ch4模糊控制

计算机控制技术ComputerControlledSystem中南大学信息科学与工程学院袁艳2020年2月28日4.7模糊控制FuzzyControl参考书目模糊控制原理，诸静，机械工业出版社，1997模糊智能控制，冯冬青等编著，化学工业出版社，1998.9模糊控制•神经控制和智能控制论，李士勇，哈尔滨工业大学出版社，1996计算机模糊控制技术与仪表装置，韩启纲,吴锡祺，中国计量出版社，1999.8模糊控制与系统，张文修,梁广锡编著，西安交通大学出版社，1998模糊控制及其MATLAB实现，张国良等，西安交通大学出版社，2002MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用，闻新等编著，科学出版社，2001模糊控制系统的设计及稳定性分析，佟绍成，科学出版社，2004.4中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术4.7模糊控制技术4.7.1模糊控制发展概述4.7.2模糊控制的数学基础4.7.3模糊控制器设计4.7.4模糊控制器设计实例中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术传统控制理论的局限性（1）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上——用微分或差分方程来描述。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。丢失许多有用的信息。（2）不能适应大的系统参数和结构的变化自适应控制和自校正控制——通过对系统某些重要参数的估计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术鲁棒控制——在参数或频率响应处于允许集合内，保证被控系统的稳定。自适应控制鲁棒控制不能克服数学模型严重的不确定性和工作点剧烈的变化。（3）传统的控制系统输入信息模式单一通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）；机械量（位移、速度、加速度）；复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、语言、声音等信息。为了克服传统控制理论的局限性，产生了模拟人类思维和活动的智能控制。返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术4.7.1模糊控制发展概述第一阶段（20世纪60年代）1965年，Zadeh.L.A教授发表了开创性的文章FuzzySets，标志着模糊理论的诞生。在20世纪60年代末到70年代初，模糊算法、模糊决策等概念相继提出。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术第二阶段（20世纪70年代）由于ZadehL.A.的杰出工作，建立了模糊理论的大部分重要概念。1973年Zadeh在他的重要文章outlineofanapproachtotheanalysisofcomplexsystemsanddecisionprocess中，引入了语言变量和模糊规则的概念，建立了模糊控制的基本原理。更为重要的是1974年，英国的Mamdani将模糊控制成功地应用于蒸汽机的控制，Ostergaard将模糊控制成功地应用于水泥窑的控制，为模糊理论的发展展现了光明的前景。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术第三阶段（20世纪80年代）这个时期，模糊理论的应用无论是在深度还是在广度上都有了较大进展，产生了大量的应用成果。特别是在日本，模糊控制被成功地应用于废水处理、机器人、汽车驾驶、家用电器和地铁系统等许多领域，掀起了模糊技术应用的浪潮。1987年，具有重要意义的第二届IFSA大会在日本东京召开。另外，模糊软硬件也投入商业使用。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术第四阶段（20世纪90年代以后）模糊控制成功地应用，极大地推动了模糊理论的研究。1992年2月，在SanDiego召开的IEEEonInternationalconferenceonfuzzysystem，标志着模糊理论为世界上最大的工程师组织所接受。接着，在1993年创刊了IEEEonfuzzysystems。90年代以来，模糊理论的研究取得了一系列突破性的进展，例如自适应模糊控制，模糊系统的结构和稳定性分析，模糊优化，模糊逼近等。模糊理论已成为智能技术的三大支柱之一。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术模糊控制的优点l）模糊控制是一种基于规则的控制，采用语言型控制规则，基于现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。2）基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术3）模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。4）模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术模糊控制的局限性1）稳态精度欠佳。这主要是由于模糊控制表的档级有限而造成，通过增加量化等级数目虽可提高精度，但查询表将过于庞大，往往受物理条件限制。2）自适应能力有限。这是因为模糊控制器对某些参数变化不敏感，只能说明具有鲁棒性，而不能讲具有自适应能力。3）很容易产生振荡现象。如果查询表构造得不合理或量化因子和比例因子选择不当，都会导致振荡现象。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术4）系统设计无统一、规范、系统的设计方法。包括模糊集合隶属函数的设定方法、量化水平和采样周期的最优选择，规则的获取、最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题。5）模糊控制器的解析结构分析、模糊控制系统的稳定性、鲁棒性、能观性和能控性等没有系统的分析方法。6）当输入、输出数目和模糊语言变量划分的等级增大时，模糊规则的数目是以级数的平方关系迅速增长，而引起规则“爆炸”。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术模糊理论的应用领域在过程控制中的应用。如水泥窑控制、锅炉烧结控制、发酵罐含氧量控制、发电机组负荷控制、升降机控制、废水处理、天文望远镜控制以及采矿、炼钢、造纸、轧钢等过程控制。在军事上的应用。如机翼控制、雷达故障诊断、运载工具控制等。在医学上的应用。如医学图像处理、肢体外循环控制、临床自动给药系统、医疗诊断系统以及模糊激光治疗等。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术在经济及管理中的应用。如宏观经济调控、经济决策支持系统、经济预测、生产调度等。在信息技术中的应用。如机器人控制、仿人记忆系统、模糊芯片、智能计算机、专家系统、新一代软、硬件等。在交通领域中的应用。如交通系统控制、城市交通网、卡车自动装卸系统、地铁控制系统、汽车传动系统控制、汽车自动停车系统等。在日常生活中的应用。如高性能家用电器等。随着模糊控制理论的发展，模糊技术的应用范围不断扩大，水平也日益提高。返回中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术4.7.2模糊控制的数学基础返回4.7.2.1模糊集合4.7.2.2模糊矩阵与模糊关系4.7.2.3模糊逻辑与模糊推理中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术模糊理论是建立在模糊集合基础之上的，是描述和处理人类语言中所特有模糊信息的理论。它的主要概念包括模糊集合（FuzzySets）、隶属度函数（MembershipFunction）、模糊算子（FuzzyOperator）、模糊运算（FuzzyOperation）和模糊关系（FuzzyRelation）等。本章将分别介绍这些概念。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术4.7.2.1模糊集合1、模糊概念模糊性是指概念外延的不确定性，从而造成判断的不确定性。在客观世界中普遍存在着大量的模糊现象。模糊性用模糊数学的相关理论进行描述。例如，“大苹果”、“老年人”、“高温”、“大量”等语辞所包含的不确定性即为模糊性。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术模糊概念天气冷热雨的大小风的强弱人的胖瘦年龄大小个子高低中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术为了对事物进行识别，必须对事物按不同的要求进行分类。许多事物可以依据一定的标准进行分类。用于这种分类的数学工具就是集合论。解决精确性的集合问题可以用经典集合论。世界上大多数事物具有模糊性。为了描述具有模糊性的事物，引入模糊集合的概念。模糊数学模糊数学是一种描述和加工模糊信息的数学工具。模糊数学以模糊集合作为起源，经过近三十年的发展与完善，先后提出了模糊逻辑、模糊推理、模糊语言、模糊代数、模糊积分、模糊方程等概念，并建立了模糊数学与经典数学的联系。模糊数学已初具雏形。中南大学信息科学与工程学院硕士研究生模糊控制讲义第二章模糊数学基础中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术(2)模糊集合基本概念：边界不很明确的同一类模糊事物或模糊概念的“集合”，称为“模糊集合”。集合中元素的取值范围称为论域。模糊集合的符号：在大写英文字母下加“~”号。例如，。举例：“老年人”集合，“高个子”集合。隶属函数：表示模糊集合中元素属于该模糊集合的程度。设模糊集合~AA0A1XXA如果如果],...,,[)(21~nxxxxA2、模糊集合与精确集合(1)精确集合（非此即彼）如：A={X|X6}精确集合的隶属函数：中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术中某一元素xi属于的程度，称为该元素xi的“隶属度”，记作，在[0,1]连续取值。若隶属度随元素x的不同而改变，这个表示隶属度变化规律的函数称为“隶属函数”，用表示。隶属函数是描述模糊概念的关键，它的引入标志着模糊数学的诞生。)(~xA)(~xA)(~iAx)(~xA隶属函数的性质：a)定义为有序对；b)隶属函数在0和1之间；c)其值的确定具有主观性和个人的偏好。中南大学信息科学与工程学院硕士研究生模糊控制讲义第二章模糊数学基础中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术举例：某人的年龄属于“老年人”集合的隶属度为0.555）＝（老年人0.8060）＝（老年人0.9470）＝（老年人50)505(11)2iiixxx，（老年人根据上式计算：中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术(3)隶属度（MF,membershipfunction）的确定基本方法：1)主观经验法2)分析推理法3)调查统计法(4)常用的隶属函数高斯型分布；三角形分布；梯形分布；钟形分布。以三角形分布最常用，因为其数学表达和运算简单，所占内存空间小。中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术高斯型分布的宽度。决定的中心；代表MFMFcecxgcx),;(2)(21中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术三角形分布xccxbbxaaxcbaxtrigbcxcabax00),,;(中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术梯形分布xddxccxbbxaaxdcbaxTrapcdxdabax010),,,,(中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义4.7模糊控制技术钟形分布bacxcbaxbel