模糊控制的现状与发展概述_葛新成

2 . 1 确定量的模糊化 模糊化就是将基础变量论域上的确定量变换成 基础变量论域上的模糊集的过程 , 模糊化的步骤如 下: ( 1 ) 把精确量离散化, 其主要作用是将真实的确 定量输入转换成一个模糊矢量。在进行模糊化之前, 先需对输入量进尺度变换, 使其变换到相应的论域范 围。变换的方法可以是线性的也可以是非线性的。 ( 2 ) 确定输入值相对于相应语言变量语言值的 隶属度。在一个模糊控制系统中 , 隶属函数的形状 和位置直接影响着系统的性能。 2 . 2 模糊控制知识库的生成 模糊控制的知识库主要由 2部分组成, 即 : 数据 库和规则库。 ( 1 ) 数据库。数据库所存放的是所有输入、 输 出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值 (即经过论 域等级离散化以后对应值的集合 ), 若论域为连续
现代防御技术 M ODERN DEFENCE TECHNOLOGY
Jun . 2008 V o.l 36 N o . 3
导航、 制导与控制
模糊控制的现状与发展概述
葛新成 , 胡永霞
( 1. 第二炮兵驻 8602 厂军事代表室 , 湖北 孝感 1 2
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432100 ; 2 . 三江集团红阳机械厂 , 湖北 孝感
图 2 模糊控制器的组成框图 Fig 2 Constitu tion of the fuzzy con troller
dani推理法来得方便。 2 . 4 模糊量的清晰化 非模糊化处理是将模糊推理中产生的模糊量转
葛新成 , 胡永霞 : 模糊控制的现状与发展概述
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化为精确值 , 常见的清晰化方法有以下几种:
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Baidu Nhomakorabea
收稿日期 : 2007- 10- 05 ; 修回日期 : 2007- 11- 01 作者简介 : 葛新成 ( 1979- ), 男 , 山东日照人。助工 , 学士 , 主要研究方向为检测技术与自动化装置。 通信地址 : 432100 湖北孝感三江集团红阳厂二炮军代室 电话 : 029- 84744233
3 模糊控制的应用
模糊控制作为 21 世纪的一种新技术 , 被广泛的 应用于各种行业 , 主要有家电、 机电、 工业生产的过 程控制、 航空航天的各种控制器的设计等。其中在 家电中的应用主要有模糊电视机、 模糊空调器、 模糊 洗衣机等; 在机电行业中的应用主要有集装箱吊车 的模糊控制、 单片机温度模糊控制、 快速伺服系统定 位的模糊控制、 直流无 刷电机调速的 模糊控制等。 下面就模糊控制在航空航天中各种控制器的设计中 的应用加以详细介绍。 就模糊控制的改进方法 , 模糊控制的应用大致 可分为以下几种 : ( 1) Fuzzy P ID 复合控制。通常由简单模糊控 制器、 P I和 P ID 控制器组成。利用模糊控制器对系 统实现非线性的智能控制 , 利用 P I控制器克服模糊 控制器在系统达到稳态时可能产生的震荡及稳态误 差大的问题。 Fuzzy P I D 复合控制有以下几种系统 结构: 双模糊控制结构; ! 串联控制结构; ∀ 并 联控制结构 ; # 串级控制结构。文献 [ 2- 4] 对 P I D 模糊控制器进行了设计 , 得出了 F uzzy P ID 复合控 制优于纯 P I D 控制或纯模糊控制, 能提高简单模糊 控制器的稳态性能, 也能提高普通 P I D 控制器的鲁 棒性的结论。 ( 2) 变结构模糊控制器。一般采用多个简单的 子模糊控制器构成一个变结构模糊控制器 , 每个子 模糊控制的控制规则、 参数、 控制目标都不同。在变 结构模糊控制器的输入端有一个系统特征状态识别
中图分类号 : TP273+ 4 文献标志码 : A 文章编号 : 1009 086X ( 2008) 03 0051 05
P resent Ana lysis and D evelopm ent T rends of Fuzzy Control Techniques
GE X in cheng , HU Yong x ia
最
器, 根据系统的偏差、 偏差变化率等特征状态, 系统 可切换到不同的子模糊控制器上。文献 [ 5- 8] 对 模糊变节构控制器进行了设计, 得出了这种复合控 制器即能保持变结构控制的鲁棒性及快速性, 又能 消除变结构控制器的抖振问题的结论。 ( 3) 模糊 H 控制器。一般由简单模糊控制器 和 H 控制器组合而成。文献 [ 9] 对模糊 H 控制器 进行了设计, 得出了复合控制器对模型不确定的控 制器具有鲁棒性的结论。 ( 4) 自适应模糊控制器。所谓自适应模糊控制 器是指这样的一种控制器: 在实时运行时, 它能对控 制器自身的有关参数进行调整, 使系统的控制品质 得到改善和提高。文献 [ 9] 研究了自适应模糊 H 控制在导弹自动驾驶仪中的应用 , 得出了在导弹飞 行动态精确数学模型困难的前提下 , 所设计的控制 器有较好的鲁棒性和自适应能力的结论 ; 文献 [ 10] 设计了一种自适应模糊滑模控制器 , 得到了具有滑 模特点的参数自适应调节律, 并通过仿真实验对控 制器的效果进行了验证。通过对目前公开发表的文 献的分析 , 可知自校正模糊控制器的设计一般有 3 种校正方法, 即调整比例因子法、 调整模糊控制规则 法和调整语言变量的隶属函数法。 ( 5) 基于神经网络的模糊控制。神经网络对环 境的变化有较强的自适应学习能力 , 用神经网络的 学习能力 , 能够获取并修正模糊控制规则和隶属函 数。文献 [ 11]将小脑关节模型控制器 ( CMAC )神经 网络用于一类状态反馈可线性化的多输入多输出连 续时间非线性系统的变结构控制中 , 得也了该控制 器估计了估计误差的大小, 减小了系统的不确定性, 改善了系统的性能的结论; 文献 [ 11] 分析了神经模 糊系统的建模方法 , 并对自适应噪声消除进行了建 模与仿真 , 得出了该方法过程简单, 鲁棒性好, 控制 性能高的结论。
大隶属 度 值 法 ( M C ) ; ! 最 大 隶 属 度 平 均 值 法 ( MOM ) ; ∀ 面积平均法 ( COA ) ; # 重心法 ( COG ) ; ∋ 左取大 ( LM ) 和右取大 ( RM ) 。由于以上这些清 晰化方法在不同程度上都具有一定的局限性, F ilev 和 Y ager采用学习机制提出了一种基本非模糊化分 布函数法 ( BADD) , 对 COG 中的加权因子进行了修 正 , 在 此 基 础 上 又 提 出 了 半 线 性 非 模 糊 化方 法 ( SL IDE )以及改进半线性非模糊化方法 ( M SL I DE ) 。 Jiang 和 L i对常见非模糊化方法进行了总结, 提出 了基于广义传递函数的非模糊化方法。
简要回顾了模糊控制理论的发展详细介绍了模糊控制理论的原理和模糊控制器的设计步骤根据各种模糊控制器的不同特点对模糊控制在航空航天领域中的应用进行了分类并分析了各类模糊控制器的应用效能最后分析了模糊控制理论的优缺点及需要完善或继续研究的内容展望了模糊控制的发展趋势与动态
2008 年 6 月 第 36 卷 第 3 期
Abstract : Fuzzy control is an i m portan t part o f inte lligent contro. l The develop m ent and the applica t io n of fuzzy contro l is looked back . T he prin ciple of fuzzy contro l asw ell as th e step o f the design of fuzzy contro ller is in troduced . A ccordin g to the d ifferen t w ay of th e applicat io n of fuzzy contro, l the types and the different results o f d ifferent fuzzy controls are analyzed . The strong po in ts as th e short po int are sum m arized ; the fu rther research of fuzzy control is also presented. T he tendencies of fuzzy contro l are ou t looked . K ey w ords: fuzzy contro; l fuzzy P I D contro ; l fu zzy var iab le structu re contro;l H control
自从 1965 年美国自动控制理论专家 Zadeh L A 提出用模糊集合描述客观世界中存在的不确定性信 息以来 , 模糊逻辑理论有了飞跃性的发展 , 并得到了 广泛的应用。模糊控制
[ 1]
( fuzzy contro l) 是以模糊
集理论、 模糊语言变量和模糊控制逻辑推理为基础 的一种智能控制方法 , 从行为上模拟人的思维方式 ,
432100 )
摘
要 : 模糊控制方法是智能控制的重要组成部分 。简要回顾了模糊控制理论的发展 , 详细介
绍了模糊控制理论的原理和模糊控制器的设计步骤 , 根据各种模糊控制器的不同特点 , 对模糊控制 在航空航天领域中的应用进行了分类 , 并分析了各类模糊控制器的应用效能 , 最后分析了模糊控制 理论的优缺点及需要完善或继续研究的内容, 展望了模糊控制的发展趋势与动态 。 关键词 : 模糊控制 ; 模糊 P ID 控制; 模糊变结构控制 ; H 控制
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现代防御技术
2008 年第 36卷第 3 期
1 模糊控制的原理
模糊控制算法的工作过程可以描述如下 : 微机 通过中断采样获取被控制量的精确值, 并将此量与 给定值比较得到一误差信号 E, 一般选误差信号 E 作为模糊控制 器的一个输入量。把误差信 号 E 的 精确量进行模 糊化变成模糊量。误差 E 的模糊量 可用相应的模糊语言表示, 得到误差 E 的模糊语言 集合的一个子集 e ( e 是一个误差 E 的模糊矢量 ), 再由 e 和模糊关系 R 根据推理的合成规则进行模糊 决策, 得到模糊控制量 u, 即 u = eR. 模糊控制的框图如图 1 所示。
0 引
言
对难建模的对象实施模糊推理和决策的一种控制方 法, 实际上是一种非线性控制。模糊控制作为智能 领域中最具有实际意义的一种控制方法 , 已经在工 业控制领域、 家用电器自动化领域和其他很多行业 中解决了传统控制方法无 法或者是难以解 决的问 题, 取得了令人瞩目的成效, 引起了越来越多的控制 理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的 极大兴趣。
图 1 模糊控制原理框图 Fig 1 Princip le of fuzzy con trol theory
域, 则为隶属度函数。数据库的作用是在规则推理 的模糊关系方程求解过程中 , 向推理机提供数据。 ( 2 ) 规则库。规则库包含与生产过程有关的经 验型知识 , 在设计模糊控制规则时 , 必须考虑控制规 则的完备性、 交叉性和一致性。模糊控制规则的生 成大致有以下 4 种方法 : 根据专家经验或过程知 识生成; ! 根据过程模糊模型生成 ; ∀ 根据对手工 操作的系统观 察和测量生 成; # 根 据学习算 法生 成。模糊控制规则建立完之后, 还必须对规则进行 优化处理 , 从本质上解决控制规则的数量与质量问 题。 2 . 3 模糊控制算法 模糊控制算法的目的就是从输入的连续精确量 中, 通过模糊推理的运算过程 , 求出相应的清晰量的 控制量。模糊控制算法有多种实现形式 , 目前常采 用的算法有: CRI 推理法 ; ! 函数型推理法 ; ∀ M am dani直接推理法后件函数法; # 特征展开推理 法。除此之外 , 水本 雅晴还提 出了 ∃ ( + , % ) 重心 法 &的推理方案, 他认为该方法在使用中要比 M an
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( 1. M ilitary D e legate A gency o f P lant 8602 , H ube i x iaogan 432100, China ; 2. H ong Y ang M echanica l Facto ry o f San Jiang G roup , H ube iX iaogan 432100, Ch ina)
由图 1 可知 , 模糊控制系统与通常的计算机数 字控制系统的主要区别是采用了模糊控制器。模糊 控制器是整个模糊控制系统的核心, 一个模糊控制 系统性能优劣, 主要取决于模糊控制器的结构 , 所采 用的模糊规则、 合成推理算法及模糊决策的方法等 因素。
2 模糊控制器的设计步骤
模糊控制器的原理框图如图 2 所示, 它包括模 糊化接口、 知识库、 推理机和解模糊接口等部分。