文件名称:
课程设计(论文)-模糊控制器设计.pdf
开发工具:
文件大小: 2mb
下载次数: 0
上传时间: 2019-07-13
详细说明:详细阅读该文章,该文章具有很强的启发性和参考性。不要气馁,多读几次。科研之路漫长,耐得住寂寞你才会赢。数据库
规划库
知识库
输入
模糊化接口
推理机
清晰化接口
输出
图2
1)模糊化接口
模糊控制器的输入变量(通常为偏差和偏差的变化率)的实际变
化范围叫做这些变量的基本论域,显然基本论域內的量为精确量,当
计算机实现模糊控制算法进行模糊控制时,每次采样得到的被控制量
需经计算机计算,以便得到模糊控制器的输入变量。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
设输入变量的基本论域为l-x,x,输入变量的模糊集论域为{
0,…,n-1,n},即可以给出精确量模糊化的量化因子
k=n/x
把输入变量乘以量化因子,就能实现输入变量从基本论堿到模糊
集论域的转换。
通常,习惯上把输入变量的模糊集论域设定为{-6,-5,-4,3
-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},把在这区间的连续量模糊化为7档:
“正大”(PB)多数取+6附近;
正中”(PM)—多数取+4附近
In cO
正小”(PS)—多数取+2附近
零”(0)—多数取0附近;
“负小”(NS)—多数取-2附近
“负中”(NM)—多数取-4附近;
“负大”(NB)一一多数取-6附近
这7档对应着7个模糊子集,如表1所示。
表中的数表示[-6,十6之间13个元素在对应模糊集中的隶属度
然,这只是一个示意性表,目的在于说明从精确量向模糊量的转换
过程,实际的模糊集要根据具体问题来规定。
表1模糊变量不同等级的隶属度值
隶属度
等654321
级
模糊变量
PB
PM
B∞b5821m1212
00010100.30.8
070.50.20
ZO
0000.110.6110.60.11001010
NS
00.210.50.71
8030000010
M
0207
70.2
NB
0.80.704021000001010
(2)知识库
①数据库:存放所有输入输岀变量的全部模糊子集的隶属度矢
量值,若论域为连续域,则为隶属度函数。对于以上例子,须将表
6-7中内容存放于数据库,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:用来存放全部模糊控制规则,在推理时为“推理机
提供控制规则。
模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积
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
由系列的关系词连接而成,如 if- -then,lse,alo,end,or等,
关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。例如,某温度模糊控
制器,系统输入变量为温度的偏差和温度偏差的变化率ε,输出
量为温度控制信号u,它们对应的语言变量分别为E,EC和U,可
给出如下模糊规则:
R1: FEIs正大 and ec is正大 then l is负大
d第一条模糊规则含义是若温度偏高,且温度上升较快,则调节
温度控制信号使温度迅速下降。
R2: FEIs负大 and eC is负大 then u is正大
8第二条模糊规则含义是若温度偏低,且温度下降较快,则调节
温度控制信号使温度迅速上升。
(3)推理机
推理杋在模糊控制器中的功能是:根据输入的模糊量和知识库
数据库、规则库)完成模糊推理,并求解模糊关系方程,从而获得
模糊控制量。例如,若已知偏差E和偏差的变化率EC的模糊集,则
控制量的模糊集U可由模糊推理的合成算法获得,即
U=(ExEC)·R
式中,×—模糊直积运算;
模糊合成运算;
R一模糊关系
(4)清晰化接口
通过推理札进行模糊决策所得到的输出是模糊量,而被控对象只
能接受一个控制量,因此要进行控制必须经过淸晰化接口将模糊量转
换为精确量。
将模糊量转换为精确量通常釆用以下三种方法:
①最大隶属度判决法:若对应的模糊决策的模糊集中,元素
∈U,且满足
HU1(u)≥HU1(u)
则取u(精确量)作为输岀控制量。酽就是该模糊子集中隶属
度最大的那个元素。如果这样的隶属度最大点*不唯一,就取它们
的平均值x作为执行量。
例如,若U,=0.3/2+0.7/3+1/4+0.6/5+0.2/6,在U,中,元
素4的隶属度最大,则按最大隶属度原则,应取执行量u*=4;若
0.3/2+1/3+1/4+0.55+0./6,在U2中,隶属度最大有两个,
它们分别为元素3和4,则取u=(3+4)/2=3.5。
最大隶属度判决法的优点是简单易行,算法实时性好,突出了隶
属度最大元素的控制作用;缺点是它概括的信息量少,对隶属度较小
元素的控制作用没有考虑。
②加权平均判决法:该方法的输出量*的值由下式来决定
∑U1(n,)H
∑U1(an)
例如,若U1=9+08++8+,则
2x0.1+3×0.8+1×4+5×0.8+6x0.1
0.1+08+1+0.8+0.1
③取中位数法:在最大隶属度判决法中,只考虑了最大隶属数,
而忽略了其它信息的影响。中位数判决法是将隶属函数曲线与横坐标
所围成的面积平均分成两部分,以分界点所对应的论域元素作为判决
输出。
图6-19为模糊控制量隶属函数曲线,根据中位数判决,得输出
量*=1
()
6
20
6 u
图6-19模糊控制量隶属函数曲线
中位数判决法虽然比较充分地利用了模糊子集提供的信息量,但
在计算时比较烦琐,而且缺乏对隶属度较大元素提供的主导信息的充
分重视,因此这种方法在实际应用中受到一定限制。一
模糊控制算法可概括为下述4个步骤:
d釆样系统的被控量,得到输入变量
丁
d将输入变量的精确值变为模糊量
d根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则,按模糊推理合成规
则计算控制量(模糊量);
d由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的控制量。
2模糊控制器设计
模糊控制器的结构设计
确定模糊控制器的结枃是设计模糊控制器的第一步,所谓“结构”
是指确定哪些变量作为模糊控制器的输λ变昰和输岀变量模糊控制
器的结构分为单输入单输出。结构和多输入多输出结构两类。由于
单输入单输出结构用的较多,这里只对该结构给予介绍。在单输入单
输出结构的模糊控制器中,将其输入变量的个数定义为模糊控制器的
维数,如图6-20所示。
维模糊控制器如图6-20(a)所示。输入变量往往选择为被控
量和输入给定量的偏差e。由于仅仅采偏差值,很难反映受控过程的
动态特性品质,因此,所能获得的系统动态性能是不能令人满意的。
二维
三帷
攀期
模糊|¥
控制
控制
控制
器
(a)一维模糊控制器b)二维模糊控制器
(c)三维模糊控制器
图6-20单输入单输出结构模糊控制器
二维模糊控制器如图6-20(b)所示。两个输入变量基本上都选
用被控变量与输入给定量的偏差ε和偏差变化率εc,由于它们能够
较好地反映受控过程中输出变量的动态特性,因此,在控制效果上要
比一维模糊控制器好得多,也是口前采用较广泛的一类模糊控制器
三维模糊控制器如图6-20(c)所示。三个输入变量分别为系统
偏差量¢、偏差变化率εe和偏差变化率的变化率ecc。由于这类模糊
控制器结构较复杂,推理运算时间长,因此除非对动态特性要求特别
高的场合,一般较少选用
从理论上讲,模糊控制系统所选用的模糊控制器缃数越髙,系统
的控制精度也就越髙。但是维数选择太髙,模糊控制规律就过于复杂,
基于模糊合成推理的控制算法的计算机实现也就更困难,这也许是人
们在设计模糊控制系统时,多薮采用二维控制器的原因。
6.4.2.2模糊规则的选择和模糊推理
(1)模糊规则的选择
①模糊话言变量的确定:一般来说,一个语言变量的语言值越
多,对事物的描述就越准确,可能得到的控制效果就越好。
当然,过细的划分反而使控制规则变得复杂,因此应视具体情况
而定。如误差等的语言变量的语言值一般取为{负大,负中,负小,
零,正小,正中,正大}
②语言值隶属函数的确定:语言值的隶属函数又称为语言值的
语义规则。它有时以连续函数的形式出现,有时以离散的量化等级形
式出现。连续的隶属函数描述比较准确,而离散的量化等级简洁直观。
③模糊控制规则的建立:模糊控制规则的建立常采用经验归纳
法和推理合成法。所谓经验归纳法,就是根据已有的控制经验和直觉
推理,经整理、加工和提炼后构成模糊规则的方法。推理合成法是根
据已有的输入输出数据,通过模糊推理合成,求取模糊控制量。
(2)模糊推理
模糊推理一般形式为
一维形式: IF X is 4 then y is B
二维形式: IF Xis a and yis b then zis c
6.4.2.3清晰化
目的是根据模糊推理的结果,求得最能反映控制量的真实分布
目前常用的方法有三种,即取最大隶属度法、加权平均判决法和取屮
位数法。
6.4.2.4模糊控制器的论域、量化因
子、比例因子的确定
输入、输出变量的实际变化范围称为这些变量的基木论域,以二
维模糊控制器为例,设定误差的基木论域为-xe,xe,误差变化率的
基本论域为-xe,cl,控制量的基本论域为-yu,pl。
设误差变量所取的模糊子集的论域为
-n,-n+1,
0
n-1,n}
误差变化率所取的模糊子集的论域为
{-m,-m+1,…,0,…,m-1,m}
控制量所取的模糊子集的论域为
{-l,-+1,…,0,…,l-1,4
若用Ke,Kc分别表示误差、误差变化率的量化因子,用K表
示控制量的比例因子,则有
Ke=n/xe
(6-47)
Kc= mlrc
(6-48)
Ku=yu/
(6-49)
比较量化因子和比例因子不难看出,两者均是考虑两个论域变化
而引出的。对输入变量而言,量化因子实现输入变量的基本论域到模
糊集论域的变换;对输岀控制量而言,比例因子实现控制贔的模糊集
论域到基本论域的变换
设计一个模糊控制器除了要有一个好的模糊控制规则外,合理地
选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子也是
非常重要的。实验结果表明,量化因子和比例因子的不同大小设定,
对模糊控制器的控制性能影响很大
合理地确定量化因子和比例因子要考虑所采用的计算机的字长,
还要考虑计算机输入输出接口中D/A和AD转换的精度及范围。
量化因子Ke和Kc的大小对控制系统的动态性能影响很大。Ke
选得较大时,系统的超调也较大,过渡过程就越长。Ke越小,则系
统变化越慢。Kc选择较大时,系统超调量减小,但系统的响应速度
变慢。Kc选择较小时,系统的响应速度变快,但超调增大。Kc对超
调的遏制作用十分明显。
此外,输岀比例因子Ka的大小也影响着模糊控制系统的特性。
Ku选择过小会使系统动态响应过程变长,而Ku选择过大会导致系
统振荡。输出比例因子Ku作为模糊控制器的增益,它的大小影响着
控制器的输出。
应该指出,量化因子和比例因子的选择并不是唯一的,可能有几
组不同的值,都能获得较好的响应特性。对于比较复杂的被控过程,
有时采用一组固定的量化因子和比例因子难以收到预期的控制效果,
可以在控制过程中采用改变量化因子和比例因子的方法来调整个控
制过程中不同阶段上的控制特性,以便对复杂过程控制收到良好的控
制效果。这种形式的控制器称为自调整比例因子模糊控制器。
关于基本论域的选择,由于事先对被控对象缺乏了解,所以误差
及误差变化率的基本论域只能做初步选择,待系统调整时再进一步确
定
6.4.2.5编写模糊控制器的算法程序
1)计算机离线计算查询表程序
程序属于模糊矩阵运算。查询表的建立方法是:
根据釆样得到的误差xi、误差变化率y,可计算出相应的控制量
变化叫,对所有X={x1,x2,…,x},F={y1,y2,…,ywm}中元素
的所有组合仝部计算出相应的控制量变化值,可写成矩阵如下
(lj)n×m一般将这个矩阵制成表,称为査询表,也称为控制
表。将其存于计算机内存中,供计算机在线控制时使用。
(2)计算机在线实时控制程序
该程厅在模糊控制过程中完成在线计算输入变量(误差、误差变
化率),并将它们模糊化处理,査找査询表后再作输出处理。具体步
骤如下
①设置输入、输岀变量及控制量的基本论域,预置量化因子、
比例因子和采样周期。
②判断采样时间到否,若时间已到,则转向第3步,否则等待。
③启动A/D转换,进行数据采集
④计算误差和误差的变化率并判断它们是否已超过上(下)限
值,若已超过,则将其设定为上(下)限值。
⑤按给定的量化因子将误差和误差变化率模糊化,并由此查询
存放在计算机内存中的控制表。
⑥得到控制量的精确值后,乘上给定的比例因子,若已超过上
下)限值,则设置为上(下)限值。
⑦启动D/A转换,得到模糊控制器实际输出模
拟量,用来控制被控对象
设计一个模糊控制器,满足如下条件:
输入:0-18范围内分为七个论域, NBNMNS ZE PS PM PB;隶属度函数满足高斯分布;
输出:-15到15范围内分为七个论域, NBNMNS ZE PS PM PB,隶属度函数为常数1。
模糊推理过程,ω utput-输入隶属度函数值*输岀论域的中心值。
模糊输入量化过程,程序如下:
X1=(0:0.1:18);
yo=gaussmf(xl,1o)
1= gaussmf(x1, 113);
y2=gaussmf(xl, [1 6:
3=gaussmf(x1,[ 91)
y4gaussmf(x1, [1 12]):
y5= gaussmf(x1,[115]);
yo= gaussmf(x1, [1 18)
plot(xl, yo yl y2 y3 y4 y5 y6)
wW. doin. cO
模糊输入量化过程
二,模糊控制器设计,程序如下:
D fuzzy logic controler design
%o input [NB Nm ns ZE PS PM PB]
%o output INB NM NS ZE PS PM PB;
b rule
%o %o if input is NB, then output is PB
D if input is NM, then output is PM:
%o if input is Ns, then output is PS
Do o if input is ZE, then output is ZE
" a if input is PS, then output is NS
yo if input is PM, then output is NM;
p " if input is PB, then output is NB
(系统自动生成,下载前可以参看下载内容)
下载文件列表
相关说明
- 本站资源为会员上传分享交流与学习,如有侵犯您的权益,请联系我们删除.
- 本站是交换下载平台,提供交流渠道,下载内容来自于网络,除下载问题外,其它问题请自行百度。
- 本站已设置防盗链,请勿用迅雷、QQ旋风等多线程下载软件下载资源,下载后用WinRAR最新版进行解压.
- 如果您发现内容无法下载,请稍后再次尝试;或者到消费记录里找到下载记录反馈给我们.
- 下载后发现下载的内容跟说明不相乎,请到消费记录里找到下载记录反馈给我们,经确认后退回积分.
- 如下载前有疑问,可以通过点击"提供者"的名字,查看对方的联系方式,联系对方咨询.