神经网络、模糊控制及专家系统第四章

研究生课程

神经网络、模糊控制及专家系统

张严心2012年秋季

第二部分 模糊控制(12)第二章 模糊控制的数学基础 第三章 模糊控制的基础理论 第四章 模糊控制系统与模糊控制器 第五章 模糊控制理论的研究

第四章 模糊控制系统与模糊控制器(4学时)模糊控制系统的定义模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和 模糊逻辑的规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的 闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。这也就是它与其他自动控制

§ 4.1 模糊逻辑系统模糊控制系统§4.1.1 模糊控制系统的组成 §4.1.2 模糊控制系统的原理与特点 §4.1.3 模糊控制系统分类

系统的不同之处。因此，它无疑是一种智能控制系统

§ 4.2 模糊控制器§4.2.1 模糊控制器的组成 §4.2.2 模糊控制器的结构 §4.2.3 模糊控制器的设计内容

§ 4.3 模糊控制器的设计举例

4.1 模糊逻辑系统模糊控制系统 4.1.1 模糊控制系统的组成ø ¨µ · ¶ Ö

+-

A/D

£ ý Ø Æ ô Ä ¹ ¿ Ö Æ â ¿ °Ã ° Á ³Ö

D/A

´ ú Ö Ð º ¸

º Ø Ô ó ±¿ ¶ Ï

º Ø Æ ¿ ±¿ Ö Á

图4-1 模糊控制系统组成框图

被控对象(状态转移过程): 确定的/模糊的、单变量的/多变量的、有滞后/无滞后的、 线性的/非线性的、定常的/时变的、强耦合/干扰的。

执行机构： 控制器： 输入/输出(I/O)接口： 测量装置：

交直流电动机，伺服电动机、步进电动机、气动调节阀、液压 马达、液压阀等 通常有PID控制器，串、并联校正器，状态控制器，自适应控

制器，解耦控制器，鲁棒控制器。(后面详讲模糊控制器)多数被控对象的控制器和可观测器的状态量是模拟量，因此要 具有数/模(D/A)和模/数(A/D)转换单元 将被控对象的各种非电量(如流量、温度、压力、速度、温

度)———电信号， 要求其精度高、可靠且稳定性好

4.1 模糊逻辑系统模糊控制系统 4.1.2 模糊控制系统的原理与特点基本原理：一个简单的单输入d un —单输出d

晶闸管直流调速模糊控制系统

Td CT id nd (u d id r ) / Ce

(4.1)

Td

——负载转矩 ud ——电枢电压 nd ——电动机转速 Ce , Cr ——电动机电动势与转矩常数

——励磁磁通 id ——工作电流 r ——电枢回路电阻 uCF ——检测到的速度信号

Td给定值

eu CF

ud

A/D

模糊 控制器

w

D/A

u

u /变换器

晶闸管 整流装置

直流 电动机

nd

工作 机构

测速装置图4-2 速度模糊控制系统

4.1 模糊逻辑系统模糊控制系统 4.1.2 模糊控制系统的原理与特点根据人工操作经验，控制规

则可以用条件语言来表示如下：

A: 如果电动机转速 nd 低于 1000r/min, 那么应该升高电压 ud , nd 低得越多， ud 升得越高； 若 则 B: 如果电动机转速 nd 高于 1000r/min, 那么应该降低电压 ud , nd 高得越多， ud 降得越低； 若 则 C:如果电动机转速 nd 等于 1000r/min,则保持电压 ud 不变。总结上述Fuzzy控制算法(亦称一步Fuzzy控制算法)的实现过程：

e (1)根据本次采样得到的系统偏差量，计算所选的输入变量 (A/D) ; (2)将输入变量的精确值变为模糊值e (fuzzification 模糊化) ;

e (3)根据输入变量( )及模糊控制规则，按模糊推理合成 u e Ru (4)由u 计算精确的控制量Æ ã Ø » Ë ¿ Æ ä ¿ Ö ±Á

(defuzzification 非模糊化、解模糊化)£ ý Ä ¹ Æ í Í À Ç £ ²Ä ý ¯ ¹ º

£ ý ¯ Ä ¹ º

£ ý æ ® Ä ¹ ¸ º

4.1 模糊逻辑系统模糊控制系统 4.1.2 模糊控制系统的原理与特点对于该直流电动机模糊控制调速系统，其控制原理可以作如下分析：

1

u 偏差量e 和控制量设直流电动机的转速 1000r/min 所对应的给定值为 u go ,测速装置输出电压 uCF ,其偏差量为

e u go uCF控制量u 是作为晶闸管触发器的移相电压，直接控制直流电动机的供电电压，而且是连续可调；

2

模糊化(输入、输出变量的模糊语言描述)

e 设偏差量 的模糊子集为

e {负大，负小，零，正小 ，正大}NB(negative Big) NS(Negative Small) ZO(zero) PS(Positive Small) PB(Positive Big)

误差 e 的论域为 E ,化为 9 个等级 E { 4, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 4} 同样，控制量 u 的论域为 Y , Y { 4, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 4} 注意： e 和 u 的等级化为个数可以不同，论域也可以不同，即使相同，其量化当量不一定相同

4.1 模糊逻辑系统模糊控制系统 4.1.2 模糊控制系统的原理与特点表 4-1PB PS ZO NS NB -4 0 0 0 0 1 -3 0 0 0 0.4 1

模糊变量(e, u )不同等级的隶属度值-2 0 0 0.4 0.7 0.7 -1 0 0.4 0.7 1 0.4 0 0 0.7 1 0.7 0 1 0.4 1 0.7 0.4 0 2 0.7 0.7 0.4 0 0 3 1 0.4 0 0 0 4 1 0 0 0 0

m (u ) m (e)NB NS1.0 ZO PS 0.7 0.4 0.2 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 PB

¨Û ò © £ Â Ó £ E

U

图4-3 隶属度函数

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