内容要点 引信 先进控制技术 1.引言 控制系统简介 2. 模物教学基础 控制系统的基本结构可分为： 3. 模粉控制的基本原理 模糊控制 摸物控制系统 开环拉制尿桃 4. 5. 慎物控削应用实例 钥环歧则派统 彭超 它们以被控对象的状态变量是香引入负 反馈到控制器来予以区分。 引信 引信 引信 开环控制系统 闭环控制系统 传统控制方法的局限性 ·按给定值操纵的开环控制 若用计算机实现传统控制方法： 从被控对涂检测出状态变量值，并以此检测值与 A.首先要设定控制目标值。 给定值 制装置 装拉对多输出量 目标期望值（给定值）进行比较，以偏差值作为 B。根摄被控对缘的增性变化和环携变化，提过 控制器的输入量，由控制器按某种数学模型进行 负反债原道，不进行节，以豪所设定的目标值， 开环控制系统 适用于控制对康变化复慢， 运算后的结果，作为控制量。 兼量计-个清足控制日标的控，多灵有 不能速立系统敢学视型的， 实际实现很困难，特别是对复杂的非线性系统 控制精度要求不高的备合。 和多因素的时变系统。 1
1 先进控制技术 模糊控制 彭超 内容要点 1. 引言 2. 模糊数学基础 3. 模糊控制的基本原理 4. 模糊控制系统 5. 模糊控制应用实例 引言 控制系统简介 控制系统的基本结构可分为： 开环控制系统 闭环控制系统 它们以被控对象的状态变量是否引入负 反馈到控制器来予以区分。 引言 输出量 控制装置 被控对象 给定值 开环控制系统 适用于控制对象变化缓慢， 不能建立系统数学模型的， 控制精度要求不高的场合。 开环控制系统 • 按给定值操纵的开环控制 引言 闭环控制系统 从被控对象检测出状态变量值，并以此检测值与 目标期望值（给定值）进行比较，以偏差值作为 控制器的输入量，由控制器按某种数学模型进行 运算后的结果，作为控制量。 引言 传统控制方法的局限性 若用计算机实现传统控制方法： A. 首先要设定控制目标值。 B. 根据被控对象的特性变化和环境变化，通过 负反馈原理，不断进行调节,以跟踪所设定的目标值。 C. 设计一个满足控制目标的控制器，必须要有 数学模型。 实际实现很困难，特别是对复杂的非线性系统 和多因素的时变系统
引信 引言 引信 模物控制速论的产生和发展 模物控削就是模仿人的控制过混，其中包 含了人的控制经童和知识。 模物控制的主要应用领城 随着酥统复卖皮的提高。将难以意立乘恢的槽 确散学领型和滴足实时拉的要求， 模湘控制方法责可用于衡单的控制对蒙， 人们希探或一种除兼学视型似外的植地手段和处 也可用于复杂的过程。 潭方 例抑： 模擦控制以棋旗集合论作为数学基础。 水箱水湿拉制 晴自行车 1965年L.A.Zadeh(类国数提)首先提出了 模物桌合的餐老。 率 1974年E.H.Mamdani(英国敏授)首先将模 粉桌合理论应用于加热器的控制。 引信 引信 引信 中国863高技术计划项日，包括自动化领城的计算 日本安 机集成耐造系统和智能机器人两个主题： 美母辆器人令天自覆开展文是伊鞋规长 川公司 娱乐机 械狗 控制的 A 日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X 主要应用领情 2
2 引言 随着系统复杂程度的提高，将难以建立系统的精 确数学模型和满足实时控制的要求。 人们希望探索一种除数学模型以外的描述手段和处 理方法。 例如： 骑自行车 水箱水温控制 模糊控制理论的产生和发展 引言 模糊控制就是模仿人的控制过程，其中包 含了人的控制经验和知识。 模糊控制方法既可用于简单的控制对象， 也可用于复杂的过程。 模糊控制以模糊集合论作为数学基础。 1965年L.A.Zadeh(美国教授)首先提出了 模糊集合的概念。 1974年E.H.Mamdani(英国教授)首先将模 糊集合理论应用于加热器的控制。 引言 模糊控制的主要应用领域 航空航天 无人驾驶车辆 生产调度系统 能源生产系统 过程控制系统 机器人 引言 中国863高技术计划项目，包括自动化领域的计算 机集成制造系统和智能机器人两个主题。 引言 日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X 日本安 川公司 娱乐机 械狗 引言 模 糊 控 制 的 主 要 应 用 领 域
引信 引信 模糊数学基础 棋潮控制的福念和转点 模物逻辑控制方法 模物桌合与经典集合 模信控制Fuzzy control)是指模榈理论在控制技术上的 把模物数学理论应用于自动拉制领域，从而产 经头泉合一桃述清饰派名 被湘合一描述不确定的含 应用. 生的控树方法称为膜潮控制方法。 如培干南定的有区酬的（不枪是真佛的成地家的） 口用语言变量代替数学支量或两者结合应用： 发纯拉制依领一被蚊罩就的 其中酶对常为使合的光骤。 口用模糊条件语句米刻画变量间的函数关系： 款学物： 口用模胸算法来刻面复杂关系，榄拟人类学习和自适应 桃制规榈棱制胶镇一敏使尿能的 能力. 物限特核 k托(Canto,G.F 1845年一1918年) 属干德国数学家 A 不属于 模湖数学基础 模糊数学基础 误利以子举山 经典集合 经典集合 模糊桌合 相互关系的常用符号有： 1基本兼老 a∈A表示元康测于集合， 模相性总是伴随复杂性而出现的，复杂性意味着因索的多 论媒：当讨论某个解念的外延或考意某个同题的议题时， a使A表示元素不周于集合， 样性，联系的多样性 总会画定一个讨论的瓶酒，这个花西擦为论域， 寸aEA表示鼎台中的所有元常 元套：论域中的每个对象意为元藏。 3山∈A表示来合中存在元家 事物的言通联系造成了事物的复杂性和模性。 桌合：在某一论城中，人有某种特定周性的对缘的金休 成为该枪填中的一个架合。 模榴性也起源于事物的发展变化性，变化性就是不确定性 过渡阶段的事物表现为从展于到不属于的变化过程的渐进性 3
3 引言 模糊控制的概念和特点 模糊控制(Fuzzy control)是指模糊理论在控制技术上的 应用。 用语言变量代替数学变量或两者结合应用; 用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系; 用模糊算法来刻画复杂关系，模拟人类学习和自适应 能力。 引言 把模糊数学理论应用于自动控制领域，从而产 生的控制方法称为模糊控制方法。 传统控制依赖于被控系统的 数学模型； 模糊逻辑控制依赖于被控系统的 物理特性。 模糊逻辑控制方法 模糊数学基础 模糊集合与经典集合 经典集合---描述清晰概念 模糊集合—描述不确定的念 康托（Cantor,G.F.P. 1845年—1918年）， 德国数学家 把若干确定的有区别的（不论是具体的或抽象的） 事物合并起来，看作一个整体，就称为一个集合， 其中各事物(对象)称为该集合的元素。 属于 不属于 模糊数学基础 经典集合 1.基本概念 论域 ：当讨论某个概念的外延或考虑某个问题的议题时， 总会圈定一个讨论的范围，这个范围称为论域。 元素：论域中的每个对象称为元素。 集合：在某一论域中，具有某种特定属性的对象的全体 成为该论域中的一个集合。 模糊数学基础 相互关系的常用符号有： 表示元素属于集合， 表示元素不属于集合， 表示集合中的所有元素 表示集合中存在元素 a A a A a A a A 经典集合 模糊数学基础 模糊性总是伴随复杂性而出现的，复杂性意味着因素的多 样性，联系的多样性。 事物的普通联系造成了事物的复杂性和模糊性。 模糊性也起源于事物的发展变化性，变化性就是不确定性。 过渡阶段的事物表现为从属于到不属于的变化过程的渐进性。 模糊集合
模糊数学基础 模糊数学基础 模糊数学基础 模糊集合 模糊集合的望本概念及其表示方法 日常生活种的成年人、青年人、高个子、冷与热等等 定义：所谓给定了论域U上的一个模糊集A是指：对任 都是一些不分明的模糊的概念，对这样的概念，传统的 何x∈U,都指定了一个数c与之对应，它叫做 天气冷 雨的大小 风的强弱 集合论显得无能为力，因此。美国制论专家 x对A的隶属度。这意味着构造了一个映射， LA.Zadeh于1965年提出了模糊集合用以描迷模脚概 念. 这个映射称为A的隶属函数。 4,U→则 年龄大小 个子高低 模湖数学基础 模糊数学基础 模糊控制的工作原理 符号意义：模潮桌合用大写宇母A表示，来属度 ■候物控制的基木愿复 西戴用“来表示。A中的元素用x来表示，则 和化 H回)称为x属于A的康属度，表示论域中的元素x 属于其模子集A的程度。U表示桌合的全体，即 成年人（秘 人号章控绿服南花为酸片控南得南十 气 论域。视物桌合可以表示为： 集合) 热水器 物南退慕： A={《x,4川xeU 年龄 整实 成年人的来属函数曲线 人满对前水海水皇的调节 4
4 模糊数学基础 模糊概念 天气冷热 雨的大小 风的强弱 人的胖瘦 年龄大小 个子高低 模糊数学基础 日常生活中的成年人、青年人、高个子、冷与热等等 都是一些不分明的模糊的概念，对这样的概念，传统的 集合论显得无能为力，因此，美国控制论专家 L.A.Zadeh于1965年提出了模糊集合用以描述模糊概 念。 模糊集合 模糊数学基础 模糊集合的基本概念及其表示方法 定义：所谓给定了论域U上的一个模糊集A是指：对任 何 ，都指定了一个数 与之对应，它叫做 x对A的隶属度。这意味着构造了一个映射， 这个映射称为A的隶属函数。 x U x0,1 A :U 0,1 A 模糊数学基础 符号意义：模糊集合用大写字母A表示，隶属度 函数用 来表示。A中的元素用x来表示，则 称为x属于A的隶属度，表示论域中的元素x 属于其模糊子集A的程度。U表示集合的全体，即 论域。模糊集合可以表示为： A x, A x| x U x A 模糊数学基础 模糊控制的工作原理 模糊控制的基本思想 将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊集理论进行量化，转化为可 数学实现的控制器，从而实现对被控对象的控制。 人类专家的控制经验是如何转化为数字控制器的 ？ 人类对热水器水温的调节 控制思想： 如果水温偏高，就把燃气阀关小； 如果水温偏低，就把燃气阀开大
模糊控制的工作原理 模糊控制的工作原理 模糊控制的工作原理 ■机接按制的落本愿短 精仿人判的链政。国献将湾一十世装来好对棉本●的性编。 补发如化。n 水左体含。怡A支 风晚易值 的出山 人频中蒙的地便曼南向伦为逆南原的？ 端体格.电气自济度能 神北 金图 气用 ■物造拉得。式球人类操地： 号 DIA 热水器 响区福： 整铁 超出除线 当一温和 T队c休尚)格Cae开夜t》之e 燕本是水业禁物 人真对棉水壶水塞的司节 模糊控制的工作原理 模糊控制系统 模糊控制系统 视物控制暑的菡本工作原理 模湘制墙的鲨丰帕构通常由四个事分且戒 1模擦化波口 ■神化接口 超入.信线上宽文灶衣林入 将测量得到的被拉对缘的状志轻过模物化接口装 ■氯岸 真化液口物量计率夹上款是定文量光州过速，可分为以下几海 换为用人类自然语言清述的横编量，而厅根鼎人 ■松抽推夏 小普有变的响夜 奥的香言控制烟则，经过模擦推退海到输出拉制 ■清帝化接口 量的快取值，控量的模物取植厚经过清情化 化口 清化餐口 对N体地入，着出空间。春高定艾一十比量。 道常家球模的地直安率c对神共弹的同计维入在 姿口转换为执行机构鲍够浪收的精南量。 情安空 5
5 模糊控制的工作原理 模糊控制的基本思想 将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊集理论进行量化，转化为可 数学实现的控制器，从而实现对被控对象的控制。 人类专家的控制经验是如何转化为数字控制器的 ？ 人类对热水器水温的调节 控制思想： 如果水温偏高，就把燃气阀关小； 如果水温偏低，就把燃气阀开大。 模糊控制的工作原理 模仿人类的调节经验，可以构造一个模糊控制系统来实现对热水器的控制。 用一个温度传感器来替代左手进行对水温的测量，传感器的测量值经A/D变 换后送往控制器。 电磁燃气阀代替右手和机械燃气阀作为执行机构，电磁燃气阀的开度由控 制器的输出经D/A变换后控制。 构造控制器，使其能够模拟人类的操作经验。 人类的控制规则 如果水温比期望值高，就把燃气阀关小； 如果水温比期望值低，就把燃气阀开大。 描述了输入（水温与期望值的偏差 e）和输出（燃气阀开度的增量 u）之间的模糊关系 R 模糊控制的工作原理 输入e 输出u 模糊推理 规则库R D/A 电磁阀 温度 热水器 传感器 A/D 期望值 ＋ －e u 模糊值 模糊值 精确值 精确值 模糊化 去模糊化 热水器水温模糊控制系统结构 模糊控制的工作原理 模糊控制器的基本工作原理 将测量得到的被控对象的状态经过模糊化接口转 换为用人类自然语言描述的模糊量，而后根据人 类的语言控制规则，经过模糊推理得到输出控制 量的模糊取值，控制量的模糊取值再经过清晰化 接口转换为执行机构能够接收的精确量。 模糊控制系统 模糊推理 清 晰 化 接 口 模 糊 化 接 口 规则库 模糊控制器的基本结构通常由四个部分组成： 模糊化接口 规则库 模糊推理 清晰化接口 1 模糊化接口 模糊化就是通过在控制器的输入、输出论域上定义语言变量，来将精确的输入、 输出值转换为模糊的语言值。 模糊化接口的设计步骤事实上就是定义语言变量的过程，可分为以下几步： 1) 语言变量的确定 针对模糊控制器每个输入、输出空间，各自定义一个语言变量。 通常取系统的误差值e和误差变化率ec为模糊控制器的两个输入，在 e的论域上定义语言变量“误差E”，在ec的论域上定义语言变量 “误差变化EC”；在控制量u的论域上定义语言变量“控制量U”。 模糊控制系统