U的论域为Y，并均量化为个等级，即:X=-3,-2,-1,0,1,2,3 Y=-3,-2,-1,0,1,2,3,3)模糊控制规则的语言描述,if E=NB then U=PB if E=NS then U=PS if E=O then U=O if E=PS then U=NS if E=PB then U=NB,4)模糊控制规则的矩阵形式,5)模糊决策,求得：,6)控制量去模糊化,7)模糊控制器的响应表,2、双输入（二维）单输出模糊控制,1)确定模糊控制器的结构,输入变量：误差E，误差变化
19、率EC；输出变量：控制量U。,定义：E和U的模糊集均为：NB,NM,NS,O,PS,PM,PB EC的模糊集为：NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB,定义：E和EC的论域均为：-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6 U的论域为：-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,2)建立模糊控制器规则,3)确定模糊变量的赋值表 即确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。,e,E,ec,EC,ec,EC,4)建立模糊控制表,由第一条控制规则得：,若 e 及 ec的隶属度对应于所量化的等级上取1，其余为0，即,ec,u,e,3.4 PID模糊控
20、制器,PID控制器适应对象：过程参数固定、非线性不严重的情况；不适用情况：过程参数变化大、非线性严重。模糊控制器：以语言描述人类知识，并把它表示成模糊规则或关系，通过推理，利用知识库，把某些知识与过程状态相结合来决定控制行为。注意：模糊控制器不具有明显的PID结构，但它可以称为非线性PID控制器，根据系统的误差和误差差分来决定PID控制参数。,7.1PID算法的原理及数字实现,比例调节器比例调节器的微分方程为：y=KPe(t)由上式可以看出比例调节的特点：调节器的输出与输入偏差成正比。只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，使被控量朝着减小偏差的方向变化，具有调节及时的特点。但是，Kp过大会导致动态品质变坏，甚至使系统不稳定。,积分调节器积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用，其作用是消除静差。积分方程为：,式中：TI是积分时间常数，它表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性曲线，如下图所示。,积分作用响应曲线,由图中曲线看出积分作用的特点：只要偏差不为零就会产生对应的控制量并依此影响被控量。增大Ti会减小积分作用，即减慢消除静差的过程，减小超调，提高稳定性。,微分调节器微分调节的作用是对偏差的变化进行控制，并使偏差消失在萌芽状态，其微分方程为：,微分作用响应曲线如下图所示。,
