模糊控制-第1章引言课件

模糊控制模糊控制Fuzzy Control任课教师：黄巧莉任课教师：黄巧莉Email:课程教学安排课程教学安排理论学时：理论学时：3636学时学时实验学时：实验学时：9 9学时学时学分：学分：2 2.5分分考试方式：闭卷考试考试方式：闭卷考试教材：教材：模糊系统与模块控制教程模糊系统与模块控制教程王立新著王立新著 清华大学出版社清华大学出版社模糊控制模糊控制课代表课代表课程评分标准课程评分标准学期考试：学期考试：6565实验成绩：实验成绩：1515平时成绩：平时成绩：2020课程内容课程内容n引言引言n模糊控制的数学基础模糊控制的数学基础n模糊控制的逻辑学基础模糊控制的逻辑学基础n模糊控制器的设计模糊控制器的设计n模糊控制系统的设计和仿真模糊控制系统的设计和仿真第第1 1章章 引言引言n为什么研究模糊系统为什么研究模糊系统n什么是模糊系统什么是模糊系统n模糊系统应用的领域及方式模糊系统应用的领域及方式n模糊理论的主要研究领域模糊理论的主要研究领域n模糊理论及其应用的简史模糊理论及其应用的简史1.11.1为什么研究模糊系统为什么研究模糊系统n随着控制对象的复杂性、非线性、滞后性和耦随着控制对象的复杂性、非线性、滞后性和耦合性的增加，人们获得精确知识量的能力相对合性的增加，人们获得精确知识量的能力相对减少，运用传统精确控制的可能性也在减小。减少，运用传统精确控制的可能性也在减小。n正像正像“L.A.Zadeh不相容原理不相容原理”所说，当一个系所说，当一个系统复杂性增大时，人们能使其清晰化的能力将统复杂性增大时，人们能使其清晰化的能力将会降低，达到一定阀值时，复杂性和清晰性将会降低，达到一定阀值时，复杂性和清晰性将是相互排斥的是相互排斥的”，这时便产生了模糊控制。，这时便产生了模糊控制。n人类思维的主要根据是概念模式和思维图像，人类思维的主要根据是概念模式和思维图像，而不是数量，但是计算机工作的依据则正好相而不是数量，但是计算机工作的依据则正好相反。作为人类思维外壳的自然语言，当然就带反。作为人类思维外壳的自然语言，当然就带有模糊性。有模糊性。n模糊理论是一个充满争议的领域，主要原因之模糊理论是一个充满争议的领域，主要原因之一是人们对模糊（朦胧的、不精确的，不合乎一是人们对模糊（朦胧的、不精确的，不合乎逻辑的，不明白的）这个词的误解。逻辑的，不明白的）这个词的误解。n模糊理论并非模糊理论并非“模糊的理论模糊的理论”，而是研究模糊，而是研究模糊对象，利用模糊信息的对象，利用模糊信息的精确理论精确理论。与其它实用。与其它实用性理论一样，模糊系统理论所追求的目标是为性理论一样，模糊系统理论所追求的目标是为解决各种实际问题提供更加有效的思路与方法。解决各种实际问题提供更加有效的思路与方法。n从本质上看，尽管模糊系统理论描述的现象可从本质上看，尽管模糊系统理论描述的现象可能是模糊的，但理论本身却是精确的。能是模糊的，但理论本身却是精确的。n模糊系统是一个被精确定义的系统，模糊控制模糊系统是一个被精确定义的系统，模糊控制也是一种被精确定义的特殊的非线性控制。也是一种被精确定义的特殊的非线性控制。n模糊控制是以模糊集合理论和模糊逻辑推理为模糊控制是以模糊集合理论和模糊逻辑推理为基础，把专家用自然语言表述的知识和控制经基础，把专家用自然语言表述的知识和控制经验，通过模糊理论转换成数学函数，再用计算验，通过模糊理论转换成数学函数，再用计算机进行处理。机进行处理。n研究模糊系统理论的一个原因研究模糊系统理论的一个原因 现实世界太复杂以至于无法做到精确描述，为了得现实世界太复杂以至于无法做到精确描述，为了得到一个合理的且可跟踪的模型就必须引入近似性到一个合理的且可跟踪的模型就必须引入近似性（即模糊性）概念。（即模糊性）概念。模糊理论的精确性，既能概括出现实世界的关模糊理论的精确性，既能概括出现实世界的关 键性质，又便于用数学分析的方法跟踪研究；这是键性质，又便于用数学分析的方法跟踪研究；这是所有工程理论的共同特点，要有普适性，抽象性，所有工程理论的共同特点，要有普适性，抽象性，严密性，可分析性。严密性，可分析性。n研究模糊系统理论的另一个原因研究模糊系统理论的另一个原因 一个好的工程理论应将两类信息整合到系统设计一个好的工程理论应将两类信息整合到系统设计中去，一个是用自然语言描述系统性能的专家，一中去，一个是用自然语言描述系统性能的专家，一个是传感器提供的测量数据和根据自然法则推导出个是传感器提供的测量数据和根据自然法则推导出来的数学模型。来的数学模型。模糊理论能系统地描述人类知识，并将其同其它信模糊理论能系统地描述人类知识，并将其同其它信息（如数学模型和感官测量）一起嵌入到工程系统息（如数学模型和感官测量）一起嵌入到工程系统中。中。n n模糊理论提供了一套系统而有效的方法，将以自然语言表模糊理论提供了一套系统而有效的方法，将以自然语言表达的知识转换成数学形式，从而使这些知识得以有效的应达的知识转换成数学形式，从而使这些知识得以有效的应用。用。n n模糊系统与通常的专家系统的不同之处在于，模糊系统是模糊系统与通常的专家系统的不同之处在于，模糊系统是把专家知识先转换成数学形式，然后加以应用，而专家系把专家知识先转换成数学形式，然后加以应用，而专家系统是把专家知识用计算机语言来表述。统是把专家知识用计算机语言来表述。n n即模糊系统把符合（自然语言表达的知识）转换成数学函即模糊系统把符合（自然语言表达的知识）转换成数学函数，而专家系统把一种符号转换成另一种符号。数，而专家系统把一种符号转换成另一种符号。n n一旦语言转换成了数学函数，我们就可以借助于丰富的数一旦语言转换成了数学函数，我们就可以借助于丰富的数学工具建立一套理论体系，把人和物理系统统一起来加以学工具建立一套理论体系，把人和物理系统统一起来加以描述和研究。描述和研究。模糊系统理论的特点模糊系统理论的特点n强调充分利用各种所能获得的信息，包括数据信息，强调充分利用各种所能获得的信息，包括数据信息，模型信息，语言信息等。模型信息，语言信息等。n将各种信息融为一体，在一个统一的数学框架下进行将各种信息融为一体，在一个统一的数学框架下进行研究。研究。n强调实用性与理论完备性相结合，以实用性为先导。强调实用性与理论完备性相结合，以实用性为先导。n应用对象不局限于某个特定领域，而广泛适用于工程、应用对象不局限于某个特定领域，而广泛适用于工程、经济、金融、管理、社会等各个领域。经济、金融、管理、社会等各个领域。模糊控制的特点模糊控制的特点n n模糊控制是以人对被控对象的操作经验为依据而设计控制模糊控制是以人对被控对象的操作经验为依据而设计控制器，不依赖于被控对象的精确数学模型；器，不依赖于被控对象的精确数学模型；n n作为模糊控制核心的控制规则是用自然语言表述的，易于作为模糊控制核心的控制规则是用自然语言表述的，易于被操作人员接受；被操作人员接受；n n模糊控制规则通过模糊集合论和模糊推理理论，可以转换模糊控制规则通过模糊集合论和模糊推理理论，可以转换成数学函数，便于用计算机软件实现；成数学函数，便于用计算机软件实现；n n可以对复杂被控对象进行有效控制，鲁棒性和适应性好。可以对复杂被控对象进行有效控制，鲁棒性和适应性好。1.21.2什么是模糊系统什么是模糊系统n模糊系统是基于知识或基于规则的系统，其核心是模糊系统是基于知识或基于规则的系统，其核心是 由由IF-THEN规则组成的知识库。规则组成的知识库。例：一条模糊的例：一条模糊的IF-THEN规则规则 如果一辆汽车的速度快，则施加给油门的力较小。如果一辆汽车的速度快，则施加给油门的力较小。这是一条用自然语言所描述的人类知识，这是一条用自然语言所描述的人类知识，“快快”和和“较小较小”是模糊的，模糊系统中采用连续的隶属度是模糊的，模糊系统中采用连续的隶属度函数来精确地描述。函数来精确地描述。例例1.11.1设计一个可以自动控制汽车速度的控制器设计一个可以自动控制汽车速度的控制器n司机在一般环境下采用三类规则来驾驶汽车司机在一般环境下采用三类规则来驾驶汽车n n如果速度慢，则施加给油门较大的力如果速度慢，则施加给油门较大的力n n如果速度适中，则施加给油门正常大小的力如果速度适中，则施加给油门正常大小的力n n如果速度快，则施加给油门较小的力如果速度快，则施加给油门较小的力n模糊的模糊的IF-THEN规则就是将连续隶属度函数所描述规则就是将连续隶属度函数所描述的自然语言，用的自然语言，用IF-THEN的形式陈述。的形式陈述。n把一个事物属于某个集合的特征函数可以取把一个事物属于某个集合的特征函数可以取0到到1间间的任何数值，即用隶属度函数表示一个事物属于某的任何数值，即用隶属度函数表示一个事物属于某个集合的程度。个集合的程度。例例1.21.2设计一个打气时的气球模型。设计一个打气时的气球模型。气球三个关键变量：气球内的空气，空气上升量和表面张力。气球三个关键变量：气球内的空气，空气上升量和表面张力。n构建模糊系统的出发点是要得到一组来自专家或基构建模糊系统的出发点是要得到一组来自专家或基于该领域知识的模糊于该领域知识的模糊IF-THEN规则，然后将这些规规则，然后将这些规则组合到单一系统中。则组合到单一系统中。n常见的模糊系统：常见的模糊系统：n纯模糊系统纯模糊系统nTSK模糊系统模糊系统n有模糊器和解模糊器的模糊系统有模糊器和解模糊器的模糊系统模糊系统模糊系统n常见的模糊系统：纯模糊系统常见的模糊系统：纯模糊系统n常见的模糊系统：TSK（TakagiTakagi，SugenoSugeno和和KangolKangol）模糊系统如果一辆汽车的速度如果一辆汽车的速度x为快，则施加给油门的力为为快，则施加给油门的力为y=cx。TSKTSK模糊系统的主要问题模糊系统的主要问题n其规则的其规则的THENTHEN部分是一个数学公式（如加权平部分是一个数学公式（如加权平均），可能无法提供一个自然的体系来表达人均），可能无法提供一个自然的体系来表达人类知识；类知识；n模糊逻辑的各种原理得到应用的自由度也很有模糊逻辑的各种原理得到应用的自由度也很有限，以至于在该体系中没有很好体现模糊系统限，以至于在该体系中没有很好体现模糊系统的广泛用途。的广泛用途。n常见的模糊系统：有模糊器和解模糊器的模糊系统n模糊系统的两个特性模糊系统的两个特性n是由一个实值向量向一个实值标量所作的多输入单输是由一个实值向量向一个实值标量所作的多输入单输出映射，并且能够得到这些映射的精确数学公式。出映射，并且能够得到这些映射的精确数学公式。n是由来自模糊是由来自模糊IF-THEN规则的人类知识所组成的基于规则的人类知识所组成的基于知识的系统。知识的系统。n模糊系统的重大贡献模糊系统的重大贡献 为知识库向整个非线性映射的转换提供系统的程序为知识库向整个非线性映射的转换提供系统的程序，使基于知识的系统采用同数学模型及传感器测量，使基于知识的系统采用同数学模型及传感器测量一样的方式，可被应用到工程实际中。一样的方式，可被应用到工程实际中。1.31.3模糊系统应用的领域及方式模糊系统应用的领域及方式n模糊洗衣机模糊洗衣机n数字图象稳定器数字图象稳定器n汽车中的模糊系统汽车中的模糊系统n水泥窑的模糊控制水泥窑的模糊控制n地铁的模糊控制地铁的模糊控制模糊洗衣机模糊洗衣机n n模糊洗衣机是第一个应用模糊系统的消费产品，它是由日本模糊洗衣机是第一个应用模糊系统的消费产品，它是由日本松下电子工业公司于松下电子工业公司于19901990年生产的。年生产的。n n传统全自动洗衣机实际上是一台按事先设定好的参数进行顺传统全自动洗衣机实际上是一台按事先设定好的参数进行顺序控制的机器，它不能根据情况和条件的变化来改变参数。序控制的机器，它不能根据情况和条件的变化来改变参数。这种控制系统属于开环控制系统。这种控制系统属于开环控制系统。n n真正的智能化全自动洗衣机的目标应该是，根据所洗衣服的真正的智能化全自动洗衣机的目标应该是，根据所洗衣服的数量、种类和脏的程度来决定水的多少、水流的强度和洗衣数量、种类和脏的程度来决定水的多少、水流的强度和洗衣的时间，并可以动态地改变参数，以达到高效的目的。的时间，并可以动态地改变参数，以达到高效的目的。模糊控制洗衣机的结构剖面模糊控制洗衣机电路框图模糊控制洗衣机的控制结构1.41.4模糊理论的主要研究领域模糊理论的主要研究领域1.51.5模糊理论及其应用的简史模糊理论及其应用的简史n20世纪世纪60年代：模糊理论的萌芽年代：模糊理论的萌芽n20世纪世纪70年代：模糊理论的发展并实际应用年代：模糊理论的发展并实际应用n20世纪世纪80年代：模糊理论的大规模应用年代：模糊理论的大规模应用n20世纪世纪90年代：模糊理论仍有更多的挑战年代：模糊理论仍有更多的挑战2020世纪世纪6060年代：模糊理论的萌芽年代：模糊理论的萌芽n19651965年，美国加州大学自动控制系年，美国加州大学自动控制系L.A.ZadehL.A.Zadeh教教授把经典集合与多值逻辑融为一体，用数字或授把经典集合与多值逻辑融为一体，用数字或函数表述和运算含有像函数表述和运算含有像“冷冷”、“热热”之类纯之类纯属主观意义的模糊概念，创立了模糊集合理论，属主观意义的模糊概念，创立了模糊集合理论，开创了模糊控制数学基础的研究。开创了模糊控制数学基础的研究。n19681968年，渣德提出了模糊算法。年，渣德提出了模糊算法。2020世纪世纪7070年代：模糊理论的发展并实际应用年代：模糊理论的发展并实际应用n19701970年，贝尔曼和渣德提出模糊决策。年，贝尔曼和渣德提出模糊决策。n19711971年，渣德提出模糊排序。年，渣德提出模糊排序。n1974年，伦敦大学教授年，伦敦大学教授E.H.Mamdani利用模糊利用模糊逻辑开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽机，逻辑开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽机，从而开创了模糊控制的历史。从而开创了模糊控制的历史。n反应炉的温度自动控制系统、模糊水泥窑控制反应炉的温度自动控制系统、模糊水泥窑控制器、十字路口交通管理器、十字路口交通管理.2020世纪世纪8080年代：模糊理论的大规模应用年代：模糊理论的大规模应用n19801980年，模糊控制的日本首次应用年，模糊控制的日本首次应用-富士电富士电子水净化工厂子水净化工厂n19831983年，模糊机器人。年，模糊机器人。n日本仙台地铁开发模糊系统，创造了世界上最日本仙台地铁开发模糊系统，创造了世界上最先进的地铁系统。先进的地铁系统。n在炼钢、化工、家用电器、人文社科、经济系在炼钢、化工、家用电器、人文社科、经济系统以及医学心理等领域的广泛应用。统以及医学心理等领域的广泛应用。2020世纪世纪9090年代：模糊理论仍有更多的挑战年代：模糊理论仍有更多的挑战n19921992年，首届年，首届IEEEIEEE模糊系统国际会议召开。模糊系统国际会议召开。n19931993年，创办年，创办IEEEIEEE模糊系统会刊。模糊系统会刊。n模糊系统应用于控制理论的方法和分析还停留模糊系统应用于控制理论的方法和分析还停留在初级阶段，仍有更多挑战。在初级阶段，仍有更多挑战。参考书参考书n模糊控制原理与应用，诸静，机械工业出 版社。得到国家自然科学基金资助，是国内较好 的模糊控制书籍之一。参考书参考书n模糊控制 神经控制和智能控制，李士勇，哈尔滨工业大学出版社。是被各种论文和书籍引用最多的智能控 制书之一，其中有多个章节介绍模糊控制。参考书参考书n智能控制，刘金琨，电子工业出版社。最新被推荐给本科生和研究生学习的参考 书籍之一，有仿真实例作为必要的补充。参考书参考书nAdaptive Fuzzy System and Control:Design and Stability Analysis,L.X.Wang,Prentice Hall Inc.,Englewood Cliffs,NJ,1994。该书的中文版由国防工业出版社1995年出版，被SCI引用超过423次。参考书参考书nA COURSE IN FUZZY SYSTEM&CONTROL,L.X.Wang,Prentice-Hall,Englewood Cliffs,NJ,1996。本教材的英文版，被SCI引用超过151次。经典的参考文献经典的参考文献nZadeh L.A.,“Fuzzy sets”,Information and Control,vol.8,pp.338-353,1965.nZadeh L.A.,“Fuzzy algorithms”,Information and Control,vol.12,no.2,pp.94-102,1968.nBellman R.E.and Zadeh L.A.,“Decision making in a fuzzy environment”,Management and Science,vol.17,no.4,pp.141-164,1970.nZadeh L.A.,“Similarity relations and fuzzy ording”,Information Science,vol.3,no.2,pp.177-200,1971.经典的参考文献经典的参考文献nZadeh L.A.,“Outline of a new approach to the analysis of complex system and decision process”,IEEE Trans.on Systems,Man and Cybern.,vol.3,no.1,pp.28-44,1973.nMamdani E.H.and S.Assilian,“An experiment in linguistic synthesis with a fuzzy logic controller”,Int.J.Man Mach.Studies,vol.7,no.1,pp.1-13,1975.nHolmblad L.P.and J.J.stergaard,“Control of a cement kiln by fuzzy logic”,In:Gupta,M.M.and E.Sanchez,eds.,Fuzzy Information and Decision Process,North-Holland,Amsterdam,pp.398-409,1982.期刊杂志期刊杂志nFuzzy Sets and System.nIEEE Trans.on Fuzzy System.n IEEE Trans.on Systems.n IEEE Trans.on Automatic Control.n IEEE Control System Magazine.n IEEE Trans.on System,Man,and Cybern.nAutomatica.nControl Engineering Practice.作者的三个突破作者的三个突破n证明模糊控制器是万能逼近器。n从数据中通过学习获取模糊规则。n设计确保稳定性的模糊控制器。