模糊控制 |
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1、模糊控制的基本原理 模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法,它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则,然后将来自传感器的实时信号模糊化,将模糊化后的信号作为模糊规则的输入,完成模糊推理,将推理后得到的输出量加到执行器上。 2、模糊控制器 模糊控制器(Fuzzy Controller—FC):也称为模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller—FLC),由于所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的,因此模糊控制器是一种语言型控制器,故也称为模糊语言控制器(Fuzzy Language Controller—FLC)。 (1)模糊化接口(Fuzzy interface) 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出的求解,因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。 (2)知识库(Knowledge Base—KB) 知识库由数据库和规则库两部分构成。 ①数据库(Data Base—DB) 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等级离散化以后对应值的集合),若论域为连续域则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中,向推理机提供数据。 ②规则库(Rule Base—RB) 模糊控制器的规则司基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验,它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成,如if-then、else、also、end、or等,关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词为if-then、also,对于多变量模糊控制系统,还有and等。 (3)推理与解模糊接口(Inference and Defuzzy-interface) 推理是模糊控制器中,根据输入模糊量,由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程,并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中,考虑到推理时间,通常采用运算较简单的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理,它包含有正向推理和逆向推理两类。正向推理常被用于模糊控制中,而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。推理结果的获得,表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是,至此所获得的结果仍是一个模糊矢量,不能直接用来作为控制量,还必须作一次转换,求得清晰的控制量输出,即为解模糊。通常把输出端具有转换功能作用的部分称为解模糊接口。
3、模糊控制系统的工作原理(实例) 以水位的模糊控制为例,如图4-4所示。设有一个水箱,通过调节阀可向内注水和向外抽水。设计一个模糊控制器,通过调节阀门将水位稳定在固定点附近。按照日常的操作经验,可以得到基本的控制规则: “若水位高于O点,则向外排水,差值越大,排水越快”; “若水位低于O点,则向内注水,差值越大,注水越快”。 根据上述经验,按下列步骤设计模糊控制器:
1)确定观测量和控制量 定义理想液位O点的水位为h0,实际测得的水位高度为h,选择液位差: 将当前水位对于O点的偏差e作为观测量。 2)输入量和输出量的模糊化 将偏差e分为五个模糊集:负大(NB),负小(NS),零(O),正小(PS),正大(PB)。根据偏差e的变化范围分为七个等级:-3,-2,-1,0,+1,+2,+3。得到水位变化模糊表4-1。 控制量u为调节阀门开度的变化。将其分为五个模糊集:负大(NB),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正大(PB)。并将u的变化范围分为九个等级:-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4。得到控制量模糊划分表4-2。 3)模糊规则的描述 根据日常的经验,设计以下模糊规则: (1)“若e负大,则u负大” (2)“若e负小,则u负小” (3)“若e为0,则u为0” (4)“若e正小,则u正小” (5)“若e正大,则u正大” 其中,排水时,u为负,注水时,u为正。
上述规则采用“IF A THEN B”形式来描述: (1) if e=NB then u=NB (2) if e=NS then u=NS (3) if e=0 then u=0 (4) if e=PS then u=PS (5) if e=PB then u=PB 根据上述经验规则,可得模糊控制表4-3。 4)求模糊关系 模糊控制规则是一个多条语句,它可以表示为U×V上的模糊子集,即模糊关系R: 其中规则内的模糊集运算取交集,规则间的模糊集运算取并集。 5)模糊决策 模糊控制器的输出为误差向量和模糊关系的合成: 当误差e为NB时,e=[1,0.5,0,0,0,0,0]控制器输出为: 6、控制量的反模糊化 由模糊决策可知,当误差为负大时,实际液位远高于理想液位,e=NB,控制器的输出为一模糊向量,可表示为: 如果按照“隶属度最大原则”进行反模糊化,则选择控制量为 u=-4,即阀门的开度应关大一些,减少进水量。
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