智能控制06-模糊控制设计总结优缺点及改进.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,模糊控制的优缺点,设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌握人类的控制经验。,系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制,优点：,模糊控制的优缺点,模糊化和反模糊化过程缺乏系统的方法，主要靠经验和试凑。,总结模糊控制规则有时比较困难。,控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化。,模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。,缺点：,模糊控制的改进方法,Why?,模糊控制的特点,可以实现人的控制策略,易于实现,在平衡点附近会产生振荡，稳态精度较差,提高控制精度必须以多分档为代价，因此使得规则数和计算量大大增加,PID,控制的特点：,运用普遍,参数对控制性能具有较大影响,模糊,PID,3.3.2,模糊控制与,PID,控制的结合,-,双模控制,双模控制器由模糊控制器和,PI,控制器并联组成。控制开关在系统误差较大时接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通,PI,控制器来消除稳态误差。,控制开关的控制规则可以描述为：,基于切换方式实现的模糊,PID,控制器,Fuzzy,控制器,PID,控制器,对象,|e|E,r,-,y,e,基于切换方式实现的模糊,PID,控制器,Example:,Simulink,仿真实现,Switch,介绍,控制效果,模糊,PID,PID,K,p,=2,K,i,=1,K,d,=0,基于参数自整定的模糊,PID,控制器,PID,控制器,对象,r,-,y,e,Fuzzy,控制器,dk,p,dk,i,dk,d,de/,dt,确定输入、输出变量,输入变量：,e,、,de,输出变量：,PID,控制器,对象,r,-,y,e,dk,p,dk,i,dk,d,de,e,Fuzzy,控制器,参数整定,讨论：,PID,对控制系统的影响,比例系数（,现在,）：,加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。,K,p,越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定。,K,p,取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。,积分系数（,过去,）：,消除系统的稳态误差。,K,i,越大，系统的稳态误差消除越快，但,K,i,过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若,K,i,过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。,微分系数（,未来,）：,改善系统的动态特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势。并能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。,模糊规则表,dK,p,dK,i,dK,d,NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,NB,PB,NB,PS,PB,NB,NS,PM,NM,NB,PM,NM,NB,PS,NS,NB,ZO,ZO,NM,ZO,ZO,PS,NM,PB,NB,PS,PB,NB,NS,PM,NM,NB,PS,NS,NM,PS,NS,NM,ZO,ZO,NS,NS,ZO,ZO,NS,PM,NB,ZO,PM,NM,NS,PM,NS,NM,PS,NS,NM,ZO,ZO,NS,NS,PS,NS,NS,PS,ZO,ZO,PM,NM,ZO,PM,NM,NS,PS,NS,NS,ZO,ZO,NS,NS,PS,NS,NM,PM,NS,NM,PM,ZO,PS,PS,NM,ZO,PS,NS,ZO,ZO,ZO,ZO,NS,PS,ZO,NS,PS,ZO,NM,PM,ZO,NM,PB,ZO,PM,PS,ZO,PB,ZO,ZO,NS,NS,PS,PS,NM,PS,PS,NM,PM,PS,NM,PB,PS,NB,PB,PB,PB,ZO,ZO,PB,ZO,ZO,PM,NM,PS,PM,NM,PM,PM,NM,PM,PS,NB,PB,PS,NB,PB,PB,e,ec,参考论文,模糊自整定,PID,控制器的设计及其应用，吴振顺，姚建均，岳东海，哈尔滨工业大学学报，,2004,年,11,月。,3.3,模糊控制的改进方法,串联控制,当,|E|1,时,系统的误差,e,和模糊控制器的输出,u,的和作为,PI,控制器的输入,克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用,;,当,|E|1,时,模糊控制器输出断开,仅有,e,加到,PI,控制器的输入,消除稳态误差。,3.3,模糊控制的改进方法,并联控制,当,|E|1,时，模糊控制器开关闭合，,PI,控制器的输出和模糊控制器的输出的和作为被控对象的输入,克服不确定性因素的影响,且有较强的控制作用；,当,|E|1,时,模糊控制器输出断开，仅有,PI,控制器控制对象,消除稳态误差。,3.3.3,自校正模糊控制,普通模糊控制器的,参数,和,控制规则,在系统运行时无法在线调整，自适应能力差,自校正模糊控制器通常分为两种：,参数,自校正模糊控制器,规则,自校正模糊控制器,自校正模糊控制器,在线修正模糊控制器的参数或控制规则，,增强模糊控制器的自适应能力,参数自校正模糊控制器,1,）,量化因子,e,、,ec,和比例因子,u,对控制性能的影响,如果,E,、,EC,、,U,的论域和控制规则是确定的，那么模糊查询表是确定的，也就是说，,E,、,EC,和,U,的关系是确定的，将这种关系可以用函数描述为：,U(k,)=,f,E(k),EC(k,),2,）,Ke,、,Kec,、,Ku,的调整方法,系统状态,性能要求,参数调整的要求,原因,e,和,ec,较大,尽快消除误差，加快响应速度,降低,Ke,和,Kec,；,加大,Ku,降低,Ke,和,Kec,可以降低对,e,和,ec,输入量的分辨率,使得,e,、,ec,的减少不致于使控制器的减少太多。,加大比例因子,Ku,可以获得较大的控制量,使响应加快。,e,和,ec,较小,系统已经接近稳态,此时要求提高系统精度,减少超调量,加大,Ke,和,Kec,；降低,Ku,增大,Ke,和,Kec,可以提高对输入变化的分辨率，使得控制器可以对微小的误差做出反应，提高稳态的精度,减少,Ku,，以减小超调量,3.3,参数自校正模糊控制器,根据上述参数自调整的原则和思想，可以设计一个,模糊参数调整器,，在线地根据偏差,e,和偏差变化,ec,来调整,Ke,、,Kec,、,Ku,的取值。,在不影响控制效果的前提下，可以取,Ke,、,Kec,增加的倍数与输出的比例因子,Ku,减小的倍数相同。,确定模糊控制器的输入变量和输出变量；,该模糊参数调整器的输入与模糊控制器的输入相同，为偏差,E,和偏差变化,EC,；输出为,Ke,、,Kec,的增加倍数,N,（即,Ku,的减小倍数）。,模糊参数调整器的设计,参数自校正模糊控制器,E,、,EC,的隶属函数分布,确定输入，输出的论域、语言取值及其隶属函数；,输入,E,、,EC,的论域都定义为,:E,、,EC-6,-5,-1,0,1,5,6,语言值定义为：,PB,，,PM,，,PS,，,ZO,，,NS,，,NM,，,NB,参数自校正模糊控制器,N,的论域定义为：,1/8,1/4,1/2,1,2,4,8,；,语言值定义为：,(,高缩,),、,(,中缩,),、,(,低缩,),、,(不变,),、,(,低放,),、,(,中放,),、,(,高放,),；,N,的隶属函数分布,参数自校正模糊控制器,总结专家控制规则及其蕴涵的模糊关系,N,的调整规则表,根据规则表蕴涵的模糊关系，经过模糊推理和清晰化操作，可以总结出相应的模糊参数调整查询表。,CH(,高缩,),、,CM(,中缩,),、,CL(,低缩,),、,OK(,不变,),、,AL(,低放,),、,AM(,中放,),、,AH(,高放,),参数,自校正模糊控制器,参数自校正模糊控制系统原理图,参数,自校正模糊控制器实现步骤,（,1,）,以原始的,Ke,和,Kec,对,e,和,ec,进行量化得到,E,、,EC,；,（,2,）由,E,EC,查模糊参数调整查询表得出调整倍数,N;,（,3,）令,Ke,=,Ke,N,，,Kec,=,Kec,N,，,Ku,=,Ku/N,；,（,4,）用调整后的,Ke,、,Kec,对,e,和,ec,重新量化；,（,5,）用重新量化的,E,、,EC,查模糊控制表,得出控制量,U,。,（,6,）用比例因子,Ku,乘以,U,获得控制量,u,。,规则,自校正模糊控制器,控制规则和查询表都是在人工经验的基础上设计出来的，因而难免带有主观因素，使控制规则往往在某种程度上显得精度不高或不完善,;,当对象的动态特性发生变化，或受到随机干扰的影响时，需要对控制规则和查询表及时进行修正。,1,）为什么要进行规则校正,?,规则,自校正模糊控制器,对于一个二维模糊控制器，当输入变量偏差,E,、偏差变化,EC,和输出控制量,U,的论域等级划分相同时，则其控制查询表可以近似归纳为：,在上式的基础上引入一个调整因子，则可得到一种带有调整因子的控制规则：,为调整因子或加权因子，它反映了误差,E,和误差变化,EC,对控制输出量,U,的加权程度，通过调整,值，可以达到改变控制规则的目的。,2,）如何进行规则的校正？,规则,自校正模糊控制器,的调整对控制性能的影响,当误差较大时，控制系统的主要任务是,消除误差,，加快响应速度，这时对误差的加权应该大些；,当误差较小时，此时系统接近稳态，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定减小系统超调，这就要求在控制规则中误差变化起的作用大些，即对误差变化的加权大些。,因此，在不同的误差范围时，可以通过调整加权因子，来实现控制规则的自调整。,规则,自校正模糊控制器,的调整方法,分段法,将误差的取值范围划分为几段，每一段对应一个调整因子,。,的取值随误差的增大而增大。,的调整方法,函数法,(2),偏差大时，,较大，系统能尽快消除偏差,;,偏差小时，,较小，系统能尽快趋于稳态,。,即根据模糊目标的隶属函数来调节大小。,3.3.4,变结构模糊控制,控制系统在实际运行中，往往会运行于不同的工作状态。在不同的工作状态，控制的规则、输入输出的论域都不同。,可以将工作过程划分为几个状态，对不同的状态分别设计不同的模糊控制器。,系统在运行时，可以根据系统偏差、偏差变化率等状态特征，识别出系统所处的状态，切换到所需的模糊控制器。,思考题,用自己的语言和理解描述：什么是模糊控制？,模糊控制器的适用场合？,设速度论域为,0,300m/s,请将速度变量用慢，中，快三个模糊集合表示（用图示法表示出来）,